CN101900876B - 一种在屏幕上按准确倍率显示与标示显微镜镜下景像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于显微镜镜下景象的屏幕显示及其准确倍率标示方法领域，通过对显微成像系统和屏幕显示系统的标定，建立起两者之间的几何关系，使原始样本大小与镜下景象的准确放大倍率在屏幕的图像显示区重现，并在该显示区内或区外显示准确的放大倍率值和与该放大倍率对应的固定长度的放大标尺，将屏幕的镜下图像显示区设置成直径十倍于显微镜目镜视场数的圆形显示区，实现模拟显微镜目镜成像。

Description

一种在屏幕上按准确倍率显示与标示显微镜镜下景像的方法

技术领域

本发明属于显微成像和屏幕显示方法领域，具体涉及显微镜镜下景像的屏幕(包括电视机屏幕、计算机屏幕和投影屏幕)显示及其准确倍率标示的方法。

背景技术

现在，随着计算机技术和电子成像技术的发展，人们已经不满足于只用肉眼观察显微镜目镜下的微观景像，越来越多的技术已经被用来把显微镜镜下景像传递到电视机屏幕、计算机显示屏幕和投影屏幕上观看，这样的技术被统称为显微成像技术。在将显微镜镜下景像传递到显示屏幕上观看的过程中，人们非常关注两方面的问题：一、屏幕显示图像对显微镜镜下景像的还原程度(也可称之为保真度)，包括屏幕显示图像的几何形状有无畸变和图像色彩的鲜艳程度与明暗强弱的重现；二、屏幕显示图像的大小较之原始样本大小的准确倍率及其直观的标示显示。

在显微成像技术中除了光学显微镜外，还需要图像传感器(也称为摄像头)、计算机(数字成像时需要)以及图像显示屏幕。被观察样本首先通过显微镜的光学系统被投影到图像传感器的感光表面上，图像传感器对其感光表面的光学信号进行转换，经传输、处理最后在显示屏幕上显示出来。

人们已经发现，尽管现在的电子成像技术已取得了极大的进步，屏幕显示图像与显微镜镜下观察景像之间的几何畸变很小，但是，屏幕显示图像还原镜下景像的色彩和明暗程度经常存在较大的差异(即失真)。

本发明只涉及到目前发展最快应用面最广的数字化显微成像范畴也称为显微数字成像技术，其中图像传感器还需经数字化转换设备(即图像采集卡)将信号数字化后接入计算机，或直接采用数字化的图像传感器并将输出的信号接入计算机的数字输入端口(如USB、1394或Cameralink等)。目前，所有的显微数字成像技术都是通过成像软件调节图像传感器的某些参数来提高屏幕显示图像还原镜下景像的再现程度。通过成像软件调节图像传感器的参数包含红、绿、蓝各通道的增益、白平衡以及亮度与对比度等等。

分别调整红、绿、蓝各通道增益的方法操作比较锁碎，需要对图像传感器的各参数进行逐一或组合调试，观察调试效果，直到屏幕显示的图像满意为止。这种方法每次操作的效果不确定，常常要反复多次调试，对于不同的成像标本或同一成像标本的不同区域常常需重新调试，只有对图像传感器成像软件可调参数的理论作用有较好理解和相当丰富实践经验的操作人员才能获得理想的调试效果。

白平衡调整就是操作者利用成像软件在所成图像上选取操作者认为应该是“白”色的小区域作为基准，由成像软件自动调整红、绿、蓝各通道的增益，使得在此“白”色区域处红、绿、蓝三色的贡献达到一致(即呈现真正的白色)，这样计算机会将上述增益值应用到整幅图像的每一个像素，从而达到调整色彩的目的。白平衡调整技术的操作比较简单，调整效果的好坏与其所选取的小“白”区域的代表性有关，当同一标本上不同成像区域的色彩发生改变时，往往需重新进行白平衡调整，方可获得较好的成像效果。由于不同的操作者或同一操作者可在所成图像上选取不同的小“白”区域作为白色基准，经白平衡调整后重新显示的图像常常会产生不同的调整效果。

在显微镜上人们通过显微镜的物镜和目镜可以观察到细微的景物如生物切片上的组织细胞等；通过物镜放大倍率和目镜放大倍率的配合，人们可以按比较准确的组合放大倍率观察到实际样本的放大景像，但这个组合放大倍率仅仅是针对人眼在显微镜目镜内观察到的镜下放大景像。

在显微成像领域中人们一直问这样一个问题，屏幕(包括电视机屏幕、计算机屏幕和投影屏幕)上显示的镜下景物图像究竟是原始样本的多少倍。遗憾的是，到目前为止除本发明外还没有人能够准确回答这个问题和实现在计算机显示屏幕、电视机屏幕和投影屏幕上按任意或指定的准确放大倍率显示镜下的微观景物，因为从原始样本经显微镜成像系统到图像传感器的感光表面经历着一个复杂的光学和电子放大过程，其准确的放大倍率很难通过设计和制造来保证，另外由图像传感器的感光表面到不同大小和分辨率的显示屏幕又经历着光电转换、模数转换、计算机图像处理(存储、增强、放大等)、数模转换等一系列的复杂过程，而且图像传感器感光表面的大小以及感光元素的大小和多少也严重影响着最终图像显示的大小。经过了这样的光学、电子学以及数字化处理后，屏幕图像显示的原始样本的实际几何信息已经发生了很大的变化。

尽管人们能在不同大小和分辨率的屏幕上用一可变长度的直线段表述与之对应的原始样本的实际长度值，但是，还没有人能用具体的准确数字在屏幕上标示镜下景物图像究竟是原始样本的多少倍；对于未对显示系统进行标定即在不同大小和分辨率的屏幕上显示同一样本的同一放大倍数，是对观察者极不负责任的误导，这样显示的镜下景物的放大倍数值根本谈不上准确性。因为，这样的系统仅对成像系统作过定标，而没有对不同大小和分辨率的显示屏幕进行标定，更没有在成像系统和屏幕显示系统这两者之间建立起从原始样本大小→显微镜光学成像→不同大小和分辨率感光面的图像传感器电子成像→不同大小和分辨率的屏幕显示图像这一系列复杂倍率变化链条间几何变化的联系，因此，探索成像系统和屏幕显示系统的标定方法，以及在这两者之间建立起几何变化的有机联系是实现屏幕显示图像任意或指定倍率准确标示的关键。

发明内容

本发明首先针对上述显微镜镜下景象在屏幕显示图像再现中存在的问题和困难，采用下述四步方法理想地还原镜下景象的色彩和明暗强弱：

第一步，恒定显微镜光源，确定屏幕显示图像的亮度基准。显微镜光源的强弱和色温的丰富程度是影响镜下景象色彩和明暗程度的主要因素，显微镜的光源亮度不足，不单使镜下景象暗淡，而且景象的色彩也不会绚丽多彩，更不具有层次感。显微镜光源亮度的不稳定还会造成镜下景象亮度忽明忽暗，屏幕显示图像也会忽明忽暗，因此，在显微成像的过程中都要求显微镜的光源要稳定，光源的亮度要达到一定的程度以上，以使镜下景象明亮，色彩丰富具有层次感。本发明与现有的稳定显微镜光源的方法的不同之处在于，将显微镜光源的电位器控制旋钮开到足够大并能在目镜内观察到清晰的亮度适合的聚焦景象后，移动开载物台上的载体如载玻片，使物镜与聚光镜直接相对，启用计算机成像软件检测屏幕显示图像的动态亮度，调节聚光镜的光量调节阀，使屏幕显示图像的动态亮度固定在220～250灰度之间的某一确定值；

第二步，图像传感器与显微镜光源的色彩和亮度平衡。图像传感器(也称为摄像头)是显微成像过程中的重要部件，它对在屏幕显示图像上还原镜下景象起着最关键的作用。现在的图像传感器技术使屏幕显示图像与镜下景象之间的几何畸变很小，而屏幕显示图像再现镜下景象的色彩与明暗强弱却极不如人意。本发明与现有还原镜下景象色彩与明暗强弱的分别调整红、绿、蓝各通道增益技术和白平衡调整技术的不同之处在于，在第一步恒定了屏幕显示图像的亮度基准后，开启图像传感器驱动软件或成像软件的自动白平衡和自动曝光补偿功能，待屏幕显示的空白图像自动呈现灰色后，关闭图像传感器驱动软件或成像软件的自动白平衡和自动曝光补偿功能；

第三步，载玻片空白成像区衰减亮度的补偿。第一步和第二步操作的过程，载体(如载玻片)都不在显微镜的成像光路中。当完成这两步操作后，将载体的空白区(如成像光路穿过载玻片和盖玻片，但没有需成像的组织结构)移入显微镜的成像光路，启用计算机成像软件检测屏幕显示图像(没有组织结构)的动态亮度，调节聚光镜的光量调节钮，使屏幕显示图像的动态亮度恢复到第一步恒定的屏幕显示图像的亮度基准；

第四步，屏幕显示图像理想的还原显微镜镜下景象。当完成上述三步操作后，只要不改变显微镜光源电位器控制旋钮和聚光镜光量调节钮的状态，将载体上需成像的对象移入显微镜的成像光路，即可在屏幕显示图像内理想地还原同一或相似载玻片上所有对象不同视场的镜下景象。

本发明亦针对上述屏幕显示图像的大小较之原始样本大小的不确定的复杂倍率关系的现状，以及准确标示屏幕显示图像较之对应的原始样本实际倍率的应用要求提供一套有效的方法。本发明采用下述步骤实现屏幕显示图像准确倍率的显示与标示：

1、成像系统标定：即确定所拍摄的数字图像与原始样本之间的几何对应关系。其方法是先将显微镜物镜测微尺(一种特殊的载玻片，其中心部位的1mm距离内被刻度线划分为100等份)放置于显微镜的物镜下，通过目镜观察其图像并将焦距调节清楚，同时打开图像传感器和成像系统软件将图像显示在屏幕上并调节焦距至图像清晰；转动图像传感器至测微尺的刻度线与屏幕完全垂直，任意找出两条在屏幕上水平方向相距较远的刻度线并将其位置信息输入成像系统软件，成像系统软件即能够计算出两条刻度线之间的空间距离L_x以及图像像素点数N_x；转动图像传感器至测微尺的刻度线与屏幕完全平行，任意找出两条在屏幕上垂直方向相距较远的刻度线并将其位置信息输入成像系统软件，成像系统软件即能够计算出两条刻度线之间的空间距离L_y以及图像像素点数N_y。以上步骤完成后，成像系统软件即可计算出数字图像的每一个像素所对应的原始样本空间的实际几何尺寸，即单位像素的空间尺寸

s_x＝L_x/N_xs_x：单位像素水平方向的空间尺寸

s_y＝L_y/N_ys_y：单位像素垂直方向的空间尺寸

对显微镜的所有物镜都进行以上步骤的定标，就能够获得每个物镜及其相关中间镜下的单位像素的空间尺寸。

2、显示系统标定：即确定显示器的显示区域与需要显示的数字图像之间的几何尺寸对应关系；其方法是先测量并记录显示器显示区域的宽度D_x和高度D_y，然后将这两个测量值输入显示系统软件中，或显示系统软件直接调用已知规格显示屏幕的显示区域宽度D_x和高度D_y，显示系统软件自动计算出当前显示分辨率(R_x×R_y)下每一个显示像素的实际几何尺寸，即单位显示像素的显示尺寸

d_x＝D_x/R_xd_x：单位显示像素水平方向的显示尺寸

d_y＝D_y/R_yd_y：单位显示像素垂直方向的显示尺寸

3、建立成像系统与显示系统的几何对应关系。有两种方法确定显示屏幕的显示区域与需要显示的数字图像之间的几何对应关系：

(1)指定放大倍率A(如200即指放大200倍)，指定显示屏的图像显示区域(D_x×D_y)，其中D_x是显示宽度、D_y是显示高度，可以确定在对应原始样本上的实物几何尺寸数据即：

实物样本的高度S_y＝D_y/A

实物样本的宽度S_x＝D_x/A

根据显示系统的定标值(d_x，d_y)可以确定显示屏幕上指定区域的显示像素矩阵大小(M_d×N_d)：

显示行数M_d＝D_y/d_y

显示列数N_d＝D_x/d_x

根据成像系统的定标值(s_x，s_y)可以确定数字图像中对应区域的图像像素矩阵大小(M_s×N_s)：

数字图像行数M_s＝S_y/s_y

数字图像列数N_s＝S_x/s_x

将M_s×N_s像素矩阵的图像数据在屏幕上M_d×N_d像素矩阵的显示区域中进行变换显示即做到了将原始样本按照倍率A来显示。

(2)指定放大倍率A，若需要显示的数字图像矩阵区域为M_s×N_s，可以得到原始样本相应的区域大小为：

实物样本的高度S_y＝M_s×s_y

实物样本的宽度S_x＝N_s×s_x

经放大后：

显示高度D_y＝A×S_y

显示宽度D_x＝A×S_x

显示行数M_d＝D_y/d_y

显示列数N_d＝D_x/d_x

将M_s×N_s像素矩阵的图像数据在显示屏幕上M_d×N_d像素矩阵的显示区域中进行变换显示即做到了将原始样本按照倍率A来显示。

标定成像系统和显示系统，建立成像系统与显示系统的几何对应关系不但适用于显微成像领域实现屏幕显示图像任意或指定倍率的准确标示，而且还适用于宏观成像领域实现屏幕显示图像任意或指定倍率的准确标示。

4、整数放大倍率标示

显微镜目镜的放大倍率通常是10倍，物镜的放大倍率有4倍、5倍、10倍、20倍、40倍和100倍之分，其组合放大倍率就是40倍、50倍、100倍、200倍、400倍和1000倍。当成像系统和显示系统经过标定，利用二者之间的上述几何关系来实现这些准确的倍率值显示时，可以在不同大小和分辨率的显示屏幕上显示一个80mm、40mm或20mm的直线标尺，并在该标尺的上或下方分别标记与之对应原始样本的实际长度和准确放大倍率。40mm的直线标尺分别对应以上组合放大倍率下原始样本的实际长度值和准确放大倍率值为1000μm/40×、800μm/50×、400μm/100×、200μm/200×、100μm/400×和40μm/1000×；20mm的直线标尺分别对应以上组合放大倍率下原始样本的实际长度值和准确放大倍率值为500μm/40×、400μm/50×、200μm/100×、100μm/200×、50μm/400×和20μm/1000×；80mm的直线标尺值类推。

80mm、40mm和20mm以外的其他尺寸的标尺要么做不到个位数为0的整数尺寸的标记值，要么太长，要么太短。

5、任意放大倍率标示

在显示屏幕上以整数放大倍率显示图像，主要是与显微镜的物镜和目镜的组合放大倍率相配合。然而，当完成成像系统和显示系统的标定及建立起二者之间的上述几何关系来实现这些准确的倍率显示时，可以在显示屏幕的图像上显示一个可变长度的直线标尺，并在该标尺的上或下方分别标记或显示与原始样本对应的实际长度值和准确的任意放大倍率值，或者在显示屏幕的图像上显示一个固定长度的直线标尺，并在该标尺的上或下方分别标记或显示与原始样本对应的实际长度值和准确的任意放大倍率值。

6、模拟显微镜目镜成像

当完成成像系统和显示系统的标定，并建立起两者之间的上述几何关系后，只需将显示屏幕的镜下图像显示区设置成直径十倍于显微镜目镜视场数(如18mm、20mm、22mm、25mm、26.5mm)的圆形显示窗，该圆形显示窗内显示的镜下图像的大小和图案就与其实物目镜内的景像大小和图案一样，实现模拟显微镜目镜成像。

具体实施方式

下面结合本发明的具体实施例来进一步说明。

实施例一、理想地还原显微镜镜下景象的色彩和明暗强弱：

第一步，按常规的显微成像要求，将显微镜光源的电位器控制旋钮开到足够大，在目镜内观察到清晰的亮度适合的聚焦景象后，移动开载物台上的载玻片，使物镜与聚光镜直接相对，启用计算机成像软件检测屏幕显示图像的动态亮度，调节聚光镜的光量调节钮，使屏幕显示图像的动态亮度固定在230灰度值；

第二步，开启图像传感器驱动软件或成像软件的自动白平衡和自动曝光补偿功能，待屏幕显示的空白图像自动呈现灰色后，关闭图像传感器驱动软件或成像软件的自动白平衡和自动曝光补偿功能；

第三步，将载玻片的空白区(即成像光路穿过载玻片和盖玻片，但没有需成像的组织结构)移入显微镜的成像光路，启用计算机成像软件检测屏幕显示图像(没有组织结构)的动态亮度，调节聚光镜的光量调节钮，使屏幕显示图像的动态亮度灰度值恢复到230；

第四步，将载玻片上需成像的对象移入显微镜的成像光路，即可在屏幕显示图像内理想地还原同一或相似载玻片上所有对象不同视场的镜下景象。

实施例二、屏幕显示图像整数放大倍率标示：

第一步，成像系统标定：先将显微镜物镜测微尺(一种特殊的载玻片，其中心部位的1mm距离内被刻度线划分为100等份)放置于显微镜的观察物镜下，通过目镜观察其图像并将焦距调节清楚，同时打开图像传感器和成像系统软件将图像显示在屏幕上并调节焦距至图像清晰；转动图像传感器至测微尺的刻度线与屏幕完全垂直，任意找出两条在屏幕上水平方向相距较远的刻度线并将其标尺刻度信息输入成像系统软件；转动图像传感器至测微尺的刻度线与屏幕完全平行，任意找出两条在屏幕上垂直方向相距较远的刻度线并将其标尺刻度信息输入成像系统软件。

第二步，显示系统标定：先调出一个定标窗口，用直尺测量并记录该窗口的宽度和高度，或者先测量并记录显示屏幕的镜下景像显示区域的宽度和高度，然后将这两个测量值输入显示软件系统中。对于已知的标准规格显示器，可直接从显示软件系统中选定该标准规格的显示器。

第三步，调用已建立成像系统与显示系统标定关系的屏幕图像显示软件；

第四步，调出经成像系统标定后拍摄并存入计算机的图像，在屏幕图像显示软件的功能按钮上选择目镜和物镜的放大倍率或者它们的组合放大倍率，屏幕图像显示窗即准确显示该组合放大倍率下的镜下图像，同时，在屏幕图像显示窗的上边或下边或左边或右边或右下角或左下角或左上角或右上角的图像上叠加对应原始样本实际长度值和准确组合放大倍率值的直线标尺。如选择显微镜目镜的放大倍率为10倍，物镜的放大倍率为20倍，屏幕图像显示窗即准确显示200倍组合放大倍率的显微镜镜下景像，屏幕图像显示窗右下角的图像上叠加一个40mm的直线标尺，标尺的上方标示200μm，下方标示200×。

第五步，检验在不同大小和分辨率的显示屏幕上显示镜下图像组合放大倍率标示的准确性，采取下述三级步骤：

1、屏幕图像上叠加的标记有显微镜目镜镜下图像组合放大倍率值和对应原始样本实际长度值的直线标尺的长短及其上方的长度值和下方的倍率值不随显示屏幕的大小和分辨率的改变而改变；

2、调用已对显示系统做过标定的屏幕图像显示软件显示经标定后的成像系统拍摄并存入计算机的显微测微台尺的数字图像，用该数字图像上的显微测微台尺测量屏幕上叠加的直线标尺的长度值应与显示屏幕上叠加的直线标尺显示的原始样本实际长度值相同；

3、用显微测微台尺测量屏幕上叠加的直线标尺的长度值与该直线标尺下方标示的放大倍数值相除，其商应与该直线标尺上方标示的原始样本实际长度值相同。如以40mm直线标尺标示屏幕图像显示窗准确显示200倍放大倍率的显微镜镜下图像，屏幕图像显示窗右下角的图像上叠加的40mm直线标尺的测量刻度值仍为40mm，与该40mm直线标尺下方标示的200相除，其商为200μm，与40mm直线标尺上方标示的200μm一样。

实施例三、模拟显微镜目镜成像：

按实施例二的第一步、第二步、第三步完成后，将显示屏幕的镜下图像显示区设置成直径10倍于显微镜目镜视场数(如18mm、20mm、22mm、25mm、26.5mm)的圆形显示窗，在屏幕图像显示软件的功能按钮上选择目镜和物镜的放大倍率或者它们的组合放大倍率以及目镜视场数，调出经成像系统标定后拍摄并存入计算机的数字图像，屏幕图像圆形显示窗即准确显示该组合放大倍率和十倍于目镜视场数直径的圆形图像，该圆形图像的大小和图案与相同视场数的实物目镜内的景像大小和图案一样。

Claims (4)

1.一种在屏幕上按准确倍率显示与标示显微镜镜下景象的方法，其特征是通过对显微镜成像系统和屏幕显示系统的标定及其相互间几何关系的建立，在显示屏幕上准确地还原显微镜镜下景象的几何特征，使镜下原始样本以任意指定的准确放大倍率在显示屏幕的图像显示区重现并进行准确的倍率标示，包含以下步骤：

(1)成像系统的标定，成像软件系统利用图像传感器经显微镜光学成像系统获取一已知尺寸实物样本的数字图像；利用此样本的已知几何信息，计算出此数字图像的每一个像素所对应的原始样本空间的实际几何尺寸即单位像素的空间尺寸(s_x，s_y)，这是图像传感器与显微镜光学成像系统的一个综合系统指标；该指标随图像传感器或显微镜光学成像系统的变化而变化，因此，在不改变图像传感器的情况下，对显微镜的所有物镜或参与成像的中间镜都进行以上步骤的定标，这样就能够获得各种成像条件下的综合系统指标，并将它们记录入成像软件系统；

(2)显示系统的标定，对于已知规格的显示屏幕，直接从成像软件系统调取其几何信息；对于未知的显示屏幕或屏幕的图像显示区，测量并记录显示屏幕的图像显示区域的宽度和高度信息；显示软件系统根据显示屏幕的几何信息以及当前显示分辨率计算出单位显示像素的显示尺寸(d_x，d_y)；

(3)建立成像系统与显示系统的几何对应关系；有两种方法确定显示屏幕的显示区域与需要显示的数字图像之间的几何对应关系：

①指定放大倍率A，根据显示屏的图像显示区域(D_x×D_y)获得实物样本上相应的实体区域(S_x×S_y)；利用标定后的显示系统的单位显示像素的显示尺寸(d_x，d_y)和成像系统的单位像素的空间尺寸(s_x，s_y)，计算出显示区域的显示行数和显示列数(M_d×N_d)以及对应于数字图像中需要显示的行数和列数(M_s×N_s)；将M_s×N_s像素矩阵的图像数据在屏幕上M_d×N_d像素矩阵的显示区域中显示即做到了将原始样本按照倍率A来显示；

②指定放大倍率A，若需要显示的数字图像矩阵区域为M_s×N_s，利用标定后的成像系统的单位像素的空间尺寸(s_x，s_y)，得到原始样本上相应的实体区域(S_x×S_y)，根据放大倍率获得显示屏的图像显示区域(D_x×D_y)，再利用标定后的显示系统的单位显示像素的显示尺寸(d_x，d_y)计算出显示区域的显示行数和显示列数(M_d×N_d)；将M_s×N_s像素矩阵的图像数据在屏幕上M_d×N_d像素矩阵的显示区域中显示即做到了将原始样本按照倍率A来显示。

2.根据权利要求1所述在屏幕上按准确倍率显示与标示显微镜镜下景象的方法，其特征是：在显示屏幕的镜下景象显示区内以准确的整数组合放大倍率40倍、100倍、200倍、400倍或1000倍显示显微镜镜下景象，并同时在镜下景象显示区内或区外显示对应的放大倍率数值和与其原始样本对应的固定长度的放大标尺，标尺的屏幕显示长度选取80mm、40mm或20mm。

3.根据权利要求2所述在屏幕上按准确倍率显示与标示显微镜镜下景象的方法，其特征是：在显示屏幕的镜下景象显示区内以准确的任意放大倍率显示镜下景象，并同时在镜下景象显示区内或区外显示其任意放大倍率值和与其原始样本对应的可变长度的放大标尺。

4.根据权利要求1所述在屏幕上按准确倍率显示与标示显微镜镜下景象的方法，其特征是：将显示屏幕的镜下图像显示区设置成直径十倍于显微镜目镜视场数的圆形显示区，该圆形显示区内显示的镜下图像的大小和图案与其实物目镜内的景象大小和图案一样，实现模拟显微镜目镜成像。