CN104819941B - 一种多波段光谱成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种多波段光谱成像方法，在由光学成像器件和彩色摄像传感器构成的光路中，加入多波段带通滤光片，所述多波段带通滤光片置于所述光学成像器件和彩色摄像传感器的光路上，并且所述彩色摄像传感器进行光谱成像形成混叠的多波段多光谱图像，通过FPGA处理模块将混叠的多波段多光谱图像，按预先建立的模型，实时还原成独立的多波段图像送入计算机。采用本发明可以得到2‑3个波段的实时多光谱成像。实现15帧/秒以上的三波段多光谱成像，满足大部分医学多光谱成像应用的要求。

Description

一种多波段光谱成像方法
技术领域
本发明涉及一种多波段光谱成像方法，属于医学光谱成像技术领域，具体用于细胞成分的定位和定量分析，特别是医学领域的细胞内组分的定量分析。
背景技术
多光谱成像能够在较复杂的环境下定量分析细胞内的成分信息，如复染环境中细胞核内DNA的含量，对疾病诊断具有重要意义。
多光谱成像主要有两大类技术，扫描多光谱成像技术和凝视式多光谱成像技术。
扫描多光谱成像技术涉及逐点或逐行扫描，成像速度较慢，主要用在空间卫星上。凝视式多光谱成像目前有电调谐滤光器和旋转滤光轮两种，电调谐滤光器能够快速灵活选择需要的波段，成像较快但器件成本很高。旋转滤光轮每成像一个波段，需旋转更换一次滤光片，因此速度较慢，用于医学细胞图像扫描时，每例需要很长的时间，难以投入实际应用。
本发明提出了一种低成本，快速的多光谱成像方法，采用本方法和适当的电子技术，可以实现15帧/秒以上的三波段多光谱成像。满足大部分医学多光谱成像应用的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种多波段光谱成像方法，解决医学领域快速多光谱成像的问题，实现15帧/秒以上的三波段多光谱成像，满足大部分医学多光谱成像应用的要求。
本发明的技术方案是：
一种多波段光谱成像方法，在由光学成像器件和彩色摄像传感器构成的光路中，加入多波段带通滤光片，所述多波段带通滤光片置于所述光学成像器件和彩色摄像传感器的光路上，并且所述彩色摄像传感器进行光谱成像形成混叠的多波段多光谱图像，通过FPGA芯片将混叠的多波段多光谱图像，按预先建立的模型，实时还原成独立的多波段图像送入计算机。
所述光路还包括照明光源，所述照明光源置于所述光学成像器件的前端，并且在所述照明光源和所述光学成像器件之间装有样品。
所述FPGA芯片可采用DSP数字信号处理芯片代替。
FPGA芯片选用ALTERA公司的Cyclone IV E系列的EP4CE40F23C6。
所述FPGA芯片的内部包括图像数据获取与存储模块、同步解码模块、同步矩阵剥离运算模块、以及数据传输模块。
所述FPGA芯片对多路并行处理的流程包括：
a、根据彩色图像传感器的输出时序和输出信号拼接为一个128位的数据，并根据行序列识别模块，判断该行图像是G/R行还是B/G行，进而判定将此128位数据是存入存储G/R行图像的FIFO中还是存入存储B/G行图像的FIFO中；
b、在获取了一组G/R和B/G图像(即一行G/R图像和一行B/G图像)后，同步解码模块对图像数据进行插值运算，最终输出数据为256位的数据，该数据包含4组像素的R、G、B通道的信息，在同步矩阵剥离运算中，每一组的运算包含9个硬件乘法器M和3个硬件除法器，乘法器的一个乘数为计算出的图像采样值，另一个乘数为逆矩阵计算出的逆矩阵T-1的一个光强参数，由于逆矩阵中的参数都是小数，若直接使用这些小数计算会加大运算难度，因此通过还原成整数的乘除法解决该问题，最终计算出4个像素各自的三个波段的光强参数；
c、FPGA芯片中的FIFO存储器可以配置为256位数据输入，16位数据输出的模式，低位数据首先输出，高位数据后输出，同步传输模块将16位数据从FIFO中读出，然后将该数据以符合USB传输时序的方式写入到数据传输芯片CY7C68013中，然后传输到计算机。
所述模型的建立，包括以下步骤：
步骤a、将定制的只有一个波段的窄带滤光片放入光路中，窄带曲线对应多波段带通滤光片的一个通道；
步骤b、对空白样品进行多光谱成像；测出彩色图像传感器的响应x1(x1r，x1g,x1b)；
重复步骤a、b，依次将定制的另一个波段的窄带滤光片放入光路中，测出响应xi(xir，xig,xib)；
测量出所有波段响应xi(r,g,b)，然后综合成敏感度矩阵X，X＝[x1，x2，……xn]；
计算得到模型M＝(XtX)-1Xt。
以上所述每个窄带滤光片的滤光曲线只能覆盖多波段滤光片的一个通道。
采用本发明可以得到2-3个波段的实时多光谱成像。实现15帧/秒以上的三波段多光谱成像，满足大部分医学多光谱成像应用的要求。
附图说明
图1是本发明提出的低成本快速的多光谱成像方法框图；
图2是本发明采用的多波段带通滤光片滤光曲线；
图3是彩色摄像传感器的像素结构；
图4是摄像传感器bayes滤光膜阵列的滤光曲线；
图5是本发明用于复染环境下DNA定量测量的一个显微多光谱成像实例框图；
图6是本发明FPGA实时数据处理流程图；
图7是为充分利用FPGA并行处理能力进行的一次拼接处理8个像素示意图，由于彩色图像传感器像素结构(见图4)，必须两行一起处理；
图8是彩色图像传感器每行输出的彩色通道时序图；
图9是两行、16像素、256位一起处理的数据处理示意框图；
图10是采用伊红、亮绿、福尔根染料复染时，宫颈脱落细胞在显微镜下放大成像的图像；
图11采用本发明的三波段实时光谱成像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行具体阐述，需要指出的是，本发明的技术方案不限于实施例所述的实施方式，本领域的技术人员参考和借鉴本发明技术方案的内容，在本发明的基础上进行的改进和设计，应属于本发明的保护范围。
本发明实施例所述的本发明提出的低成本快速的多波段光谱成像方法，基于彩色摄像传感器和定制的多波段(2-3个波段)带通滤光片。
提出的多光谱成像方法如图1所示：被光源照明的样品通过成像光学成像在彩色摄像传感器上，光线在到达传感器前，先通过多波段带通滤光片。多波段带通滤光片可以在图1所示的位置，也可以在光路的任何其他位置。
多波段带通滤光片的透过率按照多光谱成像的要求，设计成2-3个特定波段带通的滤光曲线，可以如图2所示。
彩色摄像传感器检测的图像数据，在DSP数字信号处理芯片或FPGA芯片中按照预先建立的模型被实时还原成多光谱图像送入计算机。
光学检测中，物质的含量是根据Lambert-Beer定律来检测的。
Lambert-Beer定律表达式为：
A＝-lg(I/I0)＝εbC
式中，I0为波长为λ的平行、均匀入射单色光束强度；I是透过目标后的光束强度；A为光度度；ε为待测组分的摩尔吸光系数；b为光程；C为待测组分的物质的量浓度。
因此单色光的吸光度正比于物质的含量，物质的含量越多，吸收光越多，光的透射越低。Lambert-Beer成立的前提是在检测光的波段中,待测组分的摩尔吸光系数ε为常数。理想的是单波长的单色光，实际用的是和待测组分的摩尔吸光系数变化相比波段足够窄的带通光。
彩色摄像传感器是在传感器前加一个Bayer滤光膜阵列构成。模式如图3所示，四个像素一组，一个红色R、两个绿色G和一个蓝色B。Bayer滤光膜的透过率如图4所示。
彩色摄像机为我们带来了比单色摄像机更丰富的图像信息。但从图4我们可以看出，RGB三色传感器的透过曲线波段非常宽，而且彼此重叠，因此它检测的数据并不符合Lambert-Beer定律成立的条件。而且滤光曲线的峰值往往不在我们需要的波长。
本发明设计了一个多波段带通滤光片来克服这一缺陷。多波段带通滤光片的波长中心在测量所需要的波长上，带宽按满足Lambert-Beer定律成立条件设计。
通过多波段带通滤光片后光线只剩下所需要的窄带光。剩下的问题是RGB三色传感器对所有波段的光都有响应。因此本发明在彩色摄像传感器后设计了一个由DSP或FPGA电子器件构成的部件，按照建立的模型剥离彩色摄像传感器的混合响应，得到多波段单独响应的多光谱图像。
模型的建立包括以下步骤：
步骤a、将定制的只有一个波段的窄带滤光片放入图1所示的光路，窄带曲线对应多波段带通滤光片的一个通道；
步骤b、对空白样品采用本发明的多光谱成像系统进行多光谱成像；测出RGB传感器的响应x1(x1r，x1g,x1b)；
重复步骤a、b，依次将定制的另一个波段的窄带滤光片放入光路，测出响应xi(xir，xig,xib)；
测量出所有波段响应xi(r,g,b)，然后综合成敏感度矩阵X，X＝[x1，x2，……xn]；
计算得到模型M＝(XtX)-1Xt；
采用本发明可以得到2-3个波段的实时多光谱成像。
如图5所示是采用本发明搭建的多光谱显微成像仪的原理框图。光源1发出的白光照亮载玻片2上染色后的脱落细胞，脱落细胞位于显微镜物镜3的焦点上，因此经过脱落细胞上的点的光线，在经过显微镜物镜3后变成平行光，再经显微镜成像镜4将细胞图像成像在彩色图像传感器6的靶面上，在彩色图像传感器6的靶面前插入了一个多波段带通滤光片5，因此此时彩色摄像机上采集到的是混叠的多波段多光谱图像。混叠的多波段多光谱图像通过FPGA芯片7或DSP数字信号处理芯片，按预先建立的模型，实时还原成独立的多波段图像送入计算机8。
混叠的多波段多光谱图像通过DSP数字信号处理芯片或FPGA芯片7和彩色图像传感器6(摄像机)集成在一起。
FPGA芯片选用ALTERA公司的Cyclone IV E系列的EP4CE40F23C6型号，该芯片含有39600个逻辑单元，1134Kbits的嵌入式存储器。数据传输芯片采用CYPRESS公司的CY7C68013，此芯片集成了USB 3.0收发器、增强型8051微处理器以及智能的SIE(SerialInterface Engine)，符合USB3.0规范，理论最大数据传输速率为480Mb/s。FPGA通过模拟IIC总线与MT9T031通信，用于配置MT9T031的工作模式、输出图像大小和速率、增益以及曝光时间等。
主要的数据获取和处理过程都是通过FPGA内部的各个功能模块完成的，主要包括：图像数据获取与存储模块，同步解码模块，同步矩阵剥离运算，以及数据传输模块，如图6所示，整个硬件算法模块采用流水线操作以达到图像输出实时化。FPGA内部FIFO(FirstInput First Output)存储器的IP核模块能处理的最大位宽为256位，长位宽为实时多路并行处理多流水线的数据处理提供了可能。
如图7-9所显示了整个多路并行流水线处理流程：
a、根据彩色图像传感器的输出时序和输出信号拼接为一个128位的数据，如图7所示，并根据图8中的行序列识别模块，判断该行图像是G/R行还是B/G行，以此来判定将此128位数据是存入存储G/R行图像的FIFO中还是存入存储B/G行图像的FIFO中。
b、在获取了一组G/R和B/G图像(即一行G/R图像和一行B/G图像)后，同步解码模块对图像数据进行插值运算，最终输出数据为256位的数据，该数据包含4组像素的R、G、B通道的信息，在同步矩阵剥离运算中，每一组的运算包含9个硬件乘法器M和3个硬件除法器，乘法器的一个乘数为计算出的图像采样值，另一个乘数为逆矩阵计算出的逆矩阵T-1的一个光强参数。由于逆矩阵中的参数都是小数，若直接使用这些小数计算会加大运算难度，因此通过还原成整数的乘除法解决该问题，最终计算出4个像素各自的三个波段的光强参数。
c、FPGA芯片中的FIFO存储器可以配置为256位数据输入，16位数据输出的模式，如图9所示，低位数据首先输出，高位数据后输出，同步传输模块将16位数据从FIFO中读出，然后将该数据以符合USB传输时序的方式写入到数据传输芯片CY7C68013中，然后传输到计算机。
采用以上所述FPGA处理结构，对于500百万像素的彩色相机芯片，可以实现15帧/秒的处理和传输速度。
在样品位置分别放置中心波长470nm,560nm和650nm带宽10nm的干涉滤光片进行成像试验。未采用FPGA剥离处理时，三种波长的光在摄相机芯片RGB传感器上的响应为:
FPGA剥离后，三种波长的光在RGB三个通道上响应为：
B G R
470nm 205 0 0
560nm 0 231 0
650nm 0 0 245
可以看出RGB三个通道上已分别对应470nm，560nm和650nm三个光谱波段的检测，对其他通道没有响应。
图10是采用伊红、亮绿、福尔根染料复染时，宫颈脱落细胞在显微镜下放大成像的图像，可以看出细胞核、细胞浆的福尔根、伊红、亮绿染色叠在一起无法进行细胞核内DNA(福尔根染料表示)的定量。
图11采用本发明的三波段实时光谱成像，从复染图像中剥离的细胞核福尔根染色图像，可以看出伊红、亮绿染料的影响已经去除，只剩下细胞核福尔根染料的图像。根据此图像，我们就可以测量细胞核内DNA的含量变化，判断细胞有无发生癌变。

Claims (7)

1.一种多波段光谱成像方法，在由光学成像器件和彩色摄像传感器构成的光路中，加入多波段带通滤光片，所述多波段带通滤光片置于所述光学成像器件和彩色摄像传感器的光路上，并且所述彩色摄像传感器进行光谱成像形成混叠的多波段多光谱图像，通过FPGA芯片将混叠的多波段多光谱图像，按预先建立的模型，实时还原成独立的多波段图像送入计算机；
所述FPGA芯片对多路并行处理的流程包括：a、根据彩色图像传感器的输出时序和输
出信号拼接为一个128位的数据，并根据行序列识别模块，判断行图像是G/R行还是
B/G行，进而判定将此128位数据是存入存储G/R行图像的FIFO中还是存入存储B/G
行图像的FIFO中；
b、在获取了一组G/R和B/G图像后，同步解码模块对图像数据进行插值运算，最终输出数据为256位的数据，该数据包含4组像素的R、G、B通道的信息，在同步矩阵剥离运算中，每一组的运算包含9个硬件乘法器M和3个硬件除法器，乘法器的一个乘数为计算出的图像采样值，另一个乘数为模型Model计算出的一个参数；
c、FPGA芯片中的FIFO存储器可以配置为256位数据输入，16位数据输出的模式，低位数据首先输出，高位数据后输出，同步传输模块将16位数据从FIFO中读出，然后将该数据以符合USB传输时序的方式写入到数据传输芯片CY7C68013中，然后传输到计算机。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光路还包括照明光源，所述照明光源置于所述光学成像器件的前端，并且在所述照明光源和所述光学成像器件之间装有样品。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FPGA芯片可采用DSP数字信号处理芯片代替。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，FPGA芯片选用ALTERA公司的Cyclone IV E系列的EP4CE40F23C6。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FPGA芯片的内部包括图像数据获取与存储模块、同步解码模块、同步矩阵剥离运算模块、以及数据传输模块。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模型的建立，包括以下步骤：
步骤a、将定制的只有一个波段的窄带滤光片放入光路中，窄带曲线对应多波段带通滤光片的一个通道；
步骤b、对空白样品进行多光谱成像；测出彩色图像传感器的响应x1(x1r，x1g,x1b)；重复步骤a、b，依次将定制的另一个波段的窄带滤光片放入光路中，测出另一个波段的窄带滤光片的响应xi(xir，xig,xib)；
测量出所有波段响应xn(r,g,b)，然后综合成敏感度矩阵X，X＝[x1，x2，……xn]；n≥3；
计算得到模型Model＝(XtX)-1Xt。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，以上所述每个窄带滤光片的滤光曲线只能覆盖多波段滤光片的一个通道。
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