CN109495724B - 一种基于视觉感知的虚拟显微镜及其应用 - Google Patents

一种基于视觉感知的虚拟显微镜及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于视觉感知的虚拟显微镜及其应用，属于实验设备领域。该基于视觉感知的虚拟显微镜包括：显微镜本体模型以及设置在所述显微镜本体模型上的转动传感器、远程通信模块、显示器、相机、电子芯片；计算与显示设备；所述转动传感器、远程通信模块、显示器、相机分别与所述电子芯片连接；所述远程通信模块能够与计算与显示设备进行通讯。一方面，本发明利用虚拟融合技术，对用户观测结果进行信息增强，有利于用户随机探索实验现象的过程、机理与原理；另一方面，本发明通过实物操作，得到了真实显微镜条件下的操作体验，帮助实验人员掌握了相关实验技能。

Description

一种基于视觉感知的虚拟显微镜及其应用
技术领域
本发明属于实验设备领域，具体涉及一种基于视觉感知的虚拟显微镜及其应用。
背景技术
首先，目前，我国绝大部分中小学没有实验用的显微镜，使得生物和化学很多要用到这种设备的实验课程无法正常开设；其次，即使部分学校有显微镜设备，但往往缺乏细胞、微生物等关键实验样本；再其次，传统的实验方法无法实现信息增强，即无法观察观测样本的机理机制等肉眼观测不到的东西、无法观测到各种可能的情况。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于视觉感知的虚拟显微镜及其应用，既解决目前中小学显微镜实验教学中多年来难以解决的上述提到的部分瓶颈问题与痛点问题，又把显微镜的实验方法赋予智能性和交互性等典型特征。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于视觉感知的虚拟显微镜，包括：显微镜本体模型以及设置在所述显微镜本体模型上的转动传感器、远程通信模块、显示器、相机、电子芯片；计算与显示设备；
所述转动传感器、远程通信模块、显示器、相机分别与所述电子芯片连接；
所述远程通信模块能够与计算与显示设备进行通讯；
在所述显微镜本体模型的粗准焦螺旋、细准焦螺旋处分别设置所述转动传感器；
所述电子芯片和远程通信模块设置于所述显微镜本体模型的镜座上；
在所述显微镜本体模型的镜筒下方设置相机，且相机的光轴与镜筒的中心轴线、通光孔的中心轴线位于同一条直线上；
所述显示器设置在所述显微镜本体模型的目镜上方；
每个所述转动传感器包括光源、相机、密封筒、标识片；
所述密封筒为两端端面密封的圆筒状结构；密封筒固定安装在粗准焦螺旋、细准焦螺旋处；所述粗准焦螺旋、细准焦螺旋的旋转轴从所述密封筒的一个端面穿入，从另一个端面穿出，且所述密封筒的中心轴线与旋转轴的中心轴线位于同一条直线上；
所述光源和相机固定安装在密封筒内，且位于密封筒的一个端面的内侧；所述相机的光轴与密封筒的旋转轴位于同一条直线上；
所述标识片位于密封筒的另一个端面的内侧，所述标识片位于密封筒的端面的半径方向上，其一端与旋转轴固定连接，能够随旋转轴一同旋转，另一端为自由端；
位于镜筒下方的相机以及各个转动传感器中的相机分别具有一个唯一的编号；
所述标识片的颜色与背景颜色不同；
所述载玻片的颜色与背景颜色不同。
应用所述基于视觉感知的虚拟显微镜实现的交互方法，包括：
(1)将转动传感器的数据发送给电子芯片，电子芯片根据转动传感器的数据获得两个相邻时刻的标识片之间的夹角大小；
(2)获得粗准焦螺旋处的交互行为；
(3)获得细准焦螺旋处的交互行为；
(4)监控载玻片的位置。
所述步骤(1)的操作包括：
第1步：对于转动传感器中的相机获取到的当前时刻图像I2，按照以下步骤进行标识片的分割：
第1.1步：将图像I2中的每一个像素点的颜色C与标识片的颜色C0进行比较，把满足条件的像素点留下，把不满足条件的像素点从图像I2中去掉，得到标识片图像；所述条件如公式(1)所示：
||C-C0||<δ (1)
δ是一个把标识片从图像中区分出来的阈值参数；
第1.2步：按照以下步骤计算所述标识片图像的重心位置(x(c),y(c))：
Figure GDA0002618185670000031
其中，Ω是标识片图像所在的区域；
第1.3步：计算当前标识片的方向向量P2：
P2＝(x(c),y(c)) (3)
第2步：利用公式(2)和公式(3)计算得到上一时刻图像I1中的标识片的方向向量为P1，计算两个相邻时刻的标识片之间的夹角θ：
Figure GDA0002618185670000032
P1与P2之间的方向由叉积P1×P2的符号所确定，即若规定符号为正代表旋转方向为顺时针，则符号为负则为逆时针旋转，反之亦然，||.||代表向量的模。
所述步骤(2)的操作包括：
3.1假设原始样本图像为Y1，计算视野改变后的图像为Y2，Y2的长度L、高度W的范围由下式确定：
Figure GDA0002618185670000041
Figure GDA0002618185670000042
其中，
Figure GDA0002618185670000043
表示θ的方向，为+或-，*表示乘号；
3.2按照参数(L,W)重新确定视野图像范围得到Y2；
3.3按照下式逐渐呈现图像Xt：
Xt＝tY2+(1-t)Y1 (7)
上式中，Xt表示从原始样本图像到视野改变后的图像之间的连续插值图像，t是一个中间变量参数，t∈[0,1]。
所述步骤(3)的操作包括：
4.1假设粗准焦螺旋调节后得到图像为X1，利用下式计算模糊化或清晰化后得到图像X2中的像素点的缩放倍数：
v＝sθ (8)
其中，s是控制缩放速度的经验参数，s>0；
4.2计算X2:
X2＝vX1 (9)
4.3按照下式逐渐呈现图像Xt：
Xt＝tX2+(1-t)X1 (10)
式中，Xt表示从原始样本图像到视野改变后的图像之间的连续插值图像，t是一个中间变量参数，t∈[0,1]。
所述步骤(4)的操作包括：
第1步：对于位于镜筒下方的相机获取到的当前时刻的图像J2，按照以下步骤进行载波片的分割：
第1.1步：将图像J2中的每一个像素点的颜色K与载波片的颜色K0进行比较，把满足条件的像素点留下，把不满足条件的像素点从图像J2中去掉，得到载波片图像，所述条件如下式所示：
||K-K0||<μ (11)
其中，μ是一个把载波片从图像中分割出来的阈值参数；
第1.2步：按照下面方法计算所述载玻片图像的重心位置Z(x(K),y(K))：
Figure GDA0002618185670000051
其中，Ω是所述载波片图像所在区域；
第1.3步：计算载波片的当前方向向量P：
P＝(x(K),y(K)) (13)
第2步：假设载玻片放在正确位置时的图像I0中的标识片的方向向量为P0，载玻片放在正确位置时的区域的重心位置为Z0(x(0),y(0))，利用下式计算当前载玻片的位置偏差Δ和方向偏差θ：
Δ＝||Z-Z0|| (14)
Figure GDA0002618185670000052
P0与P之间的方向由P0×P的符号所确定，若规定符号为正代表旋转方向为顺时针，则符号为负则为逆时针旋转，反之亦然；
第3步：把第1步分割出来的所述载玻片图像以(θ，Δ)为参数进行变换得到变换后的载玻片图像：首先以第1步分割出来的所述载玻片图像的重心为原点旋转θ角度，然后平移Δ得到变换后的载玻片图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一方面，本发明利用虚拟融合技术，对用户观测结果进行信息增强，有利于用户随机探索实验现象的过程、机理与原理；另一方面，本发明通过实物操作，得到了真实显微镜条件下的操作体验，帮助实验人员掌握了相关实验技能。
附图说明
图1本发明基于视觉感知的虚拟显微镜的组成结构图；
图2本发明中的转动传感器的结构示意图；
图3本发明中的相机安装位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，本发明基于视觉感知的虚拟显微镜包括：显微镜本体模型5(包括目镜、载玻片等所有现有显微镜的部件)、转动传感器1、电子芯片4、远程通信模块6、显示器2、相机3、计算与显示设备7等。在显微镜本体模型5的粗准焦螺旋、细准焦螺旋上面分别设置转动传感器1；电子芯片4和远程通信模块6设置于显微镜本体模型5上。
如图3所示，镜筒301上设置相机302(相机直接设置在镜筒的下方，且光轴与镜筒的中心轴线在一条直线上，采用微型相机，且相机安置在一个密封筒内。)，相机的光轴方向正对准通光孔中心位置，即光轴所在的直线与通光孔的中心轴线位于同一条直线上。
如图2所示，转动传感器包括光源205、相机201、密封筒202、标识片203、旋转轴204。其中，在密闭的密封筒202内部设置有相机201，相机201的光轴方向与旋转轴204的中心轴线位于同一条直线上(实际使用时，所述粗准焦螺旋、细准焦螺旋的旋转轴从所述密封筒的一个端面穿入，从另一个端面穿出，相机固定在一个端面的内侧上，轴心方向朝向标识片即可，不一定与旋转轴绝对同轴线；相机是不随旋转轴旋转的)；在密封筒202内部设置有光源205；在旋转轴204上沿密封筒202的内侧设置有标识片203(标识片203设置在密封筒的一个端面上，且沿密封筒端面的直径方向)，标识片203的颜色使得摄像头得到的图像可以很容易把标识片203与背景颜色区分开。标识片203随着旋转轴的旋转而旋转。载玻片的颜色设置为摄像头得到的图像可以很容易把载玻片与背景颜色区分开。旋转轴是指粗准焦螺旋、细准焦螺旋所在的转动轴(密封筒本身不旋转，它固定螺旋本体上；标识片随旋转轴旋转。)。一个显示器放在目镜之上(显示器放置在目镜之上，便于观察；它与计算机或电子芯片相连)。由此，共有3个相机，每个相机有唯一一个编号，该编号规定了相机与所在设备的绑定关系(即根据编号，就知道该相机感知的是旋转粗准焦螺旋、细准焦螺旋、镜筒中的哪一个设备)。所有相机将得到的图像分别通过电子线路传送给电子芯片4，电子芯片4进行交互动作识别，计算后将结果通过远程通信模块6发送给计算与显示设备，计算与显示设备将图像进行显示(所有计算都是在电子芯片上完成，计算完成后，将结果在计算与显示设备上显示)，这样，采用廉价的显微镜模型也可以得到与真实显微镜一样的操作感和体验感。
交互动作识别的方法如下：
本发明中的转动传感器的功能如下：
第1步：对于相机获取的当前时刻图像I2，按照以下方法进行标识片对象分割：
第1.1步：将图像I2中的每一个像素点颜色C与标识片颜色C0相比较，把满足条件的像素点留下，把其它像素点从图像中去掉，得到标识片图像；所述条件如公式(1)所示：
||C-C0||<δ (1)
δ是一个把标识片从图像中区分出来的阈值参数，可以通过统计实验的方法得到。
第1.2步：按照下面方法计算标识图片的重心位置P2(x(c),y(c))：
Figure GDA0002618185670000081
其中，Ω是标识片图像所在区域。
第1.3步：计算当前标识片的方向向量P2：
P2＝(x(c),y(c)) (3)
第2步：假设上一时刻图像I1中的标识片的方向向量P1(计算方法同上)，计算相邻时刻标识片之间的夹角大小：
Figure GDA0002618185670000082
P1与P2之间的方向由叉积P1×P2的符号所确定。即，若规定符号为正代表旋转方向为顺时针，则符号为负则为逆时针旋转；反之亦然，||.||代表向量的模。
第3步：对于粗准焦螺旋，在显示器(包括计算与显示设备)上呈现的观测结果的方法为：
3.1假设原始样本图像为Y1，计算视野改变后的图像为Y2。Y2的长度L、高度W的范围由下式确定：
Figure GDA0002618185670000083
Figure GDA0002618185670000084
其中，
Figure GDA0002618185670000085
表示θ的方向，可以为+或-，即可以为正或为负，“*”表示乘号；
3.2按照参数(L,W)重新确定视野图像范围，得到Y2；
3.3按照下式逐渐呈现图像Xt：
Xt＝tY2+(1-t)Y1 (7)
上式中，Xt表示从原始样本图像到视野改变后的图像之间的连续插值图像，t是一个中间变量参数，t∈[0,1]。
第4步：对于细准焦螺旋，在显示器(包括计算与显示设备)上呈现的观测结果的方法为：
4.1假设粗准焦螺旋后得到图像为X1，计算模糊/清晰化后得到图像X2像素点的缩/放倍数：
v＝sθ (8)
其中，s(s>0)控制缩/放速度的经验参数，s是一个经验参数，调节s的方法是：用不同的s进行试验，然后选择一个用户主观评价最好的速度。
4.2计算X2:
X2＝vX1 (9)
4.3按照下式逐渐呈现图像Xt：
Xt＝tX2+(1-t)X1 (10)
式中，Xt表示从原始样本图像到视野改变后的图像之间的连续插值图像，t是一个中间变量参数，t∈[0,1]。
载玻片姿态感知方法如下：
第1步：对于对准载玻片的相机获取的当前时刻图像J2，按照以下方法进行载波片对象分割：
第1.1步：将图像J2中的每一个像素点颜色K与载波片颜色K0相比较，把满足条件的像素点留下，把其它像素点从图像中去掉，得到载波片图像，条件如下式所示：
||K-K0||<μ (11)
其中，μ>0是一个经验参数，μ是一个把载波片从图像中区分出来的阈值参数，可以通过统计实验的方法得到。
第1.2步：按照下面方法计算载波图片的重心位置Z(x(K),y(K))：
Figure GDA0002618185670000101
其中，Ω是载波片图像所在区域。
第1.3步：计算载波片的当前方向向量P：
P＝(x(K),y(K)) (13)
第2步：假设载玻片放在正确位置时的图像I0中的标识片的方向向量P0，载玻片区域的重心位置为Z0(x(0),y(0))，计算载玻片位置偏差和方向偏差：
Δ＝||Z-Z0|| (14)
Figure GDA0002618185670000102
P0与P之间的方向由P0×P的符号所确定。即，若规定符号为正代表旋转方向为顺时针，则符号为负则为逆时针旋转；反之亦然。
第3步：把原样本图像以(θ，Δ)为参数进行变换，即首先以图像的重心为原点进行旋转θ角度变换，再进行平移Δ进行变换。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (1)

1.一种基于视觉感知的虚拟显微镜实现的交互方法，包括显微镜本体模型以及设置在所述显微镜本体模型上的转动传感器、远程通信模块、显示器、相机、电子芯片；计算与显示设备；
所述转动传感器、远程通信模块、显示器、相机分别与所述电子芯片连接；
所述远程通信模块能够与计算与显示设备进行通讯；
在所述显微镜本体模型的粗准焦螺旋、细准焦螺旋处分别设置所述转动传感器；
所述电子芯片和远程通信模块设置于所述显微镜本体模型的镜座上；
在所述显微镜本体模型的镜筒下方设置相机，且相机的光轴与镜筒的中心轴线、通光孔的中心轴线位于同一条直线上；
所述显示器设置在所述显微镜本体模型的目镜上方；
每个所述转动传感器包括光源、相机、密封筒、标识片；
所述密封筒为两端端面密封的圆筒状结构；密封筒固定安装在粗准焦螺旋、细准焦螺旋处；所述粗准焦螺旋、细准焦螺旋的旋转轴从所述密封筒的一个端面穿入，从另一个端面穿出，且所述密封筒的中心轴线与旋转轴的中心轴线位于同一条直线上；
所述光源和相机固定安装在密封筒内，且位于密封筒的一个端面的内侧；所述相机的光轴与密封筒的旋转轴位于同一条直线上；
所述标识片位于密封筒的另一个端面的内侧，所述标识片位于密封筒的端面的半径方向上，其一端与旋转轴固定连接，能够随旋转轴一同旋转，另一端为自由端；
位于镜筒下方的相机以及各个转动传感器中的相机分别具有一个唯一的编号；
所述标识片的颜色与背景颜色不同；
载玻片的颜色与背景颜色不同；
其特征在于：所述方法包括：
(1)将转动传感器的数据发送给电子芯片，电子芯片根据转动传感器的数据获得两个相邻时刻的标识片之间的夹角大小；
(2)获得粗准焦螺旋处的交互行为；
(3)获得细准焦螺旋处的交互行为；
(4)监控载玻片的位置；
所述步骤(1)的操作包括：
第1步：对于转动传感器中的相机获取到的当前时刻图像I2，按照以下步骤进行标识片的分割：
第1.1步：将图像I2中的每一个像素点的颜色C与标识片的颜色C0进行比较，把满足条件的像素点留下，把不满足条件的像素点从图像I2中去掉，得到标识片图像；所述条件如公式(1)所示：
||C-C0||<δ (1)
δ是一个把标识片从图像中区分出来的阈值参数；
第1.2步：按照以下步骤计算所述标识片图像的重心位置(x(c),y(c))：
Figure FDA0002782177170000021
其中，Ω是标识片图像所在的区域；
第1.3步：计算当前标识片的方向向量P2：
P2＝(x(c),y(c)) (3)
第2步：利用公式(2)和公式(3)计算得到上一时刻图像I1中的标识片的方向向量为P1，计算两个相邻时刻的标识片之间的夹角θ：
Figure FDA0002782177170000031
P1与P2之间的方向由叉积P1×P2的符号所确定，即若规定符号为正代表旋转方向为顺时针，则符号为负则为逆时针旋转，反之亦然，||.||代表向量的模；
所述步骤(2)的操作包括：
3.1假设原始样本图像为Y1，计算视野改变后的图像为Y2，Y2的长度L、高度W的范围由下式确定：
Figure FDA0002782177170000032
Figure FDA0002782177170000033
其中，
Figure FDA0002782177170000034
表示θ的方向，为+或-，*表示乘号；
3.2按照参数(L,W)重新确定视野图像范围得到Y2；
3.3按照下式逐渐呈现图像Xt：
Xt＝tY2+(1-t)Y1 (7)
上式中，Xt表示从原始样本图像到视野改变后的图像之间的连续插值图像，t是一个中间变量参数，t∈[0,1]；
所述步骤(3)的操作包括：
4.1假设粗准焦螺旋调节后得到图像为X1，利用下式计算模糊化或清晰化后得到图像X2中的像素点的缩放倍数：
v＝sθ (8)
其中，s是控制缩放速度的经验参数，s>0；
4.2计算X2:
X2＝vX1 (9)
4.3按照下式逐渐呈现图像Xt：
Xt＝tX2+(1-t)X1 (10)
式中，Xt表示从原始样本图像到视野改变后的图像之间的连续插值图像，t是一个中间变量参数，t∈[0,1]；
所述步骤(4)的操作包括：
第1步：对于位于镜筒下方的相机获取到的当前时刻的图像J2，按照以下步骤进行载波片的分割：
第1.1步：将图像J2中的每一个像素点的颜色K与载波片的颜色K0进行比较，把满足条件的像素点留下，把不满足条件的像素点从图像J2中去掉，得到载波片图像，所述条件如下式所示：
||K-K0||<μ (11)
其中，μ是一个把载波片从图像中分割出来的阈值参数；
第1.2步：按照下面方法计算所述载玻片图像的重心位置Z(x(K),y(K))：
Figure FDA0002782177170000041
其中，Ω是所述载波片图像所在区域；
第1.3步：计算载波片的当前方向向量P：
P＝(x(K),y(K)) (13)
第2步：假设载玻片放在正确位置时的图像I0中的标识片的方向向量为P0，载玻片放在正确位置时的区域的重心位置为Z0(x(0),y(0))，利用下式计算当前载玻片的位置偏差Δ和方向偏差θ：
Δ＝||Z-Z0|| (14)
Figure FDA0002782177170000051
P0与P之间的方向由P0×P的符号所确定，若规定符号为正代表旋转方向为顺时针，则符号为负则为逆时针旋转，反之亦然；
第3步：把第1步分割出来的所述载玻片图像以(θ，Δ)为参数进行变换得到变换后的载玻片图像：首先以第1步分割出来的所述载玻片图像的重心为原点旋转θ角度，然后平移Δ得到变换后的载玻片图像。
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