CN109540806B - 一种利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法，其利用共焦显微镜获取光谱仪上接收的离散轴向响应信号的波长和光强信息得到归一化的离散轴向响应信号；利用预设的强度阈值T计算动态阈值Td；归一化的离散轴向响应信号去除预设的Ik小于强度阈值T得到新的归一化的离散轴向响应信号；利用新的的归一化的离散轴向响应信号的波长和光强值及动态阈值Td求得归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长，从而实现利用归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长p进行色散共焦的快速测量，以确保色散共焦的快速测量的准确性。

Description

一种利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法
技术领域
本发明属于共焦测量领域，具体涉及利用一种利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法。
背景技术
共焦测量技术利用光学显微系统离焦信号与准焦信号强度响应差异显著的基本特性，通过点探测器收集样品信息实现离焦、准焦信号分离，从而获得高灵敏度的纵向层析能力，实现三维显微成像；通过轴向移动样品或物镜，记录样品横向不同位置的轴向响应，通过判定每点峰值位置确定样品表面高度，最终重构出完整表面形状，已广泛应用到生物学、医学、材料学、地质学以及工业检测及计量领域中。
在共焦显微测量中，高度信息的准确可靠的(accurate and reliable)获取前提是根据轴向响应信号提取的峰值位置相当于光学系统(物镜)保持固定。而采样信号中存在各类噪声如探测器噪声、扫描定位误差等，这些噪声会降低峰值提取的准确性(accuracy)和可靠性(reliability)。此外，由于信号是离散采样的，使得被测样品表面可能会恰好落在两个采样点之间，从而导致对轴向响应信号的非对称性采样，这种非对称采样会引入额外的峰值提取系统误差，降低峰值提取的准确性和可靠性，导致被测样品的高度变化会降低峰值提取的性能。
在共焦显微测量中，轴向响应信号的快速准确可靠提取直接影响最终测量结果准确度和可靠性以及测量频率，其要求峰值提取算法同时具有优越的峰值性能(高准确性，高可靠性)和良好的计算效率。现有的峰值提取算法包括大值法(MPM)，重心法(COM),抛物线拟合法(PFM),高斯拟合法(GFM)和sinc2拟合法(SFM)。其中最大值法(MPM)通过直接选取光强最大点所对应的光谱波长作为峰值，其极容易受到噪声的影响，但具有极高的计算效率；重心法(COM)具有较高的峰值提取准确性和可靠性，具有较高的计算效率；而拟合法如抛物线拟合法(PFM)、高斯拟合法(GFM)和sinc2拟合法(SFM)的峰值提取准确性和可靠性更高，但计算效率过低，难以实现快速在线测量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法，其利用共焦显微镜获取光谱仪上接收的离散轴向响应信号的波长和光强信息得到归一化的离散轴向响应信号，进一步利用强度阈值及动态阈值Td求取归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长，从而实现利用归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长p进行色散共焦的快速测量，以确保色散共焦的快速测量的准确性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法，具体步骤为：
S1.利用共焦显微镜获取光谱仪上接收的离散轴向响应信号的波长和光强信息得到归一化的离散轴向响应信号，λk和Ik分别为归一化的离散轴向响应信号第k个采样点处的波长和光强，k＝-i,...,i，-i为归一化的离散轴向响应信号的第一个采样点，i为归一化的离散轴向响应信号的最后一个采样点；
S2.利用预设的强度阈值T计算动态阈值Td；
S3.归一化的离散轴向响应信号去除预设的Ik小于强度阈值T得到新的归一化的离散轴向响应信号，其中，λl和Il分别为新的归一化的离散轴向响应信号第l个采样点处的波长和光强，l＝-j,....,j，-j为新的归一化的离散轴向响应信号轴向的第一个采样点，j为新的归一化的离散轴向响应信号轴向的最后一个采样点；
S4.利用新的的归一化的离散轴向响应信号的波长和光强值及动态阈值Td求得归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长从而实现利用归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长p进行色散共焦的快速测量，以确保色散共焦的快速测量的准确性。
作为本发明的进一步改进，依据实际测量后获得的归一化离散轴向响应信号的光强值来确定强度阈值T。
作为本发明的进一步改进，步骤S2具体为：计算归一化的离散轴向响应信号所有采样点处的光强Ik与T的差值，取光强最小的M个Ik-T≥0的采样点和光强最大的N个Ik-T＜0的采样点求得这M+N个采样点光强的平均值即为动态阈值Td。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的一种利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法，其利用共焦显微镜获取光谱仪上接收的离散轴向响应信号的波长和光强信息得到归一化的离散轴向响应信号，进一步利用强度阈值及动态阈值Td求取归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长，从而实现利用归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长p进行色散共焦的快速测量，以确保色散共焦的快速测量的准确性。
2.本发明的一种利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法，通过选择强度阈值T，依据实际测量获得归一化的离散轴向响应信号确定每次计算的动态阈值，通过选择强度阈值滤除背景噪声并进一步的依据实际测量值获得可靠的动态阈值，依据强度阈值而不利用动态阈值滤除归一化的离散轴向响应信号中的噪声信号，确保噪声信号滤除的同时又保证动态阈值求取的可靠性进而提高了色散共焦峰值提取的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例的利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的动态阈值取值点示意图；
图2为本发明实施例的技术方案与现有技术中的技术方案的峰值提取标准差对比示意图；
图3为本发明实施例的技术方案与现有技术中的技术方案的峰值提取系统误差对比示意图；
图4为本发明实施例的技术方案与现有技术中的技术方案的计算效率对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
一种利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法，具体步骤为：
S1.利用共焦显微镜获取光谱仪上接收的离散轴向响应信号的波长和光强信息得到归一化的离散轴向响应信号，λk和Ik分别为归一化的离散轴向响应信号第k个采样点处的波长和光强，k＝-i,...,i，-i为归一化的离散轴向响应信号的第一个采样点，i为归一化的离散轴向响应信号的最后一个采样点；
具体为：在共焦显微镜中，光谱仪上接收的离散轴向响应信号(SRS)，SRS信号可以表示为两个行向量，由于在实际测量中，离散的波长采样序列中波长值是恒大于0的，因此可以以采样序列的某点为参考波长，将其设置为第0个采样点的波长。
从而，SRS信号的波长信息可以表述如下：
其中，式中表示离散采样信号波长序列，λ-n,λ-n+1,...,λ-1,0,λ1,...,λm-1,λm分别为离散采样信号第-n,-n+1,…,-1,0,1…,m-1,m个采样点的波长。
SRS信号的的光强信息可以表述如下：
其中，式中表示离散采样信号光强序列，I-n,I-n+1,...,I-1,I0,I1,...,Im-1,Im分别为离散采样信号第-n,-n+1,…,-1,0,1…,m-1,m个采样点处的光强。
在获取离散轴向响应信号后，通常先将信号做归一化处理，如果采样点的个数为奇数则包括-i到i索引的采样点；如果采样点的个数为偶数时，则包括-i+1到i索引的采样点，计算时默认第-i个采样点处的波长和光强都为0，从而组成归一化的离散轴向响应信号。
S2.利用预设的强度阈值T计算动态阈值Td，具体为：计算归一化的离散轴向响应信号所有采样点处的光强Ik与Td的差值，取光强最小的M个Ik-T≥0的采样点和光强最大的N个Ik-T＜0的采样点求得这M+N个采样点光强的平均值即为动态阈值Td；
图1为本发明实施例的利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的动态阈值取值点示意图。作为一个示例，如图1所示，首选一个预设的强度阈值T，则图中六角星形的点最终会用于计算归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长，通时在强度阈值上下找到如图四个强度点，其中两个强度点比全局阈值T大，两个强度点比全局阈值T小，这四个强度点的强度可以分别表示为I01，I02，I03和I04，因而利用这四点的强度值求取平均值就可以得到动态阈值Td。当然图1中仅仅为示例，可以通时在强度阈值上下找到M+N个强度点，其中M个强度点比全局阈值T大，N个强度点比全局阈值T小，其中，M、N均为自然数且远小于自然数i。
S3.归一化的离散轴向响应信号去除预设的Ik小于强度阈值T得到新的归一化的离散轴向响应信号，其中，λl和Il分别为新的归一化的离散轴向响应信号第l个采样点处的波长和光强，l＝-j,....,j，-j为新的归一化的离散轴向响应信号轴向的第一个采样点，j为新的归一化的离散轴向响应信号轴向的最后一个采样点；
具体为：然后选择一个合适的强度阈值T，选取其中用于最终峰值位置计算的有效数据。如图1所示，如果强度阈值选择为T＝0.45，则信号强度小于0.45的点就不会最终用于计算，而只有强度大于0.45的部分即图中五角星点才会被用于最终的峰值波长计算。对于高于强度阈值T的采样点组成的新的归一化的离散轴向响应信号，如果采样点的个数为奇数则包括-l到l索引的采样点；如果采样点的个数为偶数时，则包括-l+1到i索引的采样点，计算时默认第-l个采样点处的波长和光强都为0，从而组成归一化的离散轴向响应信号，λl和Il分别为新的归一化的离散轴向响应信号第l个采样点处的波长和光强，l＝-j,....,j，-j为新的归一化的离散轴向响应信号轴向的第一个采样点，j为新的归一化的离散轴向响应信号轴向的最后一个采样点。
S4.利用新的归一化的离散轴向响应信号的波长和光强值及动态阈值Td求得归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长从而实现利用归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长p进行色散共焦的快速测量，以确保色散共焦的快速测量的准确性。
本发明的利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法通过选择强度阈值T，依据实际测量获得归一化的离散轴向响应信号确定每次计算的动态阈值，通过选择强度阈值滤除背景噪声并进一步的依据实际测量值获得可靠的动态阈值，依据强度阈值而不利用动态阈值滤除归一化的离散轴向响应信号中的噪声信号，确保噪声信号滤除的同时又保证动态阈值求取的可靠性进而提高了色散共焦峰值提取的准确性。
作为一个优选的实施例，本发明的利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法依据实际测量获得的归一化离散轴向响应信号值来确定强度阈值T，同时该方法可用于共聚焦显微镜、色散共焦显微镜、激光三角传感器、星空探测、哈特曼夏克波前传感器和生物大分子定位领域中的共焦显微峰值提取，且其峰值位置提取快速且准确性高。
上述算法称为动态阈值重心法(ATCOM)，本发明的动态阈值重心(ATCOM)提出了一种切实可行的提取共焦显微峰值的方法，该方法具有一定的通用性和适应性。
图2和图3分别为本发明实施例的技术方案与现有技术中的技术方案的峰值提取标准差对比示意图和峰值提取系统误差对比示意图。如图2和图3所示，各算法包括重心法(COM)，线性最小二乘法拟合差分信号(LLSM)，高斯拟合法(GFM)，本发明实施例的动态阈值重心法(ATCOM)，本发明实施例的动态阈值重心法(ATCOM)的峰值提取标准差和系统误差性能优于传统的重心法(COM)、线性最小二乘法拟合差分信号(LLSM)和高斯拟合法(GFM)。
图4为本发明实施例的技术方案与现有技术中的技术方案的计算效率对比示意图。如图4所示，上述计算效率的对比试验是在CPU3.0GHZ的条件进行10000次后求取的平均计算时间，单位为ms，重心法(COM)、线性最小二乘法拟合差分信号(LLSM)、高斯拟合法(GFM)和本发明实施例的动态阈值重心法(ATCOM))的一次计算的平均时间分别为0.014ms、0.43ms、3.83ms和0.12ms，明显本发明实施例的动态阈值重心法(ATCOM)的计算平均时间明显小于高斯拟合法(GFM)，由于在色散共焦显微测量中，其测量效率高达几千赫兹到几万赫兹，即每一帧信号的记录，传输和处理总时间，要远远少于毫秒量级，因此，要求信号的处理效率远高于其测量效率，显然高斯拟合法(GFM)无法满足色散共焦的快速测量要求。
综合图2-4的峰值提取性能对比和计算效率对比可知，本发明实施例的动态阈值重心法(ATCOM)同时拥有优越的峰值提取性能和良好的计算效率，非常适合用于色散共焦的快速测量应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.利用共焦显微镜获取光谱仪上接收的离散轴向响应信号的波长和光强信息得到归一化的离散轴向响应信号，λk和Ik分别为归一化的离散轴向响应信号第k个采样点处的波长和光强，k＝-i,...,i，-i为归一化的离散轴向响应信号的第一个采样点，i为归一化的离散轴向响应信号的最后一个采样点；
S2.利用预设的强度阈值T计算动态阈值Td；具体为：计算归一化的离散轴向响应信号所有采样点处的光强Ik与T的差值，取光强最小的M个Ik-T≥0的采样点和光强最大的N个Ik-T＜0的采样点求得这M+N个采样点光强的平均值即为动态阈值Td；
S3.归一化的离散轴向响应信号去除预设的Ik小于强度阈值T得到新的归一化的离散轴向响应信号，其中，λl和Il分别为新的归一化的离散轴向响应信号第l个采样点处的波长和光强，l＝-j,....,j，-j为新的归一化的离散轴向响应信号轴向的第一个采样点，j为新的归一化的离散轴向响应信号轴向的最后一个采样点；
S4.利用新的归一化的离散轴向响应信号的波长和光强值及动态阈值Td求得归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长从而实现利用归一化的离散轴向响应信号理想峰值波长p进行色散共焦的快速测量，以确保色散共焦的快速测量的准确性。
2.根据权利要求1所述的一种利用动态阈值重心法提取共焦显微峰值的方法，其特征在于，依据实际测量后获得的归一化离散轴向响应信号的光强值来确定强度阈值T。
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