CN110309486B - 坐标转换方法及激光显微切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了坐标转换方法及激光显微切割方法，坐标转换方法包括以下步骤：(A1)建立屏幕坐标系和现实坐标系；(A2)在屏幕坐标系中选取若干点位，通过点位之间的连线，将屏幕分为至少二个区域；(A3)所述移动件移动，使得成像在屏幕坐标系中的移动件分别处于所述点位处，分别获得各区域的且与所述移动件对应的屏幕坐标和现实坐标；(A4)根据与移动件对应的屏幕坐标和现实坐标以及数学模型获得表达式；(A5)求解上述表达式，获得平移矩阵T以及四元数旋转矩阵R，从而实现了屏幕坐标和现实坐标间的转换。本发明具有转换精确等优点。

Description

坐标转换方法及激光显微切割方法

技术领域

本发明涉及显微切割，特别涉及坐标转换方法及激光显微切割方法。

背景技术

激光显微切割技术(laser capture microdissection，LCM)是激光医学的重要分支，可对异变组织及细胞进行检测分析，是理想的细胞提取工具，开启了纯细胞蛋白质组研究的新篇章

激光显微切割精度对细胞提取效果及效率尤为重要，系统坐标校准是精确切割得以进行的前提。影响坐标校准精度的因素主要取决于转换过程的数据处理及坐标点的选取。

坐标转换常用于大地测量、摄影测量、地图投影、计算机视觉、机器人、激光扫描等领域。激光显微切割现有处理方式将其作为一个线性系统，即不考虑误差，对测得数据直接求解。然而，该系统为光机电强耦合系统，坐标转换过程中会受到来自结构、光路、安装、测量等各方面误差的影响，并非线性系统。可见，目前的坐标转换存在较大的误差，相应地，降低了激光显微切割的精准度。

发明内容

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种转换精准的坐标转换方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

坐标转换方法，所述坐标转换方法包括以下步骤：

(A1)建立屏幕坐标系和现实坐标系；移动件的移动成像在屏幕上；

(A2)在屏幕坐标系中选取若干点位，通过点位之间的连线，将屏幕分为至少二个区域；

(A3)所述移动件移动，使得成像在屏幕坐标系中的移动件分别处于所述点位处，分别获得各区域的且与所述移动件对应的屏幕坐标

和现实坐标

(A4)根据与移动件对应的屏幕坐标和现实坐标以及数学模型获得：

T为平移矩阵，R为四元数旋转矩阵，n为坐标点位数，

和

为屏幕坐标的2n×1随机误差矢量，

和

为现实坐标的2n×1随机误差矢量，i＝1,2,···n，e为一个全是1的n×1向量，I_n为三维单位矩阵，k为尺度因子，

为克罗内克积；

(A5)求解上述式(1)，获得所述平移矩阵T以及四元数旋转矩阵R，从而实现了屏幕坐标和现实坐标间的转换。

本发明的目的还在于提供了应用上述坐标转换方法的激光显微切割方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

激光显微切割方法，所述激光显微切割方法包括以下步骤：

(B1)根据上述的转换方法建立激光器的现实坐标和屏幕坐标间的映射关系，所述激光器设置在滑块上，并随着滑块在弧面导轨上移动；

(B2)屏幕显示激光器发出的激光的图像，并绘制切割曲线；

(B3)根据所述映射关系获得激光器在导轨上的轨迹；

(B4)驱动所述滑块按照所述轨迹在所述导轨上移动；

(B5)在滑块的移动中，激光器发出的光到达培养皿进行显微切割。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1.在屏幕坐标的点位选取中，不再单独依赖于边侧的点位，而是边侧和中心点位相结合，实现了更为精准地坐标转换；

四元数旋转矩阵及数学模型的引入，以及非线性条件方程的精确求解，均提高了坐标转换的精度及效率；

2.移动精度高；

依赖于建立的更为精准的坐标转换，使得激光器在现实坐标中按照规划好的轨迹移动，高精度的马达等驱动模块提高了激光器位移的精度，从而确保了激光在待切割组织上位移量的高精度。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例的坐标转换方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的坐标系分区的示意图；

图3是根据本发明实施例的导轨、滑块的结构示意图。

具体实施方式

图1-3和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本发明实施例1的坐标转换方法的流程图，如图1所示，所述坐标转换方法包括以下步骤：

(A1)建立屏幕坐标系和现实坐标系；移动件的移动成像在屏幕上，如移动件直接成像在屏幕上，或者移动件发出的光等间接成像在屏幕上；

(A2)如图2所示，在屏幕坐标系中选取若干点位，通过点位之间的连线，将屏幕分为至少二个区域；

(A3)所述移动件移动，使得成像在屏幕坐标系中的移动件分别处于所述点位处，分别获得各区域的且与所述移动件对应的屏幕坐标

和现实坐标

(A4)根据与移动件对应的屏幕坐标和现实坐标以及数学模型获得：

T为平移矩阵，R为四元数旋转矩阵，n为坐标点位数，

和

为屏幕坐标的2n×1随机误差矢量，

和

为现实坐标的2n×1随机误差矢量，i＝1,2,···n，e为一个全是1的n×1向量，I_n为三维单位矩阵，k为尺度因子，

为克罗内克积；

(A5)利用最小二乘解求解上述式(1)，获得所述平移矩阵T以及四元数旋转矩阵R，从而实现了屏幕坐标和现实坐标间的转换，具体求解方式为：

最小二乘转换目标函数为：

分别表示屏幕坐标及现实坐标的协方差矩阵；

将尺度因子k与旋转矩阵R合并：

则式(1)的非线性条件方程为：

将待估参数设置为ξ＝[T_x T_y q₀ q₃]^T，则其非线性可微条件等式为：

其中：i＝1,2...n；j＝1,2；S＝[x_s1 y_s1 … x_sn y_sn]^T；M＝[x_m1 y_m1 … x_mn y_mn]^T；

线性化为：

其一阶偏导为：

则其闭合差为：

则由下式计算得ξⁱ⁺¹：

其中正规矩阵N为：

λ拉格朗日乘子；^表示估计值；残差向量

表示为：

由式(7)-(10)解出的

作为下一次迭代的初值，直到

ε为迭代阈值，从而获得所述平移矩阵T以及四元数旋转矩阵R。

实施例2：

根据本发明实施例1的坐标转换方法在激光显微切割方法中的应用例。

在本应用例中，激光显微切割方法包括以下步骤：

(B1)建立激光器的现实坐标和屏幕坐标间的映射关系；

如图3所示，所述激光器10(作为移动件)设置在滑块12上，并随着滑块12在弧面凹形导轨11上移动，激光器10发出的激光经过分光镜的反射，物镜的透射后射向待切割组织，激光成像在屏幕上；所述映射关系的建立方式为：

(A1)建立屏幕坐标系和现实坐标系；激光器发出且照射到待切割组织上的激光间接成像在屏幕上；

(A2)在屏幕坐标系中选取若干点位，通过点位之间的连线，将屏幕分为至少二个区域，具体为：

如图2所示，选择5个点位，其中一个点位处于其它四个点位围成区域的内部，所述区域的内部的点位到所述屏幕的边界的距离与所述屏幕的宽度或长度之比大于0.25且小于0.75；通过所述区域的内部的点位和其它四个点位间的连线将屏幕分为四个区域。

(A3)所述移动件移动，使得成像在屏幕坐标系中的移动件分别处于所述点位处，分别获得各区域的且与所述移动件对应的屏幕坐标

和现实坐标

鉴于激光显微切割激光光源需经物镜、相机等光路系统，所以显示在屏幕上的坐标为水平翻转后的映射关系，本实施例采取屏幕x轴坐标取负的策略修正；

(A4)根据与移动件对应的屏幕坐标和现实坐标以及数学模型获得：

T为平移矩阵，R为四元数旋转矩阵，n为坐标点位数，

和

为屏幕坐标的2n×1随机误差矢量，

和

为现实坐标的2n×1随机误差矢量，i＝1,2,···n，e为一个全是1的n×1向量，I_n为三维单位矩阵，k为尺度因子，

为克罗内克积；

(A5)利用最小二乘解求解上述式(1)，获得所述平移矩阵T以及四元数旋转矩阵R，从而实现了屏幕坐标和现实坐标间的转换，具体求解方式为：

最小二乘转换目标函数为：

分别表示屏幕坐标及现实坐标的协方差矩阵；

将尺度因子k与旋转矩阵R合并：

则式(1)的非线性条件方程为：

将待估参数设置为ξ＝[T_x T_y q₀ q₃]^T，则其非线性可微条件等式为：

其中：i＝1,2...n；j＝1,2；

S＝[x_s1 y_s1 … x_sn y_sn]^T；M＝[x_m1 y_m1 … x_mn y_mn]^T；

线性化为：

其一阶偏导为：

则其闭合差为：

则由下式计算得ξⁱ⁺¹：

其中正规矩阵N为：

λ拉格朗日乘子；

表示估计值；

残差向量

表示为：

由式(7)-(10)解出的

作为下一次迭代的初值，直到

ε为迭代阈值，从而获得所述平移矩阵T以及四元数旋转矩阵R；

(B2)屏幕显示激光器发出的激光的图像，并绘制切割曲线；

(B3)根据所述映射关系以及所述切割曲线，从而获得激光器在导轨上的移动轨迹；

(B4)驱动所述滑块按照所述轨迹在所述导轨上移动，具体驱动方式为：

如图3所示，利用马达31卷绕连接绳21，所述连接绳21驱动滑块12在导轨11上移动；同时，设置在所述滑块12和固定点之间的弹性件22如弹簧被拉伸；

(B5)在滑块的移动中，激光器发出的光到达培养皿进行显微切割。

Claims (10)

1.坐标转换方法，其特征在于：所述坐标转换方法包括以下步骤：

(A1)建立屏幕坐标系和现实坐标系；移动件的移动成像在屏幕上；

(A2)在屏幕坐标系中选取若干点位，通过点位之间的连线，将屏幕分为至少二个区域；

(A3)所述移动件移动，使得成像在屏幕坐标系中的移动件分别处于所述点位处，分别获得各区域与所述移动件对应的屏幕坐标

和现实坐标

(A4)根据与移动件对应的屏幕坐标和现实坐标以及数学模型获得：

T为平移矩阵，R为四元数旋转矩阵，n为坐标点位数，

和

为屏幕坐标的2n×1随机误差矢量，

和

为现实坐标的2n×1随机误差矢量，i＝1,2,···n，e为一个全是1的n×1向量，I_n为三维单位矩阵，k为尺度因子，

为克罗内克积；

(A5)求解上述式(1)，获得所述平移矩阵T以及四元数旋转矩阵R，从而实现了屏幕坐标和现实坐标间的转换。

2.根据权利要求1所述的坐标转换方法，其特征在于：在步骤(A5)中，利用最小二乘求解，具体方式为：

最小二乘转换目标函数为：

分别表示屏幕坐标及现实坐标的协方差矩阵；将尺度因子k与旋转矩阵R合并：

则式(1)的非线性条件方程为：

将待估参数设置为ξ＝[T_x T_y q₀ q₃]^T，则其非线性可微条件等式为：

其中：i＝1,2...n；j＝1,2；S＝[x_s1 y_s1 … x_sn y_sn]^T；M＝[x_m1 y_m1 … x_mn y_mn]^T；

线性化为：

其一阶偏导为：

则其闭合差为：

则由下式计算得ξⁱ⁺¹：

其中正规矩阵N为：

λ拉格朗日乘子；^表示估计值；

残差向量

表示为：

由式(7)-(10)解出的

作为下一次迭代的初值，直到

ε为迭代阈值，从而获得所述平移矩阵T以及四元数旋转矩阵R。

3.根据权利要求1所述的坐标转换方法，其特征在于：在步骤(A2)中，选择5个点位，其中一个点位处于其它四个点位围成区域的内部，通过所述区域的内部的点位和其它四个点位间的连线将屏幕分为四个区域。

4.根据权利要求3所述的坐标转换方法，其特征在于：所述区域的内部的点位到所述屏幕的边界的距离与所述屏幕的宽度或长度之比大于0.25且小于0.75。

5.根据权利要求1所述的坐标转换方法，其特征在于：所述移动件是光源，所述光源发出的光成像在屏幕上，光在屏幕上的坐标为所述屏幕坐标，所述光源的坐标为所述现实坐标。

6.激光显微切割方法，其特征在于：所述激光显微切割方法包括以下步骤：

(B1)根据权利要求1-5任一所述的转换方法建立激光器的现实坐标和屏幕坐标间的映射关系，所述激光器设置在滑块上，并随着滑块在弧面导轨上移动；

(B2)屏幕显示激光器发出的激光的图像，并绘制切割曲线；

(B3)根据所述映射关系获得激光器在导轨上的轨迹；

(B4)驱动所述滑块按照所述轨迹在所述导轨上移动；

(B5)在滑块的移动中，激光器发出的光到达培养皿进行显微切割。

7.根据权利要求6所述的激光显微切割方法，其特征在于：在步骤(B1)中，映射关系的建立过程中，屏幕坐标的x轴取负。

8.根据权利要求6所述的激光显微切割方法，其特征在于：激光器发出的光穿过物镜达到所述培养皿。

9.根据权利要求6所述的激光显微切割方法，其特征在于：所述滑块的驱动方式为：

利用马达卷绕连接绳，所述连接绳驱动滑块在导轨上移动；同时，设置在所述滑块和固定点之间的弹性件被拉伸。

10.根据权利要求6所述的激光显微切割方法，其特征在于：所述导轨呈内凹形。

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