CN1149713A - 利用二维ccd摄像机进行光密度测量的技术 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种利用二维CCD摄像机进行光密度测量的技术，通过合理利用CCD摄像机的性能，研究出利用全透过图象灰度值lin(x＞y)和透过待测物的图象灰度值lout(x＞y)的差值进行适当线性变换来获得待测物光密度值的方法，测量过程包括系统调零，记录全透过图象和对被测物密度图象进行补偿几步，它能对被测物进行二维光密度测量，保留重要的二维形态信息，提高测量精度和速度。可用于测量载玻片上的生物组织样品图象和感光胶片上的感光图象以及其它属于透射性的图象的光密度。
Description
本发明涉及一种利用二维CCD摄像机进行光密度测量的技术，属于光学测量技术领域。
光密度的测量一直是一个受关注的课题，早期有进行一维测量的一维光密度计以及显微分光光度计等，但其测量速度慢，不能进行形态分析以及价格高昂，没被广泛使用；随着对光密度需要进行形态分析和提高测量速度、精度的要求，目前已出现了利用二维摄像机和计算机等部件构成的包含有光密度测量功能的分析系统及其应用技术，但由于这些系统没有能正确利用摄像机的性能，没有合理的理论依据，不能得到稳定的测量条件，因而得不到正确的可重复的测量结果，难于实际应用。
针对上述问题，本发明的目的在于对被测物提供一种二维光密度测量技术，它能对被测物进行二维光密度测量，保留重要的二维形态信息，提高测量精度和速度。能测量载玻片上的生物组织样品图象和感光胶片上的感光图象以及其它属于透射性的图象的光密度。
本发明采用二维CCD摄像机、视频图象采集卡以及相应的图象分析软件为其基本设备。
市场上出售的CCD摄像机其输出视频信号电压与照射到该摄像机感光面上的光照强度一般满足如下关系中的一种：
①线性关系V＝Ki+v0；
②对数关系V＝Klogi+v0 ①
式中V——输出电压 V0——电压初值(常数)
我们先分析对数关系的摄像机，A/D转换器获得的数字信号与摄像机的输出信号电压有如下关系：
l＝nv+l0 ②
式中：L——信号量化等级或灰度级
l0——灰度级初值(常数)
n——A/D转换器放大系数(常数)
将①式代入②式可得A/D转换器获得的数字信号与输入光强度的关系：l＝nklogi+nv0+l0
＝Klogi+C ③
式中K为系统增益，C为系统初值，并且均为常数。根据Lambert-Beer定率可得：
D＝log(iin/iout)
＝logiin-logiout (4)
式中 D——所需测量的光密度值
iin——用于照射物体的入射光强度
iout——透过物体的透射光强度将(3)式代入(4)式得
D＝(lin-lout)/M (5)
式中 lin——反映入射光强度的灰度值
lout——反映透射光强度的灰度值
M——常数，可由实验获得对于二维分布图象，上式应为：
D(x，y)＝(lin(x，y)-lout(x，y)/M修改成为：D(x，y)＝A(lin(x，y)-lout(x，y))+B ⑥式中lin(x，y)反映入射光的全透过图象，lout(x，y)反映透射光的透过待测物的图象，A、B均为常数，它是通过我们以下介绍的系统调零和记录全透过图象技术再利用标准光密度片进行数据回规来确定。
对于具有线性关系的摄像机，我们可在摄像机与A/D转换器之间加入模拟信号对数变换器，按上述步骤，可同样得到(6)式的结论。
由(6)式表明，利用全透过图象的灰度值lin(x，y)和透过待测物图象的灰度值lout(x，y)的差值进行适当的线性变换，我们就能得到待测物图象的光密度值。遵循这一总的方法，我们的测量技术便有以下步骤：
首先进行系统调零，先将一待测物置于显微镜的物镜下并调节显微镜的聚焦装置至屏幕图象清晰，然后将待测物从物镜下移开，使照明光源直接照射物镜，这时调节显微镜的光源亮度，控制电位器使光源尽可能亮，在光路上加入不同的中性衰减滤片并结合调节显微镜孔径光栏以改变光照强度。在整个调零过程中，图象采集卡应处于连续采样状态，而计算机软件要不断地从图象采集卡中获得图象数据，并计算每一帧图象中一定区域内数据的平均值，同时要与一给定值进行比较，此给定值范围是200-250，在同一测量系统中保持不变。光照强度的变化会使每一帧图象数据发生变化。仔细调节光照强度使其达到特定值，从而使每帧图象中固定区域内数据的平均值与给定值差值等于零，这时调零过程就告结束。
然后，将此时的全透图象的数据记录到一个特定地方，以备后用。此图象的数据即反映了入射光的强度及分布，记为lin(x、y)。只要光路上的条件不发生改变(如物镜倍数，摄象机位置等)这些数据可以一直使用，而不必重新记录全透过图象。
经过系统调零和记录全透过图象后，若直接采集载体上的待测物图象记为lout(x，y)，并利用(6)式进行光密度转换，这时得到的光密度值不是待测物本身的光密度值，而是待测物和载体共同的光密度值，要得到待测物的光密度值就需扣除载体的影响，因此本测量技术的最后一步就是用补偿法来得到待测物图象的光密度值，有三种补偿法可供选择：
a.光补偿法
在系统调零并记录了全透过图象之后，将待测物所在载体的空白处(如载玻片与盖玻片共同的空白处)置于显微镜中的视场中，然后从新操作系统调零。此时的调零其作用并不是调整系统零点，而是调节光强使此时照射到显微镜物镜的光强与记录全透过图像时的光强度一致，以此来补偿因载体和光源变化造成的零点漂移对测量的影响。在这样的调零过程中，不要移动载体而应保持载体的空白图象一直在视场中，也就是说此时调零是以载体的空白为基础。结束调零的条件与前面的调零条件相同。调零结束后，再将待测物图象移到视场中并对其采样。将此时采得的图象作为透射图象lout(x，y)，利用(6)式进行光密度转换，这样得到的光密度值才是待测物本身的光密度值。利用这种方法测量光密度值，每换一件待测样品都要从新调零，操作步骤稍微复杂一些。
b.差值补偿法
在系统调零并记录了全透过图象之后，将待测物所在载体的空白处置于显微镜的视场中，然后对这一空白图象进行采样得loutx、y)。计算这一空白图象的均值与前面系统调零时所得到的全透过图象的均值的差值，
Δ1＝
lemp(x，y)-
lin(x，y)并将这一差值保存起来作为补偿值。以上步骤结束后再将待测物图象移到视场中并对其采样。将此时采得的图象作为透射图象lout(x，y)。此时(6)式应作相应的修正，修正公式如下：
D(x，y)＝A(lin(x，y)-lout(x，y)+Δ1)+B (7)利用(7)式进行光密度转换得到的光密度值才是待测物本身的光密度值。利用这种方法测量光密度，更换样品时不需要从新调零，只需从新计算Δ1。但要注意Δ1值应在一定的范围内才能保证精度，超出这一范围应使用其它补偿法。
c.背景补偿法
利用这种方法测量光密度值时，前面的系统调零和记录全透过图象的过程应在将待测物所在载体的空白处置于显微镜的视场中的条件下进行。系统调零结束并记录了全透过图象后再将待测物图象移到视场中并对其采样。将此时采得的图象作为透射图象lout(x，y)，利用(6)式进行光密度转换，这样得到的光密度值才是待测物本身的光密度值。利用这种方法测量光密度值，每换一件样品都要从新调零并记录全透过图象，操作步骤较复杂。
本发明的整个技术中，它对于图象数据的计算、比较、判断与记录都是通过计算机来完成。
本发明研究的利用二维CCD摄像机进行光密度测量技术，合理选择并有效利用了CCD摄像机的性能，采取了系统调零、记录全透过图象以及相应的补偿技术，它是对被测物进行二维面的测量，其测量数据量远远超过一维光密度计一维线测量的数据量，不但保留了重要的二维形态信息，还大大提高了测量精度和速度。通过发明人在自行研制的Tiger 920G图象分析仪中应用，用来获取细胞或组织的光密度分布图象，效果良好。
下面结合本技术在获取细胞的光密度分布图象中的具体实施，来进一步说明本技术。
我们利用的设备是由光学显微镜，波长为520-550nm的带通光学滤片，二维黑白CCD摄像机、光学接驳器、视频图象采集卡(A/D转换器)、486计算机、测量及分析软件组成，待测物为生物组织截片，它被置于载体载玻片与盖玻片之间。
首先进行系统调零，先将待测物置于显微镜下，并调节显微镜的聚焦装置至屏幕图象清晰，然后将待测物移开，使照明光源直接照射物镜，这时调节显微镜的光源亮度控制电位器使光源尽可能亮，在光路上加入不同的中性衰减滤片，并结合调节显微镜孔径光栏以改变光照强度，在此过程中图象采集卡应连续采样，且计算机软件不断从图象采集卡获得数据并计算每一帧图象中一定区域内数据的平均值，同时与一给定值230进行比较：仔细调节光照强度使得每帧图象中固定区域内数据的平均值与给定值230相等，从而使光照度达到特定值，调零结束。
然后计算机将此时的全透过图象记录到一个特定的地方以备后用，记为lin(x，y)。
最后，采用光补偿法进行补偿，先将待测物生物组织截片所在的载玻片与盖玻片共同的空白处置于显微镜的视场中，调节光强度，计算机判断使此时照射到显微镜的光强与记录全透过图象时的光强度一致，以此来补偿因载体以及光源变化造成的零点漂移；然后再将待测物生物组织截片移到视场中并对其采样，计算机此时获得的图象记为透射图象lout(x，y)，利用(6)式进行光密度转换，得到被测生物组织截片的光密度图象D(x，y)。
Claims (3)
1.一种利用二维CCD摄像机进行光密度测量的技术，其特征在于它是针对CCD摄像机的性能，利用全透过图象的灰度值lin(x，y)和透过待测物图象的灰度值lout(x，y)的差值进行适当线性变换获得待测物光密度值D(x，y)，包括系统调零、记录全透过图象和对待测物密度图象的补偿，它的图像数据计算、判断和记录都是通过计算来完成。
2.根据权利要求1所述的光密度测量技术，其特征在于系统调零是在系统调零状态下，将待测物置于显微镜的物镜下调焦至图象清晰，移开后，通过调节光源亮度控制电位器，在光路上加不同的中性衰减片，再结合调节显微镜孔径光栏，使连续采集的每一帧图象中固定区域内数据的平均值与给定值的差值等于零，从而使光照强度达到特定值，调零结束；然后记录此时全透过图象的数据以备后用，记为lin(x，y)。
3.根据权利要求1所述的光密度测量技术，其特征在于它还要进行对待测物密度图象的补偿，方法有三种：
a、光补偿法：将待测物所在载体的空白处置于显微镜视场中，调节光照强度使此时照射到显微镜物镜的光照强度与记录全透过图像时的光照强度一致，来补偿因载体以及光源变化造成的零点漂移，然后将待测物图象移到视场中并采样，记为透射图象lout(x，y)，再进行线性转换，获得待测物光密度值；
b、差值补偿法：将待测物所在载体的空白处置于显微镜视场中采样得lemp(x，y)，代入式Δ1＝
lemp(x、y)-
lin(x＞y)，Δ1作为补偿值；再将待测物移至视场中对其采样，记为lout(x，y)，利用修正公式D(x，y)＝A(lin(x，y)-lout(x，y)+Δ1)+B进行转换，得待测物光密度值；
c、背景补偿法：系统调零和记录全透过图象的过程应在将待测物所在的载体的空白处置于显微镜的视场中的条件下进行，系统调零和记录全透过图象后，再将待测物图象移到视场中并采样，记为lout(x，y)，经线性转换，得待测物光密度值。
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