CN117853327A - 一种显微图像的背景平衡方法和装置 - Google Patents

一种显微图像的背景平衡方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种显微图像的背景平衡方法和装置，包括如下步骤：将样品移动至设定的扫描区域，采集所述样品在当前位置的图像作为初始图像；相对所述当前位置沿第一方向移动所述样品并采集若干第一图像，相对所述当前位置沿第二方向移动所述样品并采集若干第二图像；对所述初始图像和若干所述第一图像进行光照度差异计算得到第一背景图，对所述初始图像和若干所述第二图像进行光照度差异计算得到第二背景图，再对所述第一背景图和所述第二背景图进行处理得到光照分布图；对采集的所述样品的待拼接图像进行拼接前，先利用所述光照分布图进行背景平衡。无需事先采集记录背景图像，通过拼接前的光照分布情况评估，自动实现拼接过程中的图像背景矫正。

Description

一种显微图像的背景平衡方法和装置
技术领域
本发明涉及显微图像处理领域，特别是指一种显微图像的背景平衡方法和装置。
背景技术
目前，显微镜数码成像系统因为照明单元和光学系统的影响，总会产生不均匀的图像，比较典型的是成像的数字图像中间较亮，边上变暗。这种图像光场不均匀对成像图像的观察有较大影响，特别是用于数字切片扫描。在数字切片扫描中需要对图像进行拼接，如果左右或上下图像的亮度值稍有变化，比如超过5个灰度级的变化，则在拼接出来的图像就会有明显亮度拼接痕迹。
现有的软件背景校正方法是在没有样品或没有纹理的情况下，将显微镜对准一个空白区域，这个空白区域通过显微镜成像光路后的图象中的各部位能反映光场不均匀的影响，抓取这个空白区域的图像作为校准的背景图像，然后在在常规视场下对每个视场图像都与这个背景图像相除以去掉图像光场不均匀的影响，得到相对均匀的视场图像。
然而，软件背景校正方法对常规图像光场均匀校正方法有一个主要缺点：用于背景图像校正的图像必须是绝对空白，只反映显微镜光照的不均匀变化，但现实中很难做到，在抓取背景图像时，对准的视场总是或多或少会有脏点或噪声，这些脏点和噪声会直接影响图像背景校正的结果。为应对这种情况，也在研究各种改善方法，如图像平滑去噪，脏点去除算法等，但总不能完全解决。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中软件背景校正方法的上述缺陷，提出一种显微图像的背景平衡方法和装置，无需事先采集记录背景图像，通过拼接前的光照分布情况评估，自动实现拼接过程中的图像背景矫正。
本发明采用如下技术方案：
一种显微图像的背景平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
将样品移动至设定的扫描区域，采集所述样品在当前位置的图像作为初始图像；
相对所述当前位置沿第一方向移动所述样品并采集若干第一图像，相对所述当前位置沿第二方向移动所述样品并采集若干第二图像；
对所述初始图像和若干所述第一图像进行光照度差异计算得到第一背景图，对所述初始图像和若干所述第二图像进行光照度差异计算得到第二背景图，再对所述第一背景图和所述第二背景图进行处理得到光照分布图；
对采集的所述样品的待拼接图像进行拼接前，先利用所述光照分布图进行背景平衡。
设定的所述扫描区域为所述样品的拼接区域的中间位置，采集的所述初始图像A为：
其中，a(i,j)为所述初始图像A在i行和j列的像素点，i＝[0,m]，j＝[0,n]，m为图像行数，n为图像列数。
相对所述当前位置沿第一方向以步进dx移动所述样品，采集的所述第一图像B为：
其中，b(i,j)为所述第一图像B在i行和j列的像素点；
相对所述当前位置沿第二方向以步进dy移动所述样品，采集的所述第二图像C为：
其中，c(i,j)为所述第二图像C在i行和j列的像素点。
对所述初始图像和若干所述第一图像进行光照度差异计算得到第一背景图，对所述初始图像和若干所述第二图像进行光照度差异计算得到第二背景图，具体为：
计算所述初始图像和所述第一图像之间的差值矩阵D，以及计算所述初始图像和所述第二图像之间的差值矩阵E；
结合所述差值矩阵D和步进dx推导得出背景图的行元素表达式；结合所述差值矩阵E和步进dy推导得出背景图的列元素表达式；
根据所述行元素表达式得到第一行元素分布，之后按列推导其它行，得到所述第一背景图；
根据所述列元素表达式得到第一列元素分布，之后按行推导其它列，得到所述第二背景图。
所述差值矩阵D为
其中，X(i,j)表示点(i,j)沿所述第一方向移动dx后灰度的变化，X(i,j)＝a(i,
j)-b(i,j+dx)；
所述差值矩阵E为
其中Y(i,j)表示点(i,j)垂直方向移动dy后灰度的变化，Y(i,j)＝a(i,j-c(i+dy,j)；
令背景图的第i行的第一个元素为H(i,0)，则由所述差值矩阵D得到第i行的k1*dx距离的行元素表达式为：
令背景图的j列的第一个元素为V(0,j)，则由所述差值矩阵E得到第j列的k2*dy距离的列元素表达式为：
根据所述行元素表达式得到第一行元素分布为：
[g,g+H(0,0),g+H(0,1)…,g+H(0,n/dx)]；
得到的所述第一背景图像Sx：
根据所述列元素表达式得到第一列元素分布为：
[g,g+V(0,0),g+V(1,0)…,g+V(m/dy,0)]T；
得到的所述第二背景图像Sy：
其中，g为给定的像素点灰度。
对所述第一背景图和所述第二背景图进行处理得到光照分布图，具体为将所述第一背景图和所述第二背景图求平均S＝(Sx+Sy)/2，然后再进行双线性插值算法放大达到设定尺寸得到所述光照分布图。
对采集的所述样品的待拼接图像进行拼接前，先利用所述光照分布图进行背景平衡，具体如下：
其中i＝[0,n]，j＝[0,m],m为图像行数，n为图像列数；Iij为所述待拼接图像中点(i,j)位置的值，为所述光照分布图的均值，kij为所述光照分布图中点(i,j)位置的值。
一种显微图像的处理装置，其特征在于，包括：
载物台，用于带动样品移动，包括带动样品沿第一方向或第二方向移动；
图像采集模块，采集所述样品在当前位置的图像作为初始图像，以及采集样品相对所述当前位置的沿第一方向移动的若干第一图像，相对所述当前位置沿第二方向移动的若干第二图像；
光照分布图计算模块，对所述初始图像和若干所述第一图像进行光照度差异计算得到第一背景图，对所述初始图像和若干所述第二图像进行光照度差异计算得到第二背景图，再对所述第一背景图和所述第二背景图进行处理得到光照分布图；
背景处理模块，对采集的所述样品的待拼接图像进行拼接前，先利用所述光照分布图进行背景平衡。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明中，对初始图像和若干第一图像进行光照度差异计算得到第一背景图，对初始图像和若干第二图像进行光照度差异计算得到第二背景图，再对所述第一背景图和所述第二背景图进行处理得到光照分布图，利用样品在不同位置成像的差值来统计拟合生成光照分布图作为背景图像，无需事先采集记录背景图像。通过拼接前的光照分布情况评估，自动实现拼接过程中的图像背景矫正。
2、本发明中，利用样品的移动，在图像拼接前先评估出当前材质与光照条件下的光照分布情况，拟合出光照分布图来实现背景平衡，对不同的样品材质不敏感，可适应不同的光照条件与样品材质的变化，只要在拼接过程中光照条件与样品材质不改变即可。
3、本发明中，可对不同的光源条件自动评估背景，自动评估过程可适应落射照明这种不适用传统读取背景的情况，无需在纯背景的情况下即可评估背景。
4、本发明中，配合拼接用的载物台自动完成光照背景的评估与提取，无需事先生成与记录背景，不需要每组组物镜或每个放大倍数做一组背景，可以使拼接流程简单一键式就可以完成。
附图说明
图1为本发明的主流程图；
图2为本发明的详细流程图；
图3a为初始图像示例图；
图3b为第一图像示例图；
图3c为第二图像示例图；
图4a为差值矩阵D的示例图；
图4b为差值矩阵E的示例图；
图5a为第一背景图的示例图；
图5b为第二背景图的示例图；
图6为光照分布图示例图；
图7为最终的光照分布图示例图；
图8为初始图像进行背景平衡后的效果图；
图9为现有拼接方法拼接效果图；
图10为本发明拼接效果图；
其中：
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本发明的一种显微图像的背景平衡方法，通过评估出当前材质与光照条件下的光照分布情况，拟合出光照分布图来实现背景平衡，包括如下步骤：
1)将样品移动至设定的扫描区域，采集样品在当前位置的图像作为初始图像。
设定的扫描区域可为用户指定的扫描区域，例如样品的拼接区域的中间位置，参见图3a，实际应用中，不限于中间位置，也可以是样品的拼接区域的其它位置区域。设图像分辨率为mxn，采集的初始图像A用矩阵表示如下：
其中，a(i,j)为初始图像A在i行和j列的像素点，i＝[0,m]，j＝[0,n]，m为图像行数，n为图像列数。
2)相对当前位置沿第一方向移动样品并采集若干第一图像，相对当前位置沿第二方向移动样品并采集若干第二图像。其中第一方向可以是水平方向，包括水平向左或水平向右，并且设置成以步进dx为单位移动，dx大于一个像素。第二方向可以是与第一方向垂直的方向，包括竖直向上或竖直向下等，并且设置成以步进dy为单位移动，dy大于一个像素。
其中，相对当前位置沿第一方向以步进dx移动样品，采集的第一图像B为：
其中，b(i,j)为第一图像B在i行和j列的像素点。例如，参见图3b的第一图像B为初始图像右移dx后的图像。
相对当前位置沿第二方向以步进dy移动样品，采集的第二图像C为：
其中，c(i,j)为第二图像C在i行和j列的像素点。例如，参见图3c的第二图像B为初始图像下移dy后的图像。
3)对初始图像和若干第一图像进行光照度差异计算得到第一背景图，对初始图像和若干第二图像进行光照度差异计算得到第二背景图，再对第一背景图和第二背景图进行处理得到光照分布图。
该步骤具体如下：
3.1)计算初始图像和第一图像之间的差值矩阵D，以及计算初始图像和第二图像之间的差值矩阵E。差值矩阵D为
其中，X(i,j)表示点(i,j)沿第一方向移动dx后灰度的变化，X(i,j)＝a(i,j)-b(i,j+dx)。设移动前后点(i,j)的材质与对光的反射性质不会改变，则X(i,j)灰度的变化反映的即为光照在(i,j)与在(i,j+dx)位置的差异。
差值矩阵E为
其中Y(i,j)表示点(i,j)垂直方向移动dy后灰度的变化，Y(i,j)＝a(i,j-c(i+dy,j)。设移动前后点(i,j)的材质与对光的反射性质不会改变，则Y(i,j)反映的是光照在(i,j)与在(i+dy,j)位置的差异。
因此，只要通过图像点(i,j)位置灰度值，就可以根据等式X(i,j)＝a(i,j)-b(i,j+dx),Y(i,j)＝a(i,j-c(i+dy,j)可以拟合出以dx与dy为步长间隔的背景光照变化的分布情况。
3.2)结合差值矩阵D和步进dx推导得出背景图的行元素表达式；结合差值矩阵E和步进dy推导得出背景图的列元素表达式。
令背景图的第i行的第一个元素为H(i,0)，则由差值矩阵D可知移动dx后背景图像素为H(i,0)+X(i,0),移动第2*dx后的背景图像素为H(i,0)+X(i,0)+X(i,dx),则得到第i行的k1*dx距离的行元素表达式为：
令背景图的j列的第一个元素为V(0,j)，则由差值矩阵E得到第j列的k2*dy距离的列元素表达式为：
3.3)根据行元素表达式得到第一行元素分布，之后按列推导其它行，得到相比初始图像缩小的第一背景图；根据列元素表达式得到第一列元素分布，之后按行推导其它列，得到相比初始图像缩小的第二背景图。由于相关联的图像像素之间的间距是步进(dx和dx)，按步进来提取背景，水平方向每dx取一个，垂直方向每dy取一个，则提取后的背景图相比初始图像，行缩小了dx，列缩小了dy。
根据行元素表达式得到第一行元素分布为：
[g,g+H(0,0),g+H(0,1)…,g+H(0,n/dx)]；
第一行元素共n/dx个，每个元素按V(k2,j)公式再求出m/dy个元素，就得到了m/dx行和n/dx列的图像Sx。即再按列推出其它行，再得到的缩小的第一背景图像Sx：
根据列元素表达式得到第一列元素分布为：
[g,g+V(0,0),g+V(1,0)…,g+V(m/dy,0)]T；
第一列元素共m/dy个，每个元素按H(i,k1)公式再求出n/dx个元素,就得到了m/dx行和n/dx列的图像Sy。之后按行推出其它列，得到缩小的第二背景图像Sy：
其中，g为给定的像素点灰度。
3.4)对第一背景图和第二背景图进行处理得到光照分布图。具体为将第一背景图和第二背景图求平均S＝(Sx+Sy)/2，然后再进行双线性插值算法放大达到设定尺寸得到光照分布图。
该步骤中，第一背景图和第二背景图分别按行优先与列优先获取，合并求平均S＝(Sx+Sv)/2，然后再将S通过双线性插值算法放大达到设定尺寸得到光照分布图，即将行元素放大dx,列元素放大dy倍恢复为原尺寸的图像K即为最终拟合出的光照分布图，得到的光照分布图反映的是当前单一视场的光照分布情况。
由于第一图像和第二图像数量为多种张，获得差值矩阵D和差值矩阵E也为多个，得到的第一背景图和第二背景图也为多张，可合并多张第一背景图取平均，合并多张第二背景图取平均。或者将多张第一图像取平均得到一张第一图像，将多张第二图像取平均得到一张第二图像。
4)对采集的样品的待拼接图像进行拼接前，先利用光照分布图进行背景平衡。使用步骤3)得到的光照分布图来校正拼接过程中每个视场的图像，即可获得光照均匀的图像。
对采集的样品的待拼接图像进行拼接前，先利用光照分布图进行背景平衡，具体如下：
其中i＝[0,n]，j＝[0,m],m为图像行数，n为图像列数；Iij为待拼接图像中点(i,j)位置的值，为光照分布图的均值，kij为光照分布图中点(i,j)位置的值。参见图8为初始图像经背景平衡后的效果图。参见图10为采用本发明方法进行背景平衡后再拼接效果图。
本发明在实际采图过程中dx,dy取值不能太小，以防止相临像素的干扰，单个像素点一般要用周围多点平均代替，评估亮度变化中对突变的差值需要做相应的处理，如去除或用周围点拟合，为防止噪声的干扰，相同位置采图需要取多张平均，位移方向可以多种选择求出的多个光照分布图求平均等等手段来保证拟合出来的背景能真实反应出实际光照均匀性情况。例如，参见图7，通过3次采集样品不同位置经步骤1)、3)得出的多个光照分布图求平均，再经过平滑滤波抑制突变的差值得到最终的光照分布图。
本发明还提出一种显微图像的处理装置，用于执行上述的一种显微图像的背景平衡方法，包括如下：
载物台，用于带动样品移动，包括带动样品沿第一方向或第二方向移动。载物台可为电动载物台，是显微镜中用于放置样品的重要部件，载物台通常具有调节样品位置的功能，通过调节载物台的移动方向和距离,将样品准确地放置在显微镜的视场中心。
图像采集模块，采集样品在当前位置的图像作为初始图像，以及采集样品相对当前位置的沿第一方向移动的若干第一图像，相对当前位置沿第二方向移动的若干第二图像。图像采集模块与载物台为显微镜的主要功能模块，用于实现上述的步骤1)-步骤2)。
光照分布图计算模块，对初始图像和若干第一图像进行光照度差异计算得到第一背景图，对初始图像和若干第二图像进行光照度差异计算得到第二背景图，再对第一背景图和第二背景图进行处理得到光照分布图。通过光照分布图计算模块用于实现上述的步骤3)。
背景处理模块，对采集的样品的待拼接图像进行拼接前，先利用光照分布图进行背景平衡。该背景处理模块用于实现上述的步骤4)。
参见图1，移动载物台使得样品的拼接区域位置位于视场中心，采集当前位置图像；而后沿不同方向以固定的大于1个像素的小位移分别移动载物台(第一方向和第二方向)，采集不同方向移动后的图像并判断是否采集到足够的图像(第一图像和第二图像)，可根据定义的方向与移动次数决定采集多少张图。根据初始图像、第一图像和第二图像计算不同方向移动的像素偏移得到差值矩阵D、差值矩阵E，之后再计算不同方向的第一背景图和第二背景图，根据第一背景图和第二背景图计算光照分布图。
本发明利用拼接用的电动载物台自动完成光照背景的评估与提取，无需事先生成与记录背景，不需要每组组物镜或每个放大倍数做一组背景，可以使拼接流程简单一键式就可以完成。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种显微图像的背景平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
将样品移动至设定的扫描区域，采集所述样品在当前位置的图像作为初始图像；
相对所述当前位置沿第一方向移动所述样品并采集若干第一图像，相对所述当前位置沿第二方向移动所述样品并采集若干第二图像；
对所述初始图像和若干所述第一图像进行光照度差异计算得到第一背景图，对所述初始图像和若干所述第二图像进行光照度差异计算得到第二背景图，再对所述第一背景图和所述第二背景图进行处理得到光照分布图；
对采集的所述样品的待拼接图像进行拼接前，先利用所述光照分布图进行背景平衡。
2.如权利要求1所述的一种显微图像的背景平衡方法，其特征在于，设定的所述扫描区域为所述样品的拼接区域的中间位置，采集的所述初始图像A为：
其中，a(i,j)为所述初始图像A在i行和j列的像素点，i＝[0,m]，j＝[0,n]，m为图像行数，n为图像列数。
3.如权利要求2所述的一种显微图像的背景平衡方法，其特征在于，相对所述当前位置沿第一方向以步进dx移动所述样品，采集的所述第一图像B为：
其中，b(i,j)为所述第一图像B在i行和j列的像素点；
相对所述当前位置沿第二方向以步进dy移动所述样品，采集的所述第二图像C为：
其中，c(i,j)为所述第二图像C在i行和j列的像素点。
4.如权利要求3所述的一种显微图像的背景平衡方法，其特征在于，对所述初始图像和若干所述第一图像进行光照度差异计算得到第一背景图，对所述初始图像和若干所述第二图像进行光照度差异计算得到第二背景图，具体为：
计算所述初始图像和所述第一图像之间的差值矩阵D，以及计算所述初始图像和所述第二图像之间的差值矩阵E；
结合所述差值矩阵D和步进dx推导得出背景图的行元素表达式；结合所述差值矩阵E和步进dy推导得出背景图的列元素表达式；
根据所述行元素表达式得到第一行元素分布，之后按列推导其它行，得到所述第一背景图；
根据所述列元素表达式得到第一列元素分布，之后按行推导其它列，得到所述第二背景图。
5.如权利要求4所述的一种显微图像的背景平衡方法，其特征在于，所述差值矩阵D为
其中，X(i,j)表示点(i,j)沿所述第一方向移动dx后灰度的变化，X(i,j)＝a(i,j)-b(i,j+dx)；所述差值矩阵E为
其中Y(i,j)表示点(i,j)垂直方向移动dy后灰度的变化，Y(i,j)＝a(i,j-c(i+dy,j)。
6.如权利要求4所述的一种显微图像的背景平衡方法，其特征在于，令背景图的第i行的第一个元素为H(i,0)，则由所述差值矩阵D得到第i行的k1*dx距离的行元素表达式为：
令背景图的j列的第一个元素为V(0,j)，则由所述差值矩阵E得到第j列的k2*dy距离的列元素表达式为：
7.如权利要求6所述的一种显微图像的背景平衡方法，其特征在于，根据所述行元素表达式得到第一行元素分布为：
[g,g+H(0,0),g+H(0,1)…,g+H(0,n/dx)]；
得到的所述第一背景图像Sx：
根据所述列元素表达式得到第一列元素分布为：
[g,g+V(0,0),g+V(1,0)…,g+V(m/dy,0)]T；
得到的所述第二背景图像Sy：
其中，g为给定的像素点灰度。
8.如权利要求1所述的一种显微图像的背景平衡方法，其特征在于：对所述第一背景图和所述第二背景图进行处理得到光照分布图，具体为将所述第一背景图和所述第二背景图求平均S＝(Sx+Sy)/2，然后再进行双线性插值算法放大达到设定尺寸得到所述光照分布图。
9.如权利要求1所述的一种显微图像的背景平衡方法，其特征在于：对采集的所述样品的待拼接图像进行拼接前，先利用所述光照分布图进行背景平衡，具体如下：
其中i＝[0,n]，j＝[0,m],m为图像行数，n为图像列数；Iij为所述待拼接图像中点(i,j)位置的值，为所述光照分布图的均值，kij为所述光照分布图中点(i,j)位置的值。
10.一种显微图像的处理装置，其特征在于，包括：
载物台，用于带动样品移动，包括带动样品沿第一方向或第二方向移动；
图像采集模块，采集所述样品在当前位置的图像作为初始图像，以及采集样品相对所述当前位置的沿第一方向移动的若干第一图像，相对所述当前位置沿第二方向移动的若干第二图像；
光照分布图计算模块，对所述初始图像和若干所述第一图像进行光照度差异计算得到第一背景图，对所述初始图像和若干所述第二图像进行光照度差异计算得到第二背景图，再对所述第一背景图和所述第二背景图进行处理得到光照分布图；
背景处理模块，对采集的所述样品的待拼接图像进行拼接前，先利用所述光照分布图进行背景平衡。
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