JP2018055664A - 画像生成システム及び画像生成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1では、イメージセンサ上に位置する対象物に複数の照明器が順に照明し、照明する毎に対象物を撮影することで得られた複数の撮影画像を用いて、複数の照明器とイメージセンサとの間に位置する仮想的な焦点面における対象物の画像を生成する。以下において、この複数の撮影画像を用いて生成された画像を合焦画像ともいう。
図1は、実施の形態1に係る画像生成システムの機能ブロック図である。図1に示される画像生成システム10は、撮影装置100Aと、画像生成装置100Bと、記憶部120と、表示部150とを備える。画像生成システム10は、さらに、予め定められた焦点面の情報を記憶している第1記録部111と、リフォーカス処理済みの画素の情報を記録する第2記録部121と、焦点面を指定する指定情報の入力を受け付ける入力部112とを備えてもよい。
まず、撮影装置100Aの構成について説明する。撮影装置100Aは、複数の照明器101と、イメージセンサ102と、撮影制御部103とを備える。撮影装置100Aは、対象物の撮影画像(photographic image)を取得する。ここでは、撮影装置100Aは、フォーカスレンズを有さない。通常、フォーカスレンズは複数のレンズ及び鏡を有し、光軸方向に一定以上の長さを有する。したがって、例えば、細胞を培養するインキュベータ内に、フォーカスレンズを有する撮影装置を配置することが、実質上、難しい。また、細胞が培養される環境は高湿度を有する。レンズ及び鏡の材料は、高湿度環境下での利用が困難である。したがって、細胞培養する環境下には、フォーカスレンズを有する撮影装置は適さない。したがって、フォーカスレンズを有さない撮影装置により、例えば、インキュベータ内部であり、かつ細胞培養する環境下においても、細胞を観察することができる。
Access Memory)、ROM(Read−Only Memory)などからなるコンピュータシステム(図示せず)により構成される。撮影制御部103の構成要素の一部又は全部の機能は、CPUがRAMを作業用のメモリとして用いてROMに記録されたプログラムを実行することによって達成されてもよい。また、撮影制御部103の構成要素の一部又は全部の機能は、専用のハードウェア回路によって達成されてもよい。
次に、画像生成装置100Bの構成について説明する。画像生成装置100Bは、少なくとも1つの制御回路によって実現される。図1に示すように、画像生成装置100Bは、焦点面決定部110と、リフォーカス処理部130と、画像生成部140とを備える。
次に、以上のように構成された画像生成システム10の動作について説明する。図7は、実施の形態1に係る画像生成システム10の動作の一例を示すフローチャートである。図8は、座標と焦点面との関係の一例を示す模式図である。
まず、撮影部100は、複数の照明器101を順に用いて対象物を照明し、当該対象物の複数の画像を撮影する。具体的には、撮影部100は、複数の照明器101のそれぞれが対象物を照明するたびに、イメージセンサ102の受光面に到達した光の強度を記録することにより、対象物の画像を取得する。取得された画像は、撮影時に対象物を照明していた照明器の位置情報とともに記憶部120で記憶される。ここでは、複数の照明器101の位置は、イメージセンサ102に対して固定されており、複数の照明器101の各々の位置情報は予め定められている。撮影処理の詳細は後述する。
焦点面決定部110は、焦点面を決定する。具体的には、焦点面決定部110は、イメージセンサ102に対する焦点面の位置及び傾き(角度)を決定する。例えば、焦点面決定部110は、第1記録部111に記憶される予め定められた焦点面の情報に基づいて焦点面を決定してもよい。または、焦点面決定部110は、入力部112によりユーザから受け付けられた、焦点面を指定する指定情報に基づいて、焦点面を決定してもよい。
リフォーカス処理部130は、複数の撮像画像と、複数の照明器101の位置情報と、焦点面の情報とに基づいて、リフォーカス処理を行い、焦点面上の各点の輝度を求める。リフォーカス処理の詳細は後述する。
画像生成部140は、ステップS1300で行われたリフォーカス処理の結果に基づきディスプレイ等に出力可能な画像データを生成する。画像生成部140は、生成された画像データを表示部150に出力する。
表示部150は、ステップS1400で生成された画像を表示する。
ここでステップS1100の撮影部100の動作の詳細を説明する。図9は、撮影装置100Aの動作の一例を示すフローチャートである。
撮影制御部103は、予め定められた複数の照明位置、または図示しない外部入力によって指定された複数の照明位置のリスト(以下、照明位置リストという)を参照して、各照明位置から照明された対象物の撮影が終了したか否かを判定する。
撮影制御部103は、照明位置リストに含まれる複数の照明位置の中から、まだ照明が行われていない照明位置を選択し、複数の照明器101へ制御信号を出力する。照明位置リストにおいて、各照明位置は、例えば、照明位置ごとに割り当てられた番号によって示される。あるいは、各照明位置は、例えば、図8に示すxyz空間における座標値によって示される。照明位置の選択は、例えば、リストの昇順に行われる。
複数の照明器101は、ステップS1120で撮影制御部103より出力された制御信号に従って、対象物への照明を開始する。つまり、ステップS1120で選択された照明位置にある照明器が光の照射を開始する。
照明器によって対象物が照明されている間に、イメージセンサ102は、当該照明器から対象物を透過した光によって形成される画像を取得する。
その後、撮影制御部103は、複数の照明器101へ制御信号を出力して、対象物への照明を停止する。なお、照明の停止は、撮影制御部103からの制御信号に従って行われなくてもよい。例えば、複数の照明器101は、照明を開始してからの時間長を計時して、計時した時間長が予め定められた時間長を超えたら照明を能動的に停止してもよい。あるいはステップS1140でイメージセンサ102が画像の取得を終了した後に、イメージセンサ102は、照明を停止するための制御信号を複数の照明器101に出力してもよい。
次いで、撮影制御部103は、ステップS1140で取得された画像と、ステップS1130で用いられた照明器の位置情報を記憶部120へ出力する。そして、記憶部120は、画像データと照明位置の情報とを対応付けて記憶する。ステップS1160の後、ステップS1110へ戻る。
さらに、ステップS1300のリフォーカス処理部130の動作の詳細を説明する。図10は、実施の形態1に係るリフォーカス処理部130の動作の一例を示すフローチャートである。図11〜図15は、リフォーカス処理の計算方法の具体例を説明する模式図である。
リフォーカス処理部130は、ステップS1200で決定された焦点面の情報を焦点面決定部110から取得する。
リフォーカス処理部130は、合焦画像に含まれる全画素についてリフォーカス処理が終了したか否かを判定する。ここでは、リフォーカス処理とは、ステップS1320からステップS1390までの処理を意味する。
リフォーカス処理部130は、合焦画像に含まれる複数の画素の中から1つの画素を選択する。ここで選択される1つの画素は、合焦画像に含まれる複数の画素のうち、リフォーカス処理がまだ実行されていない画素である。なお、合焦画像の画素値の初期値は0である。
リフォーカス処理部130は、すべての照明位置に対する加算処理が終了しているか否かを判定する。
リフォーカス処理部130は、撮影に用いたすべての照明位置の中からまだ加算処理が終了していない照明位置を選択する。
リフォーカス処理部130は、選択された照明位置と焦点面における選択画素の位置とを通る直線が、イメージセンサ102の受光面と交差する点の位置を計算する。
リフォーカス処理部130は、選択された照明位置に対応する画像を記憶部120から取得する。つまり、リフォーカス処理部130は、選択された照明位置にある照明器を用いて撮影された画像を記憶部120から取得する。具体的には、リフォーカス処理部130は、図6に示した照明位置情報と画像との対応関係に従って、記憶部120に記憶された画像を取得する。例えば、リフォーカス処理部130は、図13に示す照明器101aの位置に対応する画像を取得する。
リフォーカス処理部130は、ステップS1360で計算されたイメージセンサ102上の対象点の撮影画像中の位置を決定する。具体的には、リフォーカス処理部130は、撮影画像の画素の配列を基準に撮影画像における対象点の位置を決定する。
リフォーカス処理部130は、合焦画像上の選択画素の輝度値にステップS1390で計算した対象点の輝度値を加算する。
以上のように、本実施の形態に係る画像生成システムによれば、焦点面上における画素の位置及び照明器の位置を結ぶ直線とイメージセンサ102の受光面との交点である対象点の輝度値を、当該画素の輝度値に適用することができる。したがって、仮想的な焦点面における合焦画像の各画素に、当該画素に対応する複数の撮影画像の輝度値を反映することができ、対象物の高画質な合焦画像を生成することができる。
次に、実施の形態1の変形例1について説明する。上記実施の形態1では、図10のステップS1350で照明位置が選択されたが、本変形例では、撮影画像が選択される。以下に、実施の形態1の変形例1について、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。
次に、実施の形態1の変形例2について説明する。上記実施の形態1では、図10のステップS1320及びステップS1330で、合焦画像内の画素が順に選択されたが、本変形例では、撮影画像内の画素が順に選択される。つまり、本変形例では、先に撮影画像内の画素が選択され、その選択された画素に対応する焦点面上の点が後で決定される点が上記実施の形態1と異なる。このように決定された焦点面上の点に対応する合焦画像内の画素に、撮影画像内の選択された画素の輝度値が反映される。以下に、実施の形態1の変形例2について、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。
リフォーカス処理部130は、ステップS1100で撮影した画像のすべてについてリフォーカス処理が終了したかどうかを判定する。リフォーカス処理とは、ステップS1322からステップS1392までの処理を意味する。すべての画像についてすでにリフォーカス処理が終了している場合(ステップS1322においてyes)は、リフォーカス処理部130は、ステップS1400へ進む。ステップS1100で撮影した画像のいずれかについてリフォーカス処理が終了していない場合(ステップS1322においてno)は、ステップS1332へ進む。
リフォーカス処理部130は、記憶部120に記憶されている、ステップS1100で撮影された画像の中から、1つの撮影画像を選択する(ステップS1332)。ここで選択される1つの撮影画像は、リフォーカス処理がまだ行われていない画像である。以下において、ステップS1332で選択された1つの画像を選択画像という。
リフォーカス処理部130は、選択画像に対応する照明位置情報を取得する。例えば、リフォーカス処理部130は、図6に示した画像と照明位置情報との対応関係を参照して照明位置情報を取得する。ここでは、照明器101aの位置情報が取得された場合について説明する。
リフォーカス処理部130は、選択画像の全画素に対して、加算処理が終了したかを判定する(ステップS1342)。ここで、選択画像の全画素について加算処理が終了している場合(ステップs1342においてyes)は、加算処理を終了してステップS1322へ戻る。一方、選択画像のいずれかの画素について加算処理が終了していない場合(ステップS1342においてno)は、ステップS3152へ進む。加算処理とは、ステップS1342からステップS1392までの処理を意味する。
リフォーカス処理部130は、選択画像中の1つの画素を選択する。ここで選択される1つの画素は、加算処理がまだ行われていない画素である。
リフォーカス処理部130は、図19に示すように、受光面上の点1302aと照明器101aの位置とを結ぶ直線と焦点面1100とが交差する交点1303aの位置を計算する。以下において、交点1303aを加算点とも表記する。
リフォーカス処理部130は、受光面上の点1302aに対応する選択画像内の加算画素の輝度値を、焦点面上の加算点(交点1303a)に対応する合焦画像内の1以上の画素の輝度値に加算する。
リフォーカス処理部130は、合焦画像中の1以上の画素の輝度値に、ステップS1382で計算された輝度値を加算する。
次に、実施の形態2について説明する。実施の形態2では、決定された焦点面に応じて適応的に照明位置を決定し、決定された照明位置にある照明器を用いて対象物を撮影する点が実施の形態1と異なる。以下に、実施の形態2について、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。
図22は、実施の形態2に係る画像生成システム20の機能的な構成を示すブロック図である。図22において、図1と実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
撮影装置200Aは、複数の照明器101と、画素ごとに光の強度を記録するイメージセンサ102と、撮影制御部203とを備える。
画像生成装置200Bは、焦点面決定部210と、照明範囲決定部211と、リフォーカス処理部130と、画像生成部140とを備える。
次に、上述のように構成される画像生成システム20の動作について説明する。
以上のように、本実施の形態に係る画像生成システムによれば、焦点面の情報に基づいて照明位置の範囲を決定し、決定された照明位置の範囲に対応する照明器によって対象物を順番に照明することができる。したがって、焦点面における合焦画像の生成に適した照明器を用いて対象物を撮影することができ、撮影時間を短縮することができる。
次に、実施の形態2の変形例について説明する。本変形例では、予め取得されたパイロット画像を用いて対象領域を決定し、当該対象領域に基づいて照明位置の範囲を決定する点が実施の形態2と異なる。以下に、実施の形態2の変形例について、実施の形態2と異なる点を中心に説明する。
図26は、実施の形態2の変形例に係る画像生成システム30の機能的な構成を示すブロック図である。図26において、図22と実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
次に、上述のように構成される画像生成システム30の動作について説明する。
以上のように、本変形例に係る画像生成システム30によれば、焦点面に加えて対象領域に基づいて照明位置の範囲を決定することができ、さらに撮影時間を短縮することができる。
次に、実施の形態3について説明する。実施の形態3は、対象物の状態に基づいて焦点面を決定する点が実施の形態1と異なる。例えば、本実施の形態では、受精卵や初期胚のように、対象物の状態が培養時間に応じて変化する場合に、培養時間に対応する対象物の状態に基づいて、焦点面の数及び角度を決定する。以下に、実施の形態3について、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。
図28は、実施の形態3に係る画像生成システム40の機能的な構成を示すブロック図である。図28において、図1と実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
次に、上述のように構成される画像生成システム40の動作について説明する。
以上のように、本実施の形態に係る画像生成システム40によれば、対象物の状態に応じて焦点面の数を決定することができ、対象物の観察に適した合焦画像を生成することが可能となる。
実施の形態3の変形例では、まず、イメージセンサの受光面に平行な焦点面において合焦画像を生成し、生成された合焦画像における対象物(例えば細胞)の立体的配置に応じて、他の焦点面を自動的に決定する点が上記実施の形態3と異なる。以下に、実施の形態3の変形例について、実施の形態3と異なる点を中心に説明する。
次に、上述のように構成される画像生成システム50の動作について説明する。
以上のように、本変形例に係る画像生成システム50によれば、対象物である初期胚における細胞の配置に応じて、焦点面の位置及び角度を決定することができる。したがって、初期胚の観察に適した合焦画像を生成することができる。
以上、1つ又は複数の態様に係る画像生成システムについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、1つ又は複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
100A、200A 撮影装置
100B、200B、300B、400B、500B 画像生成装置
101 複数の照明器
101a、101b 照明器
101A LED光源
101B 遮光板
101C ピンホール
101D コリメートレンズ
101E 光源
101F 半球
101G 擬似点光源
101H 平面
101J 合焦点
102 イメージセンサ
103、203 撮影制御部
110、210、410、510 焦点面決定部
111 第1記録部
112 入力部
120、320、525 記憶部
121 第2記録部
130、230、530 リフォーカス処理部
140、540 画像生成部
150 表示部
211、311 照明範囲決定部
212、312 対象領域決定部
213、313 処理範囲切り出し部
420 胚情報テーブル
430 計時部
511 水平面決定部
513 細胞位置判定部
514 位置傾き決定部
521 3Dモデルデータベース
522 回転処理部
523 2D化処理部
524 比較部
1000 対象物
1100 焦点面
1102a、1102b、1102c、1102d、1102e、1302a、1302b、1302c、1302d、1302e 点
1103a、1103b 交点
1303a 交点
3501、3502、3503、3504 細胞
Claims (9)
- 複数の照明器と、対象物が載置されるイメージセンサと、少なくとも1つの制御回路とを備え、前記複数の照明器及び前記イメージセンサの間に位置する仮想的な焦点面における前記対象物の合焦画像を生成する画像生成システムであって、
前記複数の照明器は、前記対象物を順番に照明し、
前記イメージセンサは、前記複数の照明器が前記対象物を照明する毎に、前記対象物の撮影画像を取得し、
前記少なくとも1つの制御回路は、
(a)前記複数の照明器及び前記イメージセンサの間に位置する前記焦点面の情報を取得し、
(b)前記合焦画像を構成する複数の画素の各々について、以下の(c)〜(f)を実行し、
(c)前記複数の照明器の位置の各々について、以下の(d)〜(f)を実行し、
(d)前記焦点面上における前記画素の位置及び前記照明器の位置を結ぶ直線と前記イメージセンサの受光面との交点である対象点の位置を計算し、
(e)前記イメージセンサの受光面上の前記対象点の位置に基づいて、前記照明器の位置から前記対象物が照明されているときに取得された撮影画像における前記対象点の輝度値を計算し、
(f)前記対象点の輝度値を前記画素の輝度値に適用し、
(g)前記複数の画素の各々における輝度値の適用結果を用いて、前記焦点面における前記対象物の合焦画像を生成し、
(h)前記生成した前記対象物の合焦画像を出力する、
画像生成システム。 - 複数の照明器と、対象物が載置されるイメージセンサと、少なくとも1つの制御回路とを備え、前記複数の照明器及び前記イメージセンサの間に位置する仮想的な焦点面における前記対象物の合焦画像を生成する画像生成システムであって、
前記複数の照明器は、前記対象物を順番に照明し、
前記イメージセンサは、前記複数の照明器が前記対象物を照明する毎に、前記対象物の撮影画像を取得し、
前記少なくとも1つの制御回路は、
(a)前記複数の照明器及び前記イメージセンサの間に位置する前記焦点面の情報を取得し、
(b)複数の前記撮影画像の各々について、以下の(c)〜(f)を実行し、
(c)前記撮影画像に対応する照明器の位置情報を取得し、
(d)前記撮影画像に含まれる複数の第1画素の各々について、以下の(e)〜(f)を実行し、
(e)前記イメージセンサの受光面上における前記第1画素の位置及び前記照明器の位置を結ぶ直線と前記焦点面との交点の位置を計算し、
(f)前記合焦画像を構成する複数の第2画素に含まれる、前記焦点面上の交点の位置に対応する1以上の第2画素の輝度値に、前記第1画素の輝度値を適用し、
(g)前記複数の第2画素の輝度値の適用結果を用いて、前記焦点面における前記対象物の合焦画像を生成し、
(h)前記生成した前記対象物の合焦画像を出力する、
画像生成システム。 - 前記複数の照明器の各々は、
光源と、
前記光源と前記対象物との間に位置し、ピンホールを有する遮光板とを備え、
前記光源により、前記ピンホールを介して、拡散光を前記対象物に照射する、
請求項1又は2に記載の画像生成システム。 - 前記画像生成システムは、さらに、ディスプレイを備え、
前記ディスプレイは、前記少なくとも1つの制御回路により出力された前記合焦画像を表示する、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の画像生成システム。 - さらに、
前記焦点面の情報に基づいて、照明位置の範囲を決定し、
前記複数の照明器のうち、前記照明位置の範囲に対応する照明器が、前記対象物に順番に照明する、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の画像生成システム。 - 複数の照明器及びイメージセンサの間に位置する仮想的な焦点面における合焦画像であって前記イメージセンサ上に位置する対象物の合焦画像を生成する画像生成方法であって、
(b1)前記複数の照明器により前記対象物を順番に照明して撮影された複数の前記対象物の撮影画像を取得し、
(b2)前記複数の照明器及び前記イメージセンサの間に位置する前記焦点面の情報を取得し、
(b3)前記合焦画像を構成する複数の画素の各々について、以下の(b4)〜(b7)を実行し、
(b4)前記複数の照明器の位置の各々について、以下の(b5)〜(b7)を実行し、
(b5)前記焦点面上における前記画素の位置及び前記照明器の位置を結ぶ直線と前記イメージセンサの受光面との交点である対象点の位置を計算し、
(b6)前記イメージセンサの受光面上の前記対象点の位置に基づいて、前記照明器の位置から前記対象物が照明されているときに取得された撮影画像における前記対象点の輝度値を計算し、
(b7)前記対象点の輝度値を前記画素の輝度値に適用し、
(b8)前記複数の画素の各々における輝度値の適用結果を用いて、前記焦点面における前記対象物の合焦画像を生成し、
(b9)前記生成した前記対象物の合焦画像を出力し、
前記(b1)〜(b9)の少なくとも1つは制御回路により実行される、
画像生成方法。 - 複数の照明器及びイメージセンサの間に位置する仮想的な焦点面における合焦画像であって前記イメージセンサ上に位置する対象物の合焦画像を生成する画像生成方法であって、
(b1)前記複数の照明器により前記対象物を順番に照明して撮影された複数の前記対象物の撮影画像を取得し、
(b2)前記複数の照明器及び前記イメージセンサの間に位置する前記焦点面の情報を取得し、
(b3)前記複数の撮影画像の各々について、以下の(b4)〜(b7)を実行し、
(b4)前記撮影画像に対応する照明器の位置情報を取得し、
(b5)前記撮影画像に含まれる複数の第1画素の各々について、以下の(b6)〜(b7)を実行し、
(b6)前記イメージセンサの受光面上における前記第1画素の位置及び前記照明器の位置を結ぶ直線と前記焦点面との交点の位置を計算し、
(b7)前記合焦画像を構成する複数の第2画素に含まれる、前記焦点面上の交点の位置に対応する1以上の第2画素の輝度値に、前記第1画素の輝度値を適用し、
(b8)前記複数の第2画素の輝度値の適用結果を用いて、前記焦点面における前記対象物の合焦画像を生成し、
(b9)前記生成した前記対象物の合焦画像を出力し、
前記(b1)〜(b9)の少なくとも1つは制御回路により実行される、
画像生成方法。 - さらに、
(a1)前記複数の照明器により、前記イメージセンサ上に位置する前記対象物を順番に照明し、
(a2)前記イメージセンサにより、前記複数の照明器により前記対象物を照明する毎に、前記対象物の撮影画像を取得し、
前記(b1)では、前記イメージセンサにより取得された複数の前記対象物の撮影画像を取得する、
請求項6又は7に記載の画像生成方法。 - 前記対象物は細胞である、
請求項6〜8のいずれか1項に記載の画像生成方法。
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