（計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)論文）基于微動(dòng)平臺(tái)的數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)研究.pdf

基于微動(dòng)平臺(tái)的數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)研究 t h er e s e a r c ho nv i r t u a lm i c r o s c o p ys l i d es y s t e m b a s e da u t o m a t e dm i c r o s c o p es t a g e 南開大學(xué)研究生院 二o o 年五月 得者均須向南開大學(xué)提交本人的學(xué)位論文紙質(zhì)本及相應(yīng)電子版。 本人完全了解南開大學(xué)有關(guān)研究生學(xué)位論文收藏和利用的管理規(guī)定。南開大學(xué)擁有在 著作權(quán)法規(guī)定范圍內(nèi)的學(xué)位論文使用權(quán)，即：( 1 ) 學(xué)位獲得者必須按規(guī)定提交學(xué)位論文( 包 括紙質(zhì)印刷本及電子版) ，學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其他復(fù)制手段保存研究生學(xué)位論文， 并編入南開大學(xué)博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫；( 2 ) 為教學(xué)和科研目的，學(xué)?？梢詫⒐_ 的學(xué)位論文作為資料在圖書館等場所提供校內(nèi)師生閱讀，在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文 摘以及論文全文瀏覽、下載等免費(fèi)信息服務(wù)；( 3 ) 根據(jù)教育部有關(guān)規(guī)定，南開大學(xué)向教育部 指定單位提交公開的學(xué)位論文；( 4 ) 學(xué)位論文作者授權(quán)學(xué)校向中國科技信息研究所和中國學(xué) 術(shù)期刊( 光盤) 電子出版社提交規(guī)定范圍的學(xué)位論文及其電子版并收入相應(yīng)學(xué)位論文數(shù)據(jù)庫， 通過其相關(guān)網(wǎng)站對(duì)外進(jìn)行信息服務(wù)。同時(shí)本人保留在其他媒體發(fā)表論文的權(quán)利。 非公開學(xué)位論文，保密期限內(nèi)不向外提交和提供服務(wù)，解密后提交和服務(wù)同公開論文。 論文電子版提交至校圖書館網(wǎng)站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承諾：本人的學(xué)位論文是在南開大學(xué)學(xué)習(xí)期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯； 提交的學(xué)位論文電子版與紙質(zhì)本論文的內(nèi)容一致，如因不同造成不良后果由本人自負(fù)。 本人同意遵守上述規(guī)定。本授權(quán)書簽署一式兩份，由研究生院和圖書館留存。 作者暨授權(quán)人簽字：程小燕 2 0 1 0 年5 月3 1 日 南開大學(xué)研究生學(xué)位論文作者信息 論文題目 基于微動(dòng)平臺(tái)的數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)研究 姓名程小燕學(xué)號(hào)2 1 2 0 0 7 0 3 1 3答辯日期2 0 1 0 年5 月2 7 日 論文類別博十口學(xué)歷碩士團(tuán)碩十專業(yè)學(xué)位口高校教師口同等學(xué)力碩士口 院系所 信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院專業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 聯(lián)系電話 1 3 7 5 2 0 1 2 9 2 3e m a i l p p l i f e l 9 8 3 1 6 3 t o m 通信地址( 郵編) ：3 0 0 0 7 1 備注：是否批準(zhǔn)為非公開論文 否 注：本授權(quán)書適用我校授予的所有博士、碩士的學(xué)位論文。由作者填寫( 一式兩份) 簽字后交校圖書 館，非公開學(xué)位論文須附南開大學(xué)研究生申請(qǐng)非公開學(xué)位論文審批表。 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作所 取得的研究成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包 含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所 涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：程小燕2 0 1 0 年5 月3 1 日 非公開學(xué)位論文標(biāo)注說明 根據(jù)南開大學(xué)有關(guān)規(guī)定，非公開學(xué)位論文須經(jīng)指導(dǎo)教師同意、作者本人申 請(qǐng)和相關(guān)部門批準(zhǔn)方能標(biāo)注。未經(jīng)批準(zhǔn)的均為公開學(xué)位論文，公開學(xué)位論文本 說明為空白。 論文題目 申請(qǐng)密級(jí)口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口機(jī)密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月 日至2 0 年月 日 審批表編號(hào)批準(zhǔn)日期 2 0 年月日 限制2 年( 最長2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最長5 年，可少于5 年) 機(jī)密2 0 年( 最長l o 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 近2 0 年來，由于在遠(yuǎn)程病理診斷、遠(yuǎn)程教學(xué)中的便利性，數(shù)字切片受到越 來越多病理學(xué)專家的歡迎，與此同時(shí)，數(shù)字切片系統(tǒng)也成為研究的熱點(diǎn)。本文 對(duì)數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：數(shù)字切片掃描技術(shù)和數(shù)字全切片圖 像拼接技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字切片掃描拼接 系統(tǒng)。 數(shù)字切片掃描方法主要由數(shù)字切片掃描路徑規(guī)劃方法和自動(dòng)調(diào)焦方法組 成。在數(shù)字切片掃描路徑規(guī)劃中，本文采用系統(tǒng)測(cè)量的方法來獲得掃描中需要 的誤差補(bǔ)償方案，消除了切片掃描中的累積誤差。在自動(dòng)調(diào)焦中，本文采用預(yù) 檢測(cè)自動(dòng)調(diào)焦條件后進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦的方法，避免了掃描過程中在空白區(qū)域處進(jìn) 行自動(dòng)調(diào)焦確保自動(dòng)調(diào)焦成功。 面向數(shù)字全切片的優(yōu)先權(quán)圖像拼接方法通過優(yōu)先權(quán)拼接生成樹來減小圖像 拼接累積誤差，從而降低空白圖像對(duì)全切片圖像拼接帶來的拼接誤差影響，最 后，全切片圖像存儲(chǔ)采用大圖切塊成圖像陣列的方法來解決拼接內(nèi)存消耗大、 全切片瀏覽慢的問題。 最后，綜合數(shù)字切片掃描方法和全切片圖像拼接技術(shù)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了 全切片圖像拼接系統(tǒng)。通過多組病理切片的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文研究的兩 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的有效性，同時(shí)，也驗(yàn)證了數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的可行性。 關(guān)鍵詞：數(shù)字切片大規(guī)模圖像拼接自動(dòng)調(diào)焦顯微圖像 i g # 器女端籌貓s # 糊* “# * * * * 女m 8 w m _ 。一一。一 a b s t r a e t a b s t r a c t i l lt h el a s t2 0y e a r s v i r t u a lm i c r o s c o p yh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp o p u l a ra sa m o d a l i t yf o rr e m o t ep r i m a r yd i a g n o s i s ，r e m o t e t e a c h i n g r e f e r r a lt oa l l e x p e r t p a t h o l o g i s t t h ev i r t u a lm i c r o s c o p ys y s t e mb e c o m et h ef o c u s ei nt h er e s e 鋤c h f i e l d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ek e yt e c h n o l o g yo fv i r t u a lm i c r o s c o p y s y s t e m ：t h e t e c h n o l o g yo fd i g i t a li m a g es c a n n i n ga n dl a r g es c a l ei m a g es t i t c h i n gm e t h o d f i n a l l y , w ed e s i g n ss o f t w a r es y s t e mf o rv i r t u a lm i c r o s c o p ys l i d e m a k i n ga n d b r o w s i n g t h es l i d es c a n n i n gt e c h n o l o g yi sc o m p o s e do f t h em e t h o df o rt r a j e c t o r yp l a n n i n g o fs l i d es c a n n i n ga n dt h ea u t o m a t i cf o c u sm e t h o dd u r i n gt h es l i d es c a n n i n g w i t ht h e m e a s u r e m e n t o fa u t o m a t e dr o b o t i c m i c r o s c o p e ，t h ee r r o rc o m p e n s a t i o nc a nb e g o t t e n ，a n dt h e ni tc a nb ec o m p e n s a t e dd u r i n gt h ei m a g es c a n n i n g i nt h i sw a y ，d u r i n g t h el a r g es c a l e s c a n n i n gt h es y s t e ma c c u m u l a t i v ee r r o ri sr e d u c e d t h ea u t o m a t i c f o c u sm e t h o df o rs c a n n i n gi m a g e sd of o c u s i n ga f t e rc h e c k i n gt h ef o c u s i n gc o n d i t i o n t om a k es u r et h ec o n d i t i o ns u i t a b l ef o rf o c u s i n g w i t ht h i s m e t h o d ，d u r i n gi m a g e s s c a n n i n g ，t h es u c c e s s f u lp r o b a b i l i t yo fa u t o - f o c u s i n gi sa d v a n c e dg r e a t l y i nt h i sp a p e r , w ep e s e n ta ni m a g es t i t c h i n gm e t h o db a s e do n a w e i g h t e ds q u a r e s f o rc r e a t i n gv i r t u a ls l i d e t h i sm e t h o dc a na v o i dt h ei n f l u e n c eo fb l a n k e di m a g e s c a u s e de r r o r st ot h ei m a g es t i t c h i n g a n dt h e n ，t os o l v et h eh u g ev i r t u a ls l i d e m a y e x h a u s tm o s tc o m p u t e r sm e m o r y , w ec u tt h ev i r t u a ls l i d ei n t os m a l li m a g e sa n d d e s i g nav i e w i n gs y s t e mt ob r o w s ev i r t u a ls l i d e ， f i n a l l y , w i t ht h et e c h n o l o g yo fs l i d es c a n n i n ga n di m a g es t i t c h i n g ，w ed e s i g nt h e v i r t u a lm i c r o s c o p ys l i d em a k i n gs y s t e m w i t ht h ev i r t u a lm i c r o s c o p ys l i d em a k i n g s y s t e m ，w ed os o m ev i r t u a lm i c r o s c o p ys l i d em a k i n ge x p e r i m e n t st ov 耐矽t h es y s t e m f e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t y k e yw o r d s ：v i r t u a lm i c r o s c o p ys l i d e ：l a r g es c a l ei m a g es t i t c h i n g ；a u t o f o c u s i n g ； m i c r o s c o p ei m a g e i i 1 3 1 論文的主要研究內(nèi)容。5 1 3 2 論文的章節(jié)安排5 1 3 3 論文內(nèi)容結(jié)構(gòu)6 第二章數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)概述7 第一節(jié)數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)7 2 1 1數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)8 2 1 2 數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。9 2 1 3數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的微動(dòng)控制硬件結(jié)構(gòu)1 l 2 1 4數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的視覺系統(tǒng)1 4 第二節(jié)數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1 4 第三節(jié)小結(jié)1 5 第三章面向全切片的圖像掃描方法1 6 第一節(jié)概述1 6 第二節(jié)面向全切片圖像掃描方法1 7 3 2 1切片掃描規(guī)劃17 3 2 2 微動(dòng)平臺(tái)測(cè)量1 8 3 2 3切片掃描運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略2 l 第三節(jié)面向全切片圖像掃描的自動(dòng)調(diào)焦設(shè)計(jì)2 2 3 3 1全切片掃描中自動(dòng)調(diào)焦的設(shè)計(jì)分析2 2 目錄 3 3 2 顯微圖像的成像原理2 3 3 3 3 空白圖像檢測(cè)方法2 4 3 3 4面向切片掃描自動(dòng)調(diào)焦方法2 6 第四節(jié)小結(jié)31 第四章面向數(shù)字全切片的優(yōu)先權(quán)圖像拼接方法3 2 第一節(jié)數(shù)字全切片拼接任務(wù)簡介3 2 4 1 1 數(shù)字全切片簡介3 2 4 1 2 圖像拼接方法簡介3 2 4 1 3全切片拼接方法概述3 3 第二節(jié)全切片圖像拼接方法3 6 4 2 1 圖像對(duì)配準(zhǔn)3 6 4 2 2 全切片生成4 2 第三節(jié)算法評(píng)估5 0 第四節(jié)小結(jié)51 第五章數(shù)字切片系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)5 2 第一節(jié)數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)5 2 5 1 1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5 2 5 1 2 數(shù)字掃描拼接系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)5 3 5 1 3 數(shù)字切片制作實(shí)現(xiàn)5 7 5 1 4 系統(tǒng)配置管理一5 8 5 1 5 運(yùn)動(dòng)控制模塊5 9 第二節(jié)數(shù)字切片瀏覽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)5 9 5 2 1 瀏覽系統(tǒng)原理6 0 5 2 2數(shù)字切片瀏覽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)6 l 第三節(jié)數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)評(píng)估6 2 第四節(jié)小結(jié)6 4 第六章結(jié)論與展望6 5 i v 致謝6 9 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及研究成果7 0 v 第一章引言 第一章引言 第一節(jié)數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的研究背景 生命科學(xué)是當(dāng)今世界上最為活躍的研究領(lǐng)域和領(lǐng)頭科學(xué)，顯微切片觀察作 為這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行分析診斷、科研教學(xué)的基礎(chǔ)手段，長期受到人們的重視，廣泛 應(yīng)用于醫(yī)院、科研機(jī)構(gòu)及相關(guān)院校。 目前，對(duì)于組織胚胎學(xué)、病理學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等形態(tài)學(xué)學(xué)科的顯微切片觀 察，大部分采用傳統(tǒng)的玻璃切片觀察方式。傳統(tǒng)切片觀察大多是以細(xì)胞或組織 標(biāo)本的玻璃切片作為被觀察對(duì)象，在使用中存在較大的局限性。第一，玻璃切 片存在時(shí)間和空間的使用局限性。例如，使用者對(duì)切片的觀察必須局限在實(shí)驗(yàn) 室，借助于光學(xué)顯微鏡才能觀察，那么觀察者在時(shí)間和空間上就會(huì)受到一定程 度的限制。第二，在形態(tài)學(xué)教學(xué)過程中，需要大量的切片，不僅制作成本高， 而且很難保證每張玻璃切片的質(zhì)量滿足要求，不利于典型結(jié)構(gòu)的觀察和示教。 第三，玻璃切片在制作、使用、保存和搬運(yùn)過程中容易破損，而且玻璃切片標(biāo) 本隨著時(shí)間的推移容易褪色，不易永久保存。如在腫瘤診治過程中，病理切片 是病理診斷的主要手段，如果出現(xiàn)醫(yī)療糾紛，病理切片則是不可缺少的法律依 據(jù)。同時(shí)，病理切片的積累還為疾病的流行病調(diào)查、病因分析、轉(zhuǎn)歸評(píng)估以及 了解患者不同時(shí)期的疾病的發(fā)展與轉(zhuǎn)歸等提供了可靠的依據(jù)，實(shí)際應(yīng)用要求病 理切片長期保存。傳統(tǒng)切片在使用過程長期保存中存在褪色破損等情況，這些 變化影響了病理分析的可靠度。第四，病理切片的增多使病理切片信息的檢索 變得困難。由此可見，傳統(tǒng)切片已經(jīng)跟不上當(dāng)代醫(yī)學(xué)生物科學(xué)的發(fā)展步伐，而 隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的發(fā)展，近些年提出的虛擬病理切片概念和相關(guān)技術(shù)為顯 微切片觀察提供了新思路。 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息化技術(shù)越來越多地用于醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)研究領(lǐng) 域，如遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程病理分析以及遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教學(xué)等，這使得世界不同地點(diǎn)的 人即使相距遙遠(yuǎn)，也能在一起研究討論同一個(gè)難題，與在同一間屋子內(nèi)做研究 沒有區(qū)別。同時(shí)，越來越多的研究者正在研究信息技術(shù)在醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用【l h 5 。 數(shù)字切片又稱為虛擬切片，它通過數(shù)字圖像掃描拼接技術(shù)來生成全切片。 第一蘋引言 數(shù)字切片系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)讓用戶在計(jì)算機(jī)顯示屏上觀察，用戶可以觀察到在光 學(xué)顯微鏡各種物鏡倍數(shù)下的切片顯微場景。使用者不僅可以在本地計(jì)算機(jī)上觀 察全切片內(nèi)容，而且可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程觀察和研究切片。越來越暢通的網(wǎng)絡(luò)環(huán) 境，保障了用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)暢通瀏覽數(shù)字切片。數(shù)字切片一直受到細(xì)胞病理、 臨床病理等領(lǐng)域的熱切期盼。 與傳統(tǒng)玻璃切片相比較，數(shù)字切片的優(yōu)勢(shì)非常明顯。數(shù)字切片突破了顯微 視野范圍的限制，使用戶可以大范圍的觀察切片而不丟失細(xì)節(jié)；玻璃切片的瀏 覽需要使用光學(xué)顯微鏡，玻璃切片內(nèi)容的瀏覽很不方便而且很耗時(shí)，數(shù)字切片 則采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和檢索技術(shù)，能快速地檢索和瀏覽，并可以精確定位 到目標(biāo)感興趣的區(qū)域通過圖像標(biāo)記或標(biāo)注，提高了醫(yī)務(wù)工作者的工作效率；數(shù) 字切片便于存儲(chǔ)和通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交流，比較適合醫(yī)學(xué)的遠(yuǎn)程診斷和會(huì)診， 以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)；切片數(shù)字化還可以整合資源、節(jié)省資金，對(duì)于一些難以取得的 切片，如心臟、腦以及系統(tǒng)性疾病的病理切片等，通過數(shù)字化實(shí)現(xiàn)切片的共享。 同時(shí)，個(gè)人醫(yī)學(xué)電子檔案的發(fā)展趨勢(shì)也促進(jìn)了數(shù)字切片的應(yīng)用需求。綜合分析 數(shù)字切片具有如下優(yōu)點(diǎn)： 數(shù)字切片可用來遠(yuǎn)程初級(jí)診斷。 數(shù)字切片用于專家會(huì)診時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞切片內(nèi)容方便快捷。 數(shù)字切片可以方便地復(fù)制與保存。 數(shù)字切片一旦生成，不管傳輸多遠(yuǎn)內(nèi)容不會(huì)發(fā)生變化。 數(shù)字切片可方便的用于遠(yuǎn)程教育教學(xué)，通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)生可很方便地參加病理考 試。 數(shù)字切片可方便地與計(jì)算機(jī)檢索技術(shù)結(jié)合，使得信息切片檢索更加方便快 捷。 數(shù)字切片可用來做細(xì)節(jié)性的圖像分析，批注內(nèi)容可附加在數(shù)字切片上，通過 數(shù)字切片管理軟件管理批注、閱讀批注。 數(shù)字切片可用來實(shí)現(xiàn)虛擬顯微鏡，在沒有光學(xué)顯微鏡的情況下，通過數(shù)字切 片瀏覽軟件瀏覽不同倍數(shù)下的切片內(nèi)容。 綜上所述，隨著生命科學(xué)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，數(shù)字切片的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大， 需求量也逐年遞增，用于切片數(shù)字化的數(shù)字切片掃描系統(tǒng)具有良好的市場成長 性和廣闊的市場前景，研究和開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的切片掃描設(shè)備并實(shí)現(xiàn)其 2 第二節(jié)數(shù)字切片系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 在計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)向各個(gè)領(lǐng)域滲透的過程中，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡觀 察模式在不斷地發(fā)生改變。近年來，越來越多的醫(yī)務(wù)工作者和科研工作者意識(shí) 到數(shù)字切片的優(yōu)越性和便利性，增加了數(shù)字切片制作設(shè)備的需求量，促進(jìn)了相 關(guān)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，形成了前景可觀的產(chǎn)業(yè)。 目前，數(shù)字切片系統(tǒng)主要有兩種掃描方式：一、傳統(tǒng)方式，在顯微鏡 上裝配一個(gè)高分辨率的c c d 相機(jī)進(jìn)行拍照，這樣將高倍放大的玻璃切片圖 像進(jìn)行局部的多次的拍照，并將最后生成的n 多張圖片利用計(jì)算機(jī)的軟件 功能組合成一個(gè)整張的切片圖像。二采用t d i c c d 線性掃描技術(shù)( 移動(dòng) 積分掃描) ，移動(dòng)積分掃描技術(shù)不是采用拍照拼接方式，而是類似于辦公用的掃 描儀，t d i c c d 圖像傳感器在物體上移動(dòng)掃描的同時(shí)，圖像即傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。 典型的掃描時(shí)間是在使用2 0 x 物鏡下1 分鐘完成1 5 m m 1 5 m m 區(qū)域內(nèi)的掃描。 使用數(shù)字切片的自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，一次可對(duì)2 1 0 張切片進(jìn)行掃描。當(dāng)然，t d i c c d 傳感器的造價(jià)成本也是很高的，在宇航拍攝哈雷彗星運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)采用過這種技 術(shù)。 國外的廠商在這個(gè)方面投入較早，研發(fā)的產(chǎn)品大多性能優(yōu)良，價(jià)格昂貴。 國外有些廠商采用第二種數(shù)字切片掃描方式，如圖1 1 所示，日本h a m a m a t s u p h o t o n i c 8 公司的n a n o z o o m e r 系列產(chǎn)品【6 】、美國光谷中心亞利桑那州圖森市 d m e t r i x 研究開發(fā)的快速數(shù)字切片顯微掃描儀【7 】和美國的a p e r i o 公司的 s c a n s c o p e 系列數(shù)字切片掃描系統(tǒng)【8 】均采用時(shí)間延遲積分技術(shù)t d i c c d 制作數(shù) 字切片；有些廠商采用傳統(tǒng)的數(shù)字切片掃描方式的產(chǎn)品，主要有日本奧林巴斯 公司的d o s l i d e 數(shù)字虛擬切片工作站例。 3 圖1 1n a n o z o o m e r 數(shù)字切片掃描系統(tǒng)【6 】和d o s l i d e 數(shù)字虛擬切片工作站【9 】 國內(nèi)的廠商起步比較晚，如廈門麥克奧迪( m o t i c ) 實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司的 b a 6 0 0 m o t 虛擬自動(dòng)顯微鏡系統(tǒng)、北京普利生儀器有限公司的a m p 2 0 0 0 p 自動(dòng) 全景病理圖文顯微平臺(tái)系統(tǒng)、北京優(yōu)納科技有限公司的p r e c i c e 系列全自動(dòng)數(shù) 字切片掃描系統(tǒng)等等，這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)類似，主要采用傳統(tǒng)的數(shù)字切片掃描方 式，通過計(jì)算機(jī)軟件將掃描拍照獲得的圖像拼接成一整張的數(shù)字切片圖像。這 些產(chǎn)品相比于國外廠商產(chǎn)品價(jià)格便宜，但是由于這些產(chǎn)品的部分關(guān)鍵技術(shù)是購 買國外的核心技術(shù)，價(jià)格還是很高。 數(shù)字切片的優(yōu)越性得到了大家的認(rèn)可，數(shù)字切片越來越多地應(yīng)用到各個(gè)醫(yī) 學(xué)和生物領(lǐng)域。但是由于價(jià)格昂貴的原因，雖然感興趣的用戶很多，此類產(chǎn)品 只有國內(nèi)的某些大型醫(yī)院、科研機(jī)構(gòu)及重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，如北京協(xié)和醫(yī)科大學(xué)病理 科、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院、中國醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院使用，國內(nèi)只有少數(shù)的醫(yī)院已 經(jīng)建立了數(shù)字切片庫。只有數(shù)字切片掃描系統(tǒng)的成本降低，數(shù)字切片才會(huì)得到 廣泛的推廣和應(yīng)用。 南開大學(xué)機(jī)器人與信息自動(dòng)化研究所自1 9 9 3 年開始進(jìn)行微操作機(jī)器人的研 究，于1 9 9 6 年開發(fā)出我國第一臺(tái)微操作機(jī)器人樣機(jī)。隨著逐年的研究改進(jìn)，微 操作機(jī)器人系統(tǒng)的高精度位移控制技術(shù)日漸成熟，該技術(shù)是研究開發(fā)數(shù)字切片 掃描系統(tǒng)的微動(dòng)掃描平臺(tái)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。本文研究的數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng) 是采用傳統(tǒng)的數(shù)字切片掃描方式來制作數(shù)字切片，該系統(tǒng)是本課題組與南開太 陽高科技發(fā)展有限公司合作，基于南開大學(xué)自主研發(fā)的微操作機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)， 擁有開發(fā)數(shù)字切片掃描系統(tǒng)的核心技術(shù)，所以能降低數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的 生產(chǎn)成本。同時(shí)，研究開發(fā)數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)是微操作機(jī)器人研究成果產(chǎn) 4 第一章引言 業(yè)化的一項(xiàng)重要發(fā)展方向。 第三節(jié)論文主要研究內(nèi)容 1 3 1 論文的主要研究內(nèi)容 本文主要研究了數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：數(shù)字切片掃描技術(shù)和 全切片數(shù)字圖像拼接技術(shù)。數(shù)字切片掃描研究主要是保障待拼接圖像質(zhì)量，研 究了全切片圖像掃描中的自動(dòng)調(diào)焦方法和數(shù)字切片圖像掃描路徑規(guī)劃方法。全 切片圖像拼接方法是生成全切片的關(guān)鍵技術(shù)，用于克服大規(guī)模圖像拼接帶來的 拼接誤差大、切片瀏覽難、拼接復(fù)雜等問題。 綜上所述，本文主要研究了數(shù)字切片掃描系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，研究內(nèi)容主要 以數(shù)字切片掃描技術(shù)和全切片圖像拼接技術(shù)為重點(diǎn)。 1 3 2 論文的章節(jié)安排 本文主要圍繞數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù) 的研究，論文的主要章節(jié)如下： 第一章研究分析了數(shù)字切片掃描系統(tǒng)的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀，從而引出了 本文的主要的研究內(nèi)容。 第二章介紹了數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)研究環(huán)境指出了本 文的工作重點(diǎn)。 第三章對(duì)數(shù)字切片掃描技術(shù)進(jìn)行研究，包括消除誤差累積的掃描方法和掃 描過程中的自動(dòng)調(diào)焦方法。 第四章對(duì)數(shù)字全切片圖像拼接難點(diǎn)進(jìn)行研究，提出了面向數(shù)字全切片的優(yōu) 先權(quán)圖像拼接方法。 第五章完成了數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)與切片瀏覽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過 多組病理切片的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的可行性和有效性。 第六章對(duì)本文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)數(shù)字切片系統(tǒng)提出了進(jìn)一步的研究設(shè)想。 5 第一章引言 1 3 3 論文內(nèi)容結(jié)構(gòu) 本文主要圍繞數(shù)字切片掃描系統(tǒng)研究，工作的結(jié)構(gòu)圖如圖1 2 所示，描述了 本文的各項(xiàng)工作的結(jié)構(gòu)關(guān)系。 引言 l l 弋夕 數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 之鄉(xiāng)之鄉(xiāng) l 囪向全切片的圖像面向全切片的優(yōu)先權(quán) 掃描方法的圖像拼接方法 之鄉(xiāng)之鄉(xiāng) 數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 弋夕 結(jié)論與展望 圖1 2 本文結(jié)構(gòu)圖 6 第二章數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)概述 第二章數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)概述 第一節(jié)數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 圖2 1 所示為數(shù)字切片掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它是由上位機(jī)系統(tǒng)、微動(dòng)控制器、機(jī) 械結(jié)構(gòu)和顯微視覺系統(tǒng)四部分組成。數(shù)字切片掃描拼接任務(wù)是包括切片掃描與 切片拼接，這些任務(wù)是靠數(shù)字切片掃描系統(tǒng)各個(gè)功能部分相互協(xié)作完成。 圖2 1 數(shù)字切片掃描系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 數(shù)字切片掃描為數(shù)字切片圖像拼接提供待拼接圖像，這些待拼接圖像是數(shù) 字切片圖像拼接的前提條件。數(shù)字切片的掃描方法主要任務(wù)是對(duì)微動(dòng)平臺(tái)的掃 描運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和自動(dòng)調(diào)焦，上位機(jī)系統(tǒng)軟件以1 0 m s 為控制周期，將各個(gè) 軸的控制信號(hào)通過c a n 總線發(fā)送給微動(dòng)控制器。微動(dòng)控制器解析控制命令，并 以1 m s 作為控制周期驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行微動(dòng)平臺(tái)的二維平面掃描運(yùn)動(dòng)和自動(dòng) 調(diào)焦操作。同時(shí)，顯微視覺系統(tǒng)將顯微鏡下的切片內(nèi)容通過攝像機(jī)以顯微圖像 的形式傳遞給上位機(jī)系統(tǒng)軟件，上位機(jī)系統(tǒng)軟件通過控制切片掃描獲得顯微圖 像序列。當(dāng)獲得數(shù)字切片的待拼接圖像后，上位機(jī)軟件將待拼接顯微圖像拼接 成數(shù)字全切片。 7 第二章數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)概述 本章主要通過對(duì)數(shù)字切片掃描系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的介紹分析，引出了本文的研 究環(huán)境和研究背景，本章第二節(jié)分析總結(jié)了數(shù)字切片的關(guān)鍵技術(shù)，引出了本文 的主要研究內(nèi)容：面向全切片掃描方法和全切片圖像拼接方法。 2 1 1 數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 數(shù)字切片掃描系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)字切片的掃描與拼接，數(shù)字切片的掃描是數(shù) 字切片掃描系統(tǒng)的難點(diǎn)。切片掃描是在光學(xué)顯微鏡2 0 或4 0 物鏡下進(jìn)行的圖 像掃描，圖像掃描時(shí)相鄰圖像間具有一定的重疊，數(shù)字切片掃描平臺(tái)必須保持 高精度高穩(wěn)定性的運(yùn)動(dòng)才能保證相鄰圖像間有穩(wěn)定的重疊區(qū)域，這樣_ 才能滿足 圖像拼接的圖像重疊度要求。 數(shù)字切片掃描系統(tǒng)在進(jìn)行大范圍切片掃描時(shí)，由于掃描的空間的跨度大， 切片不同區(qū)域的焦平面不一致，圖像會(huì)發(fā)生不同程度的離焦，圖像掃描過程中 的自動(dòng)調(diào)焦不可缺少。在掃描過程中自動(dòng)調(diào)焦，可以確保數(shù)字切片內(nèi)容的清晰。 在b a c u s 實(shí)驗(yàn)室研制的虛擬顯微鏡系統(tǒng)【l ，在切片掃描過程中需要人為參與自 動(dòng)調(diào)焦，在4 0 倍物鏡下，掃描一幅宮頸檢查涂片的全切片需要5 個(gè)小時(shí)的時(shí)間， 缺少了自動(dòng)調(diào)焦就不能實(shí)現(xiàn)切片的自動(dòng)化掃描。 數(shù)字切片掃描系統(tǒng)通過規(guī)劃微動(dòng)平臺(tái)的二維的掃描運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)的 調(diào)焦機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)切片的全自動(dòng)掃描方法。其微動(dòng)平臺(tái)的平面掃描和自動(dòng)調(diào)焦的 機(jī)械部分是圖像掃描環(huán)節(jié)的重要組成部分，下面對(duì)微動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行介 紹。 數(shù)字切片掃描的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括微動(dòng)平臺(tái)和自動(dòng)調(diào)焦裝置兩部分，如圖 2 2 所示。微動(dòng)平臺(tái)由兩個(gè)正交的運(yùn)動(dòng)軸組成，具有x 、y 兩個(gè)平動(dòng)自由度，每 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都通過高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密絲杠，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠上的滑塊在 導(dǎo)軌上作直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)玻璃切片沿x 、y 方向運(yùn)動(dòng)。顯微鏡的自動(dòng)調(diào)焦裝 置由另一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸控制，該裝置通過控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)固定于顯微鏡準(zhǔn)焦螺旋 上的軸套旋轉(zhuǎn)，提供高精度的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦操作。 數(shù)字切片系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)直接影響了微動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度，機(jī)械結(jié)構(gòu)中的 高精密絲杠的加工精度越高，微動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差越小，數(shù)字切片掃描越穩(wěn)定。 8 第二章數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)概述 自動(dòng) 調(diào)焦 裝置 圖2 2 數(shù)字切片自動(dòng)掃描平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 2 1 2 數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)字切片掃描系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是整個(gè)切片掃描系統(tǒng)的管理者，它協(xié)調(diào)微 動(dòng)平臺(tái)的x 軸、y 軸平面運(yùn)動(dòng)、調(diào)焦轉(zhuǎn)動(dòng)與顯微視覺系統(tǒng)獲得數(shù)字切片拼接的 原始待拼接的序列圖像。同時(shí)啟動(dòng)數(shù)字切片圖像拼接方法，實(shí)現(xiàn)“邊掃描邊拼 接”的在線數(shù)字切片拼接功能，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2 3 所示。 圖2 3 數(shù)字切片掃描系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)字切片掃描系統(tǒng)軟件采用模塊化軟件設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為運(yùn)動(dòng) 控制模塊、圖像管理模塊、圖像處理模塊和圖像拼接模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊、圖 像管理模塊、圖像處理模塊相互獨(dú)立，圖像拼接模塊管理協(xié)調(diào)圖像掃描與圖像 9 第二章數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)概述 拼接完成圖像拼接的復(fù)雜任務(wù)。 數(shù)字切片掃描拼接分為切片的掃描與數(shù)字切片拼接兩個(gè)部分。圖像掃描設(shè) 計(jì)掃描路徑，調(diào)用運(yùn)動(dòng)模塊的軌跡規(guī)劃層接口控制平臺(tái)做掃描運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)調(diào)焦 運(yùn)動(dòng)，再調(diào)用圖像管理模塊獲取顯微圖像保存到磁盤，完成圖像掃描的任務(wù)。 圖像拼接以掃描模塊掃描保存的圖像作為待拼接圖像，通過調(diào)用圖像處理模塊 進(jìn)行圖像計(jì)算實(shí)現(xiàn)圖像的無縫拼接。下面簡要介紹一下各個(gè)模塊的功能： 運(yùn)動(dòng)控制模塊 運(yùn)動(dòng)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)x 軸、y 軸、調(diào)焦軸的點(diǎn)動(dòng)或連動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng) 控制模塊劃分為軌跡規(guī)劃層和運(yùn)動(dòng)接口層。 軌跡規(guī)劃層根據(jù)所期待的運(yùn)動(dòng)軌跡，規(guī)劃出運(yùn)動(dòng)軸的速度曲線。軌跡規(guī)劃 控制周期為1 0 r e s ，計(jì)算出1 0 m s 內(nèi)各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)軌跡規(guī)劃層對(duì)運(yùn)動(dòng)速 度進(jìn)行二次規(guī)劃，計(jì)算出下位機(jī)控制周期( 1 m s ) 的速度值，然后通過運(yùn)動(dòng)接口層 接口下發(fā)給微動(dòng)控制器。 運(yùn)動(dòng)接口層是上位機(jī)系統(tǒng)與微動(dòng)控制器的銜接部分，其主要功能主要為： 一方面，提供宏觀速度( m s ) 與速度系數(shù)( 用于微動(dòng)控制器中的變頻脈沖發(fā)生 器) 的轉(zhuǎn)換的接口；另一方面，與下位機(jī)的電機(jī)控制板通過c a n 總線進(jìn)行數(shù)據(jù) 通信，從而實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃層規(guī)劃速度的下發(fā)控制和微動(dòng)控制器的位置、狀態(tài)等 信息的反饋信息的讀取與解析。 圖像管理模塊 圖像管理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)彩色攝像機(jī)的管理工作，包括彩色攝像機(jī)的初始 化、攝像頭參數(shù)的設(shè)置、顯微圖像的獲取和顯微視野顯示等工作。該在圖像掃 描時(shí)，通過圖像管理模塊獲取顯微圖像并保存為待拼接圖像。 圖像處理模塊 圖像處理模塊主要負(fù)責(zé)圖像處理的各個(gè)任務(wù)，通過圖像處理的模塊從顯微 視覺系統(tǒng)獲得顯微圖像的各種有用信息，如圖像的s i f t 特征提取、空白圖像的 檢測(cè)以、調(diào)焦過程中圖像清晰測(cè)度的求取、圖像預(yù)處理等功能。 掃描拼接模塊 圖像掃描拼接模塊是整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的模塊，主要負(fù)責(zé)圖像掃描和圖像拼 接的任務(wù)。圖像掃描部分主要負(fù)責(zé)掃描路徑的規(guī)劃、掃描保存序列圖像以及掃 描過程中的自動(dòng)調(diào)焦。圖像掃描與圖像拼接是并行執(zhí)行的，通過同步方法確保 圖像拼接所需的待拼接圖像已經(jīng)掃描且保存。圖像拼接則以圖像掃描完成的圖 1 0 第二章數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)概述 像作為待拼接圖像，采用s i f t 特征匹配的方法進(jìn)行相鄰圖像的配準(zhǔn)、采用圖的 深度優(yōu)先遍歷的方法確定圖像的全局位置，并且將數(shù)字全切片圖像分成圖像矩 陣來保存。 2 1 3 數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的微動(dòng)控制硬件結(jié)構(gòu) 數(shù)字切片系統(tǒng)一方面需要一個(gè)好的圖像拼接方法來完成海量的顯微圖像序 列的圖像拼接，另一方面，圖像拼接所需要的覆蓋全切片范圍的海量的顯微圖 像序列的獲取也是研究的難點(diǎn)。通常，數(shù)字切片掃描是通過微動(dòng)載物平臺(tái)的高 精度的二維掃描運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。 本文中，微動(dòng)載物平臺(tái)的微動(dòng)控制器采用c a n 總線方式進(jìn)行上位機(jī)與下位 機(jī)控制數(shù)據(jù)的通信，上位機(jī)定時(shí)讀寫c a n 卡，給電機(jī)控制板發(fā)送速度數(shù)據(jù)控制 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。c a n 總線結(jié)構(gòu)的微動(dòng)控制通信方案具有較強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性【l 引，圖2 4 為數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的微動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)添加或者減少電機(jī)時(shí)， 只需要在c a n 總線上添加或減少電機(jī)控制板就能實(shí)現(xiàn)微動(dòng)控制器的擴(kuò)展。這種 控制方案之所以能夠取代微操作機(jī)器人的基于u s b 總線微動(dòng)控制方案，是因?yàn)?基于u s b 總線的微動(dòng)控制方案具有擴(kuò)展性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，當(dāng)擴(kuò)展控制器控制規(guī)模 時(shí)，該方案需要重新編寫多軸控制板程序才能實(shí)現(xiàn)控制器的擴(kuò)展。下面將詳細(xì) 介紹c a n 總線方式微動(dòng)控制器控制方案。 圖2 4 數(shù)字切片掃描系統(tǒng)控制器硬件結(jié)構(gòu) 第二章數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)概述 2 1 3 1 微動(dòng)控制器c a n 總線結(jié)構(gòu) c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e r o ) 總線協(xié)議，是i s o 國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信 協(xié)議，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。 c a n 控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平?？偩€電平分為顯性電 平和隱性電平，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化，將消息發(fā)送 給接收方。微動(dòng)控制器的c a n 總線連接如圖2 5 所示。 j ” 0 。 。 e 肄囂 毫段籀磷數(shù)a e i l l e 燃 ； c c 矗辯l l e a 醪玨 奄瓿鍶磷扳b c a l l 圖2 5 微動(dòng)控制器的c a n 總線連接圖 2 1 3 2 電機(jī)控制板結(jié)構(gòu) 電機(jī)控制板包括兩部分：核心板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，電機(jī)控制板的兩部分結(jié)構(gòu) 如圖2 6 所示。 核心板d s p 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 圖2 6 電機(jī)控制板結(jié)構(gòu)圖 其中，核心板主要由d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 、存儲(chǔ)器芯片、c a n 總線模塊 和相關(guān)的邏輯芯片組成，其主要功能包括兩個(gè)方面：一方面，通過c a n 總線完 成上位機(jī)運(yùn)動(dòng)命令數(shù)據(jù)包的接收和下位機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)包的上傳；另一方面，用于 1 2 第二章數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)概述 產(chǎn)生控制電機(jī)的p w m 。其核心是變頻脈沖發(fā)生器，它負(fù)責(zé)將上位機(jī)發(fā)送過來的 速度系數(shù)轉(zhuǎn)換為電機(jī)控制的控制信號(hào)s t e p ，該信號(hào)的頻率與電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度 成j 下比。 在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，變頻脈沖發(fā)生器使用了一個(gè)向下計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器對(duì)速度 寄存器中的數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)。速度系數(shù)數(shù)值越大，s t e p 脈沖輸出的頻率越小，電 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越慢。且當(dāng)向速度寄存器中寫入o 時(shí)，變頻脈沖發(fā)生器不輸出脈 沖。 s t e p 脈沖的頻率與速度寄存器中的速度值的關(guān)系為 知2 萄 ( 2 1 ) 其中五伽為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率，k 為寫入計(jì)數(shù)器中的速度值，石卿為s t e p 脈沖頻率。微動(dòng)控制器實(shí)際使用中，目前設(shè)定的以。為1 0 m h z 。當(dāng)k = 0 時(shí)，石聊 = o o 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板主要完成步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制和功率放大功能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展 板收到來自核心板的p w m ，通過p w m 控制步進(jìn)電機(jī)的定子繞組中電流的變化 控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)控制采用了基于脈沖信號(hào)的細(xì)分控制，要控制步進(jìn)電 機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，需要發(fā)送5 0 8 0 0 個(gè)s t e p 脈沖來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 數(shù)字切片系統(tǒng)的微動(dòng)平臺(tái)包含兩種運(yùn)動(dòng)方式：方式一，微動(dòng)平臺(tái)的x 軸、y 軸是通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠的直線運(yùn)動(dòng)；方式二，微動(dòng)平臺(tái)的調(diào)焦方式是步進(jìn) 電機(jī)帶動(dòng)正置顯微鏡的細(xì)準(zhǔn)焦旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)平臺(tái)在z 方向的運(yùn)動(dòng)。 微動(dòng)平臺(tái)的x 軸和y 軸選用的螺距為l m m ，那么，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，微動(dòng)平 臺(tái)的滑塊直線運(yùn)動(dòng)l m m ，顯微鏡的細(xì)準(zhǔn)焦旋鈕旋轉(zhuǎn)一周平臺(tái)在z 方向上只運(yùn)動(dòng) 0 2 m m 。那么當(dāng)選用螺距為甌所的絲桿時(shí)，滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)速度為 v = 爭c a m s ， 汜2 ) 將( 2 1 ) 代入到( 2 2 ) ，則 i 墨! 型蘭五鯉k 0 1 ，= 1 0 1 6 0 0 ( k + 1 ) 【o k = 0 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 為上位機(jī)運(yùn)動(dòng)接口層進(jìn)行宏觀速度和速度系數(shù)轉(zhuǎn)換的關(guān)系。 1 3 第二章數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)概述 當(dāng)選用不同螺距的絲杠來驅(qū)動(dòng)滑塊時(shí)，宏觀速度與速度系數(shù)的關(guān)系將會(huì)改 變。從以上的微動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)可以看出，該結(jié)構(gòu)的微動(dòng)控制器具有較強(qiáng)的擴(kuò) 展性，所以，數(shù)字切片掃描系統(tǒng)的軟件應(yīng)該隨著微動(dòng)控制器的擴(kuò)展性進(jìn)行相應(yīng) 設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用靈活的系統(tǒng)配置接口，如微動(dòng)平臺(tái)的各個(gè)軸的絲桿 的螺距和微動(dòng)平臺(tái)當(dāng)前的電機(jī)數(shù)作為配置參數(shù)進(jìn)行靈活設(shè)置，這樣可以根據(jù)微 動(dòng)平臺(tái)實(shí)際配置靈活配置數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的擴(kuò)展性。 2 1 4 數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的視覺系統(tǒng) 數(shù)字切片掃描系統(tǒng)的成像系統(tǒng)由o l y m p u sb x 4 1 正置顯微鏡、微動(dòng)平臺(tái)、 真彩色高級(jí)c c d 攝像機(jī)和上位計(jì)算機(jī)組成。 圖2 7 所示為數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的顯微成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，玻璃切片放置于 微動(dòng)平臺(tái)載物區(qū)內(nèi)，玻璃切片經(jīng)過顯微鏡成像系統(tǒng)成像在攝像機(jī)c c d 的感光面 上，接著高級(jí)攝像機(jī)將圖像離散化轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像，以標(biāo)準(zhǔn)視頻的方式不斷地 通過u s b 總線傳遞給上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件一方面將獲得的圖像用于圖像處 理，另一方面將獲得的圖像用于顯示在上位機(jī)軟件的視野顯示區(qū)域內(nèi)。 圖2 7 顯微成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第二節(jié)數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 數(shù)字全切片的制作方法如下：首先將玻璃切片固定于微動(dòng)平臺(tái)載物區(qū)，然 后規(guī)劃微動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)路徑，并按照此軌跡控制圖像采集系統(tǒng)采集覆蓋被掃描 區(qū)域的圖像序列，最后，系統(tǒng)通過圖像拼接方法將圖像序列拼接成整張的數(shù)字 切片圖像。 1 4 為了減小圖像掃描給圖像拼接帶來的不良影響，本文針對(duì)切片掃描任務(wù)，深入 研究了全切片掃描方法。同時(shí)，由于在圖像掃描成像過程中玻璃切片會(huì)發(fā)生不 同程度的離焦，因此需要在掃描過程中不斷地進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，來保證待拼接圖 像符合全切片拼接的圖像質(zhì)量要求。 面向全切片的圖像拼接任務(wù)中，待拼接圖像達(dá)到上百張或上千張。全切片 圖像拼接中，解決誤差累計(jì)，提高拼接速度，優(yōu)化內(nèi)存使用，處理掃描過程中 的空白圖像將是本文研究的主要問題。 面向全切片的圖像掃描與圖像拼接方法是本文的主要研究內(nèi)容，圖像掃描 方法與圖像拼接相互聯(lián)系，兩者一起形成數(shù)字切片掃描拼接系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 圖像掃描方法是全切片圖像拼接方法的基礎(chǔ)，在第三章和第四章中將詳細(xì)介紹 圖像掃描方法和圖像拼接方法。 第三節(jié)小結(jié) 本章簡要介紹了數(shù)字切片掃描系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、 微動(dòng)控制器、上位機(jī)軟件系統(tǒng)等組成部分。并且指明了本文的主要研究內(nèi)容： 面向全切片的掃描方法和數(shù)字全切片拼接方法。 1 5 第一節(jié)概述 數(shù)字切片掃描是數(shù)字切片掃描系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，也是數(shù)字切片拼接的 前提。數(shù)字切片掃描不僅要掃描覆蓋切片區(qū)域，而且還要保障掃描獲得的待拼 接顯微圖像清晰、相鄰圖像重疊度穩(wěn)定以滿足圖像拼接的要求。 數(shù)字切片的掃描要求微動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到微米級(jí)精度，本文中使用的 微動(dòng)平臺(tái)的微動(dòng)精度能達(dá)到微米級(jí)精度，但是微動(dòng)平臺(tái)的誤差累積隨著掃描范 圍的增大而增大，從而影響到數(shù)字切片的掃描的穩(wěn)定性。 為了解決掃描過程中的誤差累積的問題，本文采用測(cè)量統(tǒng)計(jì)微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng) 精度規(guī)律的手段，來獲得數(shù)字切片掃描中的誤差補(bǔ)償方案，從而減小全切片圖 像掃中描微動(dòng)平臺(tái)的累積誤差帶來的負(fù)面影響。同時(shí)，微動(dòng)平臺(tái)測(cè)量獲得的微 動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度數(shù)據(jù)也是圖像拼接方法中的硬件平臺(tái)信息，是圖像拼接算法中 的約束條件之一。 面向全切片的圖像掃描中，隨著掃描范圍的增大，顯微圖像不可避免地發(fā) 生離焦的現(xiàn)象。當(dāng)顯微圖像離焦的情況時(shí)，數(shù)字切片圖像掃描需要自動(dòng)調(diào)焦措 施用來保障掃描的獲得的顯微圖像清晰。由于系統(tǒng)對(duì)于掃描拼接的時(shí)間消耗要 求盡可能少，所以盡量降低數(shù)字切片掃描中自動(dòng)調(diào)焦的時(shí)間花費(fèi)是設(shè)計(jì)調(diào)焦方 法考慮的要點(diǎn)。 本文的圖像掃描技術(shù)采用間隔性調(diào)焦的策略，且在每處自動(dòng)調(diào)焦前先預(yù)檢 測(cè)自動(dòng)調(diào)焦條件再進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦以保障自動(dòng)調(diào)焦的成功率。采用這種自動(dòng)調(diào)焦 方法既能保障掃描獲得的待拼接圖像清晰，又能將自動(dòng)調(diào)焦耗時(shí)降低到最小的 限度，以滿足全切片掃描的調(diào)焦耗時(shí)少、獲得待拼接圖像清晰的目標(biāo)要求。 1 6 第二章面向全切片的圖像掃描方法 第二節(jié)面向全切片圖像掃描方法 3 2 1 切片掃描規(guī)劃 數(shù)字切片掃描范圍根據(jù)用戶的設(shè)定而確定，掃描范圍為覆蓋用戶設(shè)定的區(qū) 域的最小矩形，一般的正常尺寸的玻璃切片，需要進(jìn)行掃描的區(qū)域約為l c m l c m 。將選擇的矩形區(qū)域分割成大小等同于當(dāng)前屏幕視野的一組單元格，掃描路 - l ri rrr上 ， 11 111上l u 上1 i_lr li i 1 7 互正交，水平面的兩個(gè)關(guān)節(jié)分別命名為x 軸、y 軸，z 軸與x y 平面垂直，其 中，z 軸主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦工作。 圖3 2 切片掃描系統(tǒng)與坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)圖 圖3 2 為數(shù)字切片掃描系統(tǒng)的實(shí)物圖與系