CN101526669B - 一种可用于染色体和病理玻片的显微镜拍摄成像装置及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可同时用于染色体和病理的显微镜拍摄成像装置及其成像方法，其滤光组件包括位于光源与玻片之间用于调节光源颜色的第一滤光组件，以及位于所述适配镜与所述彩色数字摄像机之间的第二滤光组件，第一滤光组件主要由有滤光作用的滤光片组成，在拍摄黑白图像的染色体玻片时，使用绿光通过的滤光片，使彩色数字摄像机只拍摄到绿色的光；在拍摄彩色图像的病理玻片时，则直接使用所述白色光源，所述第二滤光组件为红外截止滤光片。本发明优点为：只需用一个彩色数字摄像机，实现对成像要求不同的染色体玻片黑白成像和病理玻片彩色成像功能，结构简单，针对两种不同需求的使用环境进行装置切换的操作简易，成本低，容易实现。

Description

一种可用于染色体和病理玻片的显微镜拍摄成像装置及其成像方法

技术领域

本发明涉及显微镜拍摄成像技术，特别涉及到通过摄像机拍摄显微镜的彩色和黑白成像，黑白图像的灰度拉伸、变换技术。

背景技术

在现有的显微镜成像装置中，因为各种应用领域侧重点不同，对成像的要求也各不相同。病理玻片侧重于成像的分辨率与色彩还原度；染色体玻片对成像的分辨率要求不高而且不需要颜色表现，但比较注重灰阶的表现能力。为了满足上述需求，现有的病理成像装置中，使用的是彩色摄像机；而染色体成像装置中，使用的是黑白摄像机，两者不能兼容。若在病理彩色成像装置上观察染色体，图像数据上每个点都是由红、绿、蓝三种颜色分量组合而成，由于CCD或CMOS感光器的像素排列是如图1所示，感光器上每个像素点只有红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色的其中之一是当前采集到的数值，其余两种颜色是通过该点相邻的感光点获取的数值来计算插值。如图1，在图像数据第n个像素点的数值为V(n)，图像宽为w个像素点，则该点的图像数据的组成是：

红色：R＝V(n)，

绿色：G＝(V(n-1)+V(n+1)+V(n-w)+V(n+w))/4，

蓝色：B＝(V(n-w-1)+V(n-w+1)+V(n+w-1)+V(n+w+1))/4，

(其余像素点类推)。通过亮度计算公式，把彩色图像数据转换成黑白灰度值为：Y＝0.299R+0.587G+0.114B。由以上步骤可以看出，用这种方法通过把彩色图像转换为黑白图像形成黑白成像的染色体图像，因为每个点的亮度(灰度)都由该点的RGB值换算而来，而该RGB值有三分之二是通过相邻的其他点的值计算而来，所以该点的灰度值必定受到相邻点的影响，降低了图像的灰阶表现能力，而且彩色图像的色彩插值以及向灰度图像的转换过程中需要大量开销。若用黑白的染色体成像系统来观测病理，则因为使用的是黑白摄像机，没办法表现出病理玻片中的不同颜色。通常在医学和生物检验、观察和教学等领域中，经常会有涉及到上述彩色和黑白成像的应用。在不同的应用中，分别使用彩色和黑白的摄像机，切换、操作和使用都很不方便，使用具有局限性，而且成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单，方便切换，操作简易，能保持图像质量，同时满足彩色病理和黑白染色体显微镜拍摄成像的装置。

本发明的另一目的在于提供上述同时满足彩色病理和黑白染色体显微镜拍摄成像的装置的成像采集方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种可同时用于染色体和病理的显微镜拍摄成像装置，包括彩色数字摄像机、具有白色光源的光学显微镜、显微镜与摄像机间的适配镜、主机设备和滤光组件，彩色数字摄像机安装于显微镜上，通过数据接口与主机设备连接，主机设备通过该接口控制摄像机拍摄区域、采集方式、各个颜色通道增益、快门，图像数据通过该接口传送给主机设备，所述滤光组件包括位于光源与玻片之间用于调节光源颜色的第一滤光组件，以及位于所述适配镜与所述彩色数字摄像机之间的第二滤光组件，第一滤光组件主要由有滤光作用的滤光片组成，在拍摄黑白图像的染色体玻片时，使用第一滤光组件，使所述彩色数字摄像机只拍摄到用于黑白处理的单色光；在拍摄彩色图像的病理玻片时，移去第一滤光组件即可。

所述第一滤光组件主要由可切换的绿光通过滤光片组成，所述第二滤光组件为能隔绝光源所含的红外光且降低红外光对彩色图像色彩真实度的影响的红外截止滤光片。

所述的主机设备和数字摄像机，在拍摄黑白图像时，主机设备可以发送指令到彩色数字摄像机的传感器，调节拍摄区域、采集模式、快门，设置红色、蓝色通道的增益为0，按需要调节绿色通道的增益用以调节图像的亮度，图像数据传达主机后，通过灰度拉伸和变换等灰度图像处理技术，增强图像的灰阶效果；在拍摄彩色图像时，主机设备可以发送指令到数字摄像机传感器，调节拍摄区域、采集模式、快门，先把各颜色通道增益设置为相同值，通过自动白平衡算法，然后根据自动白平衡运算的到参数分别调节红、绿、蓝三个通道的增益值，达到最接近真实的色彩还原。

所述的数字摄像机指包括CCD图像传感器或CMOS图像传感器以数据、控制接口与主机设备连接的摄像头，该接口可以是USB、1394或CameraLink等，传感器的尺寸可以是2/3寸，1/2寸或1/3寸等。

所述适配镜安装于摄像机与显微镜之间，除了用于适配摄像机与显微镜之间不同的接口，还内含一组透镜，该透镜把显微镜的影像缩小一定的倍数(0.25，0.3，0.5或1)，使影像的尺寸能适合摄像机的传感器的尺寸。

所述显微镜具有各种倍数的物镜，如：5倍、10倍、20倍、40倍、100倍。

所述的主机设备可采用具有能与摄像机对接接口的个人计算机、工控机等。

拍摄的图像数据可以保存在主机设备中，也可以保存在外置的储存设备中。

一种由上述可用于染色体和病理玻片的显微镜拍摄成像装置实现的可同时满足彩色和黑白的显微镜拍摄成像的方法，包括以下步骤：

S101：在拍摄黑白染色体玻片时，使用第一滤光组件；在拍摄彩色病理玻片时，移去第一滤光组件；

S102：启动彩色数字摄像机，设置拍摄区域、采集模式、快门，设置红色、绿色、蓝色通道的增益；

S103：原始的图像数据通过数据接口，送到主机设备，主机设备接收到数据后，根据不同的应用环境，进行相应的插值和图像优化处理；

S104：显示屏幕将摄像机拍摄到的连续影像显示出来；

S105：响应用户拍摄保存指令，保存当前的图像数据。

其中，S102中设置红色、绿色、蓝色通道的增益的方法是：

(1)、在拍摄染色体玻片黑白成像时，第一滤光组件使用的是绿色通过滤光片，相应的摄像机传感器的颜色通道增益设置为：红色和蓝色通道的增益值设置为0；绿色通道根据拍摄的影像的亮度需求设置合适的数值；

(2)在拍摄病理玻片彩色成像时，移出第一滤光组件，使显微镜白色光源直接照射显微镜物镜，相应的摄像机传感器的颜色通道增益设置为：红、绿、蓝三种颜色设为同一数值；通过自动白平衡运算后，分别得到三种颜色增益的修改值，根据该修改值，重新设置摄像机传感器三种颜色的增益值，使图像最接近白色。

其中，步骤S103中的主机设备接收到的原始图像数据为RAW格式的数据，根据不同的应用环境，进行以下相应的处理：

(1)、在拍摄染色体玻片黑白成像时，图像数据中，红、蓝通道的数据都为0，绿色通道的数值直接做为该点的灰度值；若该点为红或蓝色感光点，则该点灰度值为相邻1个像素范围内的绿色感光点数值的平均值，对图像进行灰度拉伸、变换处理，以增强黑白图像的灰阶表现能力；

(2)、在拍摄病理玻片彩色成像时，图像数据中，当前点的色彩值由该点采集的当前感光颜色的数值和相邻1个像素范围内的另外两种颜色的平均值组成。

本发明相对于现有技术具有如下优点及效果：1、本发明只需用一个彩色数字摄像机，实现对成像要求不同的染色体玻片黑白成像和病理玻片彩色成像功能。2、本发明通过滤光组件和设置摄像机传感器各种颜色通道增益值，利用摄像机传感器绿色感光点占比例高的特点，降低插值的次数，并且消除了传统方法从彩色图像提取亮度值来转换成黑白图像过程中运算的误差导致灰度偏差，使彩色传感器也能让注重灰阶表现能力的黑白图像更加清晰反映出染色体条带的明暗分布，与传统方法用彩色图像通过提取亮度值的运算来转换黑白图像相比，灰阶图像的质量有明显提高，而且效率也明显提升。3、本发明通过自动白平衡算法，分别调节摄像机传感器各个颜色通道的增益值，使彩色图像更接近现实、还原真实。4、本发明结构简单，针对两种不同需求的使用环境进行装置切换的操作简易，成本低，容易实现。

附图说明

图1是数字摄像机感光器示意图；

图2是黑白成像图像数据分布示意图；

图3是彩色成像图像数据分布示意图；

图4是本发明显微成像装置的结构示意图；

图5是由图4所示装置实现的成像方法的操作流程图。

具体实施方式

下面结合实施里及附图对本发明作进一步详细描述。

图4展示了本发明显微镜成像装置的具体结构，由图4可见，本装置包括彩色数字摄像机1、适配镜2、带白色光源4的显微镜3、第一滤光组件5、第二滤光组件6和主机设备7，第一滤光组件5位于显微镜3的光源与载物台玻片之间，拍摄染色体玻片黑白成像时为绿光通过滤光片，用于阻隔绿色以外的光线投射到玻片上；拍摄病理玻片彩色成像时移开绿光通过滤光片换上高透镜或让光源直接投射玻片。彩色数字摄像机1通过适配镜2与显微镜3对接，所述的适配镜2具有一定缩小倍数的透镜，透镜的倍数根据彩色数字摄像机1上感光器的尺寸和成像尺寸来确定，可以是0.25，0.3，0.5或1等倍数。彩色数字摄像机1与适配镜2之间装有第二滤光组件6，第二滤光组件6是由红外截止滤光片组成，在成像过程中，用于阻隔光源的红外光，以减低或消除红外光对彩色数字摄像机1传感器成像时的影响。彩色数字摄像机1是一个具有彩色CCD或CMOS传感器的数字摄像机，该彩色数字摄像机1使用USB或1394、CameraLink等数据接口8，通过电缆与主机设备7相连。所述主机设备7为计算机。拍摄到的图像数据可以保存在计算机的储存设备中，也可以保存在外置的储存设备中。

由上述显微镜拍摄成像装置实现的能同时用于染色体和病理的显微镜拍摄成像方法如图5所示，包括下述步骤：

S101根据使用环境调换第一滤光组件5，拍摄黑白染色体玻片时，使用绿光通过滤光片；拍摄彩色病理玻片时，移出绿光通过滤光片，直接使用白色光源；

S102启动彩色数字摄像机1，设置拍摄区域、采集模式、快门，根据不同使用场合设置红色、绿色、蓝色通道的增益；

S103原始的图像数据通过数据接口，送到计算机，接收到数据后，根据不同的应用场合，进行相应的插值和图像优化处理。

S104计算机的显示屏幕将从摄像机拍摄到影像连续的显示出来。

S105响应用户的拍摄保存指令，把摄像机拍摄到的图像数据保存在计算机的储存设备当中。

其中，S102的摄像机根据不同使用场合设置红、绿、蓝通道增益的方法的具体过程如下：

(1)在拍摄染色体玻片黑白成像时，第一滤光组件5使用的是绿色通过滤光片，计算机对摄像头的感光器中，红色、蓝色通道的增益值对应的寄存器地址写入0；绿色通道增益值根据拍摄的影像的亮度需求向对应的寄存器地址写入合适的数值，范围由0至255；

(2)在拍摄病理玻片彩色成像时，第一滤光组件5移出滤光片，使显微镜3的白色光源4直接照射显微镜物镜。先设置摄像机传感器的全局颜色增益为同一数值，即根据亮度需求把全局颜色增益对应寄存器写入该数值，或分别对传感器中红、绿、蓝三种颜色增益的寄存器写入同一增益值，该值范围由0至255。然后计算机以当前采集的图像为参考，通过自动白平衡运算后，分别得到三种颜色增益的修改值，根据该修改值，重新设置摄像机传感器三种颜色的增益值，使图像最接近白色。

其中，S103步骤中，计算机接收到数据后，根据不同的应用场合，进行相应的插值和图像优化处理的方法的具体过程如下：

(1)在拍摄染色体玻片黑白成像时，由于摄像机传感器中红色、蓝色通道的增益已设置为0。因此，图像数据中，红、蓝通道的数据都为0，绿色通道的数值直接作为该点的灰度值；若该点对应为红色或蓝色感光点，则在灰度图像数据中，该点灰度值为相邻1个像素范围内的绿色感光点数值的平均值，以该平均值替换原图像数据中红色点和蓝色位置像素的灰度数值。如图2：在原始图像数据中，设位于第n个像素点的灰度值为G(n)，该点原始数据为V(n)，采像宽度为w个像素，当n对应为绿色感光点时，该像素点的灰度值为当前值；当n对应为红色或蓝色感光点，原始数据中该点数值为0，则该点灰度值

G(n)＝(V(n-1)+V(n+1)+V(n-w)+V(n+w))/4

位于边缘行或列上的像素平均值的计算是以该点相邻一个像素范围内像素的和除以相邻像素点的个数。

对图像进行灰度拉伸、变换处理，以增强黑白图像的灰阶表现能力。

(2)在拍摄病理玻片彩色成像时，图像数据中，当前点的色彩值由该点采集的当前感光颜色的数值和相邻像素的另外两种颜色的平均值组成。如图3：在原始图像数据中，设位于第n个像素点对应为红色感光点，该像素点红、绿、蓝三种颜色分量数值分别为R(n)、G(n)、B(n)，采像宽度为w个像素，原始数据中第n个像素点数值为V(n)，则该像素红色分量数值

R(n)＝V(n)，即当前值；

G(n)＝(V(n-1)+V(n+1)+V(n-w)+V(n+w))/4，即G(n)＝(G1+G2+G3+G4)/4；

B(n)＝(V(n-w-1)+V(n-w+1)+V(n+w-1)+V(n+w+1))/4，即B(n)＝(B1+B2+B3+B4)/4；

其余类推，位于边缘行或列上的像素平均值的计算是以该点相邻一个像素范围内像素的和除以相邻像素点的个数。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可同时用于染色体和病理的显微镜拍摄成像装置，包括彩色数字摄像机、带有白色光源的光学显微镜、显微镜与摄像机间的适配镜、主机设备和滤光组件，彩色数字摄像机安装于显微镜上，通过数据接口与主机设备连接，主机设备通过该接口控制摄像机拍摄区域、采集方式、各个颜色通道增益、快门，图像数据通过该接口传送给主机设备，其特征在于：所述滤光组件包括位于光源与玻片之间用于调节光源颜色的第一滤光组件，以及位于所述适配镜与所述彩色数字摄像机之间的第二滤光组件，第一滤光组件主要由有滤光作用的滤光片组成，在拍摄黑白图像的染色体玻片时，使用第一滤光组件，使所述彩色数字摄像机只拍摄到用于黑白处理的单色光；在拍摄彩色图像的病理玻片时，移去第一滤光组件，所述第一滤光组件主要由可切换的绿光通过滤光片组成，所述第二滤光组件为能隔绝光源所含的红外光且降低红外光对彩色图像色彩真实度的影响的红外截止滤光片。

2.根据权利要求1所述的可同时用于染色体和病理的显微镜拍摄成像装置，其特征在于：所述彩色数字摄像机是指包括数据传输接口，CCD图像传感器或CMOS图像传感器的数字摄像机。

3.根据权利要求1所述的可同时用于染色体和病理的显微镜拍摄成像装置，其特征在于：所述主机设备为计算机或工控机。

4.一种由权利要求1所述的可同时用于染色体和病理的显微镜拍摄成像装置的成像方法，其特征在于：包括下述步骤：

S101：在拍摄黑白染色体玻片时，使用第一滤光组件；在拍摄彩色病理玻片时，移去第一滤光组件；

S102：启动彩色数字摄像机，设置拍摄区域、采集模式、快门，设置红色、绿色、蓝色通道的增益；

S103：原始的图像数据通过数据接口，送到主机设备，主机设备接收到数据后，根据不同的应用环境，进行相应的插值和图像优化处理；

S104：显示屏幕将摄像机拍摄到的连续影像显示出来；

S105：响应用户拍摄保存指令，保存当前的图像数据；

步骤S102中的设置红色、绿色、蓝色通道的增益的方法如下：

(1)在拍摄染色体玻片黑白成像时，第一滤光组件使用的是绿色通过滤光片，相应的摄像机传感器的颜色通道增益设置为：红色和蓝色通道的增益值设置为0；绿色通道根据拍摄的影像的亮度需求设置合适的数值；

(2)在拍摄病理玻片彩色成像时，移去第一滤光组件，使显微镜白色光源直接照射显微镜物镜，相应的摄像机传感器的颜色通道增益设置为：红、绿、蓝三种颜色设为同一数值；通过自动白平衡运算后，分别得到三种颜色增益的修改值，根据该修改值，重新设置摄像机传感器三种颜色的增益值，使图像最接近白色。

5.根据权利要求4所述的可同时用于染色体和病理的显微镜拍摄的成像方法，其特征在于：步骤S103中的主机设备接收到的原始图像数据为RAW格式的数据，根据不同的应用环境，进行以下相应的处理：

(1)在拍摄染色体玻片黑白成像时，图像数据中，红、蓝通道的数据都为0，绿色通道的数值直接做为该点的灰度值；若该点为红或蓝色感光点，则该点灰度值为相邻1个像素范围内的绿色感光点数值的平均值，对图像进行灰度拉伸、变换处理，以增强黑白图像的灰阶表现能力；

(2)在拍摄病理玻片彩色成像时，图像数据中，当前点的色彩值由该点采集的当前感光颜色的数值和相邻1个像素范围内的另外两种颜色的平均值组成。

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