顯微三維光場成像信息獲取技術(shù)的研究

邢　娜，費(fèi)　磊，曹　燦

（1.黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020）

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顯微三維光場成像信息獲取技術(shù)的研究

邢娜1，2，費(fèi)磊1，2，曹燦1

（1.黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020）

摘要：從傳統(tǒng)立體視覺出發(fā)，提出單物鏡紅藍(lán)雙小孔獲取微觀動態(tài)樣品的立體像對，并采用相位匹配算法重構(gòu)了場景的三維模型。搭建光場顯微鏡，獲取了顯微光場數(shù)據(jù)，對光場數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)處理和光學(xué)投影再現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對微觀樣品的計算機(jī)三維再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了獲取大景深和高信噪比的圖像，精度可達(dá)到μ級

關(guān)鍵詞：顯微；光場成像；三維信息獲取

隨著科技的進(jìn)步和人們對微觀事物的不斷認(rèn)知，靜態(tài)二維圖像已不能滿足科學(xué)家的研究需要，動態(tài)三維信息的獲取受到越來越多的關(guān)注。光場是表征三維空間中光線位置和角度的四維函數(shù)，光場數(shù)據(jù)包含了場景的三維信息。光場成像技術(shù)是一種計算成像技術(shù)，包含光場數(shù)據(jù)的采集和光場數(shù)據(jù)的處理。在顯微領(lǐng)域采集光場數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對顯微三維信息的記錄。

1　顯微三維信息獲取

目前常用的小視場顯微三維信息獲取方式主要有雙目顯微鏡、共聚焦顯微鏡、全息顯微術(shù)［1］和集成成像系統(tǒng)。

集成成像，是一種基于三維場景多視角信息的三維信息獲取和顯示技術(shù)，將微透鏡以陣列形式集成在成像器件上，從而獲取一系列二維單元圖像，各單元圖像均有其相對應(yīng)的微透鏡對物體不同視角成像的角度信息，通過微透鏡陣列的角度——深度信息轉(zhuǎn)換，就可以獲得被觀測體的三維信息［2-3］。與其他幾種技術(shù)相比，集成成像以其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、無須相干光源、可一次完成對樣本不同視角的取像等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于物體三維信息獲取領(lǐng)域。

2　光場成像

光場成像屬于計算成像的范疇，由光場獲取和光場處理兩部分組成。通過光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計獲取三維場景的光場，用計算機(jī)算法處理獲取到的光場，可得到諸多傳統(tǒng)光學(xué)成像沒有的特點(diǎn)，是對傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的新突破。光場顯微鏡是光場成像技術(shù)在顯微領(lǐng)域的應(yīng)用，將微透鏡陣列添加至顯微鏡光路中，CCD置于微透鏡陣列后方記錄到的樣品光場。通過計算機(jī)處理，可一次得到樣品不同視角所成的像和對焦在樣品不同深度的像，突破了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡只能成一個視角圖像的局限和景深小的缺陷［4］。

光場成像技術(shù)具有一體化、靈活化的特點(diǎn)，其在目標(biāo)的多維特性探測與識別領(lǐng)域尤其適用。在科學(xué)研究、工業(yè)檢測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療影像、環(huán)境監(jiān)測和軍事偵察等各領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3　關(guān)鍵技術(shù)

雙目立體匹配技術(shù)通過對人眼的模擬，將從兩個視角獲取的三維場景立體像對進(jìn)行匹配處理，還原三維場景的景深，從而得到三維模型。從顯微尺度獲取樣品的立體像對有很大的難度，傳統(tǒng)體視顯微鏡方法是通過兩個物鏡從不同視角獲取物體成像，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、無法實(shí)現(xiàn)高倍率放大的缺點(diǎn)。單物鏡雙小孔光闌顯微系統(tǒng)有效的解決了這些問題，采用雙小孔方式置于物鏡出瞳處，每個小孔從不同的特定視角對樣品成像，但由于兩小孔同時成像到同一塊CCD區(qū)域，致使無法分開兩圖像。

圖1 紅藍(lán)雙小孔獲取紅藍(lán)不同視角原理圖Fig.1 Schematic diagramdouble of double holes for red and blue different angle of view

本文提出了基于單物鏡紅藍(lán)雙小孔的顯微三維獲取技術(shù)。將雙小孔光闌放置于顯微物鏡光闌位置，并分別用紅、藍(lán)濾光片覆蓋兩小孔，如圖1所示。紅色濾光片只有紅光可以通過，藍(lán)色濾光片只有藍(lán)光可以通過，且紅藍(lán)濾光片的透過光譜無重疊區(qū)域。當(dāng)照明采用白光時，紅光將通過紅色濾光片覆蓋的小孔，藍(lán)光將通過用藍(lán)色濾光片覆蓋的小孔。雙小孔對樣品成不同張角，從而兩小孔成不同視角圖像，其原理與雙小孔成雙視角相同。不同的是在本系統(tǒng)中，可得到紅、藍(lán)兩色不同視角圖片。采用彩色CCD接收時，可通過紅綠藍(lán)（RGB）三基元色圖層分別記錄紅色視角圖像、空白和藍(lán)色視角圖像，分別對紅、藍(lán)圖層圖像進(jìn)行提取，就獲得了樣品兩個不同視角的像［5］。該立體像對從一個單幅圖像中分離獲得，僅需單次拍攝，兩圖像間無時間間隔，可以對動態(tài)樣品進(jìn)行立體成像，而不需要分時照明，也就不需要特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)的雙小孔或照明光路，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡化。

光場成像技術(shù)包括光學(xué)和計算機(jī)圖形學(xué)，通過光學(xué)手段現(xiàn)實(shí)光場獲取，再經(jīng)計算機(jī)處理還原三維場景，其工作流程如圖2所示。

圖2 光場成像工作流程圖Fig.2 Flow chart of light field imaging

基于相位匹配原理，為分別對兩立體像對做傅里葉變換，在頻譜域?qū)蓤D像做輔角相關(guān)并計算出精確度小于1/50像素的圖像影紋波動，獲得立體像對的視差圖，實(shí)現(xiàn)圖像的精確配準(zhǔn)。同時采用相位匹配算法對得到的立體像對進(jìn)行匹配，重構(gòu)樣品的三維模型。

4　小結(jié)

本文對小視場三維顯微原理進(jìn)行了研究，從基于光場成像技術(shù)出發(fā)，提出單物鏡紅藍(lán)雙小孔顯微系統(tǒng)獲取微觀動態(tài)樣品的立體像對，并通過相位匹配算法重構(gòu)了樣品的三維模型。實(shí)現(xiàn)通過一次拍照就可獲得樣品三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這種方法能夠同時獲得大景深和高信噪比的圖像，提高了測量精度，也能夠有效解決傳統(tǒng)雙目顯微鏡不能實(shí)現(xiàn)高倍放大的問題，具有廣泛的通用性。

參考文獻(xiàn)：

［1］王華英，張志會，廖徽，等.像面數(shù)字全息顯微中的相位解包裹算法研究［J］.光電子·激光，2012，23（2）：402-407.

［2］顧兆泰，匡翠方，鄭臻榮，等.共聚焦光壽命顯微系統(tǒng)［J］.光電子·激光，2012，23（8）：1472-1477.

［3］HAO Jin-bo，WANG Xiao-rui，Zhang Jian-qi，et al. Three-dimensional object rotation-tolerant recognition for inte-gral imaging using synthetic discriminant function［J］. Pot. Communication，2013，292（1）：73-77.

［4］戴志華.基于光場顯微三維信息獲取與再現(xiàn)［D］.天津：南開大學(xué)，2013.

［5］阮龍.基于微透鏡型光場成像數(shù)據(jù)獲取及深度信息提取研究［D］. 鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

中圖分類號：TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-8646（2016）10-0042-02

收稿日期：2016-04-12

作者簡介：邢娜（1985-），女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，助理研究員，從事信號與信息系統(tǒng)研究。

Research on acquisition of microscopic three-dimensional information based on light field imaging

XING Na1，2， FEI Lei1，2， CAO Can1
（ 1. Institute of automation， Heilongjiang Academy of Sciences， Harbin 150090 China；2. Institute of advanced technology， Heilongjiang Academy of Sciences， Harbin 150020 China ）

Abstract：Based on binocular vision， single-objective red and blue dual-aperture system is proposed to obtain stereo pair of microscopic dynamic sample，and 3D model of specimen is reconstructed successfully by the use of phase-matching algorithm.Then a light field microscope is set up to capture the light field of specimen.By processing the light field data by computer and optically，we can represented three dimension specimen in computer and the large depth of field and high signal-to-noise ratio of image， precision can reach μ level.

Key words：Microscopy； Light field imaging； Acquisition of 3D information