本發(fā)明涉及顯微成像技術(shù)、計算機視覺和計算攝像學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

物體的相位在光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)是一個重要的信息，它可以提供物體的形狀以及密度等信息，光線在穿過無色透明的物體時，并沒有引起強度上的變化，卻往往帶來了相位上的變化。因此相位成像技術(shù)可以通過對相位信息的采集，恢復(fù)重構(gòu)出透明物體的結(jié)構(gòu)或者折射率，從而使無色透明的樣本物體變得清晰可見，具有廣泛的應(yīng)用，是近年來的一個研究熱點。

近年來，各種相位顯微成像技術(shù)被相繼提出，其大致可以分為：干涉相位顯微成像技術(shù)、非相干相位顯微技術(shù)等。其中，干涉相位顯微成像技術(shù)一般需要高度相干的光源，即需要較為復(fù)雜的干涉裝置，且限制了成像系統(tǒng)的空間分辨率和測量精度。

非相干相位顯微技術(shù)并不通過干涉，而是根據(jù)多張采集圖像的強度信息，恢復(fù)出相位信息，其常用的方法為光強傳輸方程法，這種方法可以避免使用復(fù)雜的干涉裝置，但是它往往需要拍攝多張不同的散焦圖像，對其動態(tài)拍攝提出了挑戰(zhàn)，而單張恢復(fù)的方法又往往犧牲了成像系統(tǒng)的空間分辨率。

因此，如何能夠快速且高分辨率地對動態(tài)相位顯微信息進行采集，仍然是一個亟待解決并有重大意義的難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確高分辨率且較快速地對顯微樣本進行動態(tài)采集，并且簡單易行

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例公開了一種基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)，包括：光源產(chǎn)生模塊，所述光源產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生入射的平行光以照射參考圖案；相位調(diào)制模塊，所述相位調(diào)制模塊用于對經(jīng)過所述參考圖案的光進行相位調(diào)制；顯微成像模塊，所述顯微成像模塊用于對經(jīng)過所述參考圖案經(jīng)的出射光線得到參考圖像，所述顯微成像模塊還用于對經(jīng)過所述參考圖案的光進行相位調(diào)制后的出射光線得到動態(tài)視頻；控制模塊，所述控制模塊用于控制所述光源產(chǎn)生模塊、所述相位調(diào)制模塊和所述顯微成像模塊，以根據(jù)所述參考圖像和所述動態(tài)視頻得到動態(tài)的所述相位調(diào)制模塊的相位信息。

根據(jù)本發(fā)明實施例的基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)，通過拍攝不含有樣本的參考圖像以及含有樣本的動態(tài)視頻，即可精確、高分辨率且較快速地對顯微樣本的動態(tài)相位信息進行采集。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)，還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

進一步地，所述參考圖案用于對所述光源產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的平行光進行強度調(diào)制編碼，所述相位調(diào)制模塊用于將帶有所述參考圖案的平行光進行相位編碼。

進一步地，所述顯微成像模塊包括依次設(shè)置的顯微鏡和相機，所述顯微鏡設(shè)置在所述相機和所述相位調(diào)制模塊之間。

進一步地，所述顯微成像模塊的對焦位置靠近所述參考圖案設(shè)置。

進一步地，所述參考圖案和所述相位調(diào)制模塊分別設(shè)在第一移動承載臺上和第二移動承載臺上。

本發(fā)明另一方面實施例提出了一種相位顯微成像的方法，包括上述的基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟：S1：通過所述光源產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的平行光照射所述參考圖案，并經(jīng)過所述顯微成像模塊獲得參考圖像；S2：通過所述光源產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的平行光照射所述參考圖案，并經(jīng)過所述相位調(diào)制模塊調(diào)制后通過所述顯微成像模塊獲得帶有扭曲的動態(tài)視頻；S3：根據(jù)所述動態(tài)視頻的視頻幀和所述參考圖像的每個像素之間的匹配關(guān)系，并根據(jù)建立的光路模型，重構(gòu)還原出動態(tài)的所述相位調(diào)制模塊的相位信息。

根據(jù)本發(fā)明實施例的基于光流的相位顯微成像的方法，可以使用基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)，拍攝獲得不含有樣本的參考圖像以及含有樣本的動態(tài)視頻，從而從中恢復(fù)出顯微樣本的高分辨率動態(tài)相位視頻。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的基于光流的相位顯微成像方法，還可以具有以下附加的技術(shù)特征：

進一步地，所述步驟S3進一步包括：S301：使用光流算法計算所述動態(tài)視頻的每幀圖像與所述參考圖像每個像素點的扭曲值；S302：根據(jù)每個像素點的扭曲值和系統(tǒng)光路模型重構(gòu)還原出動態(tài)的所述相位調(diào)制模塊的相位信息。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明實施例的基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明一個實施例的基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的基于光流的相位顯微成像方法的流程圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發(fā)明的實施例的原理的一些方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的實施例包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。

以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明。

圖1是本發(fā)明實施例的基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)，包括：光源產(chǎn)生模塊110、相位調(diào)制模塊120、顯微成像模塊130和控制模塊140。

其中，光源產(chǎn)生模塊110用于產(chǎn)生入射的平行光以照射參考圖案。在本發(fā)明的一個實施例中，通過縮小顯微鏡光源中的孔徑光圈，為系統(tǒng)提供輸入近似的平行光。在本發(fā)明的另一個實施例中，通過4f系統(tǒng)進行實現(xiàn)。

在本發(fā)明的一個實施例中，參考圖案可以將光源產(chǎn)生模塊提供的平行光進行強度調(diào)制編碼，使其帶有豐富的紋理信息。

相位調(diào)制模塊120用于對經(jīng)過參考圖案的光進行相位調(diào)制。在本發(fā)明的一個實施例中，相位調(diào)制模塊120將帶有參考圖案的平行光進行相位編碼，使其帶有所需采集的樣本的相位信息。

在本發(fā)明的一個實施例中，參考圖案和相位調(diào)制模塊120分別設(shè)在第一移動承載臺上和第二移動承載臺上，參考圖案以及相位調(diào)制模塊120在各個方向進行移動。

顯微成像模塊130用于對經(jīng)過參考圖案經(jīng)的出射光線得到參考圖像，還用于對經(jīng)過參考圖案的光進行相位調(diào)制后的出射光線得到動態(tài)視頻。在本發(fā)明的一個實施例中，顯微成像模塊130包括依次設(shè)置的顯微鏡和相機，顯微鏡設(shè)置在相機和相位調(diào)制模塊120之間。其中，顯微鏡用于將參考圖案以及相位調(diào)制模塊120放大成像于相機；相機用于對輸出的光線進行動態(tài)成像。

在本發(fā)明的一個實施例中，顯微成像模塊130的對焦位置靠近參考圖案設(shè)置，以在保證參考圖案與相位調(diào)制模塊之間的距離的情況下，拍攝獲得較為清晰的動態(tài)扭曲變化的參考圖案。

控制模塊140用于控制光源產(chǎn)生模塊110、相位調(diào)制模塊120和顯微成像模塊130，以根據(jù)參考圖像和動態(tài)視頻得到動態(tài)的相位調(diào)制模塊120的相位信息。

根據(jù)本發(fā)明實施例的基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)，通過拍攝不含有樣本的參考圖像以及含有樣本的動態(tài)視頻，即可精確、高分辨率且較快速地對顯微樣本的動態(tài)相位信息進行采集。

本發(fā)明還公開了一種基于光流的相位顯微成像方法，包括上述實施例的基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)，如圖3所示，方法包括以下步驟：

S1：通過光源產(chǎn)生模塊110產(chǎn)生的平行光照射參考圖案，并經(jīng)過顯微成像模塊130獲得參考圖像。

具體地，如圖2所示，圖2中直線光線為視野內(nèi)無樣本時，一像素點對應(yīng)的光路圖，由于光路中不存在進行相位調(diào)制的相位調(diào)制模塊，因此拍攝獲得的圖像即為被參考圖案強度調(diào)整后無扭曲的參考圖像。該步驟為采集前的預(yù)先準(zhǔn)備工作，拍攝時相機的對焦位置保持在參考圖案附近。

S2：通過光源產(chǎn)生模塊110產(chǎn)生的平行光照射參考圖案，并經(jīng)過相位調(diào)制模塊120調(diào)制后通過顯微成像模塊130獲得帶有扭曲的動態(tài)視頻。

具體地，圖2中折線光線為視野有目標(biāo)樣本時，一像素點對應(yīng)的光路圖，光路中既經(jīng)過了參考圖案進行了強度調(diào)制，也經(jīng)過了相位調(diào)制模塊120進行了相位調(diào)制，因此拍攝獲得的視頻圖像即為經(jīng)過相位調(diào)制的扭曲圖像，只與參考圖像相差一個所需采集的相位信息。該步驟中采集系統(tǒng)的器件空間分布位置以及器件參數(shù)均不能發(fā)生改變，且除了相位調(diào)制模塊120，均需與步驟S1中的位置與參數(shù)保持一致。

S3：根據(jù)動態(tài)視頻的視頻幀和參考圖像的每個像素之間的匹配關(guān)系，并根據(jù)建立的光路模型，重構(gòu)還原出動態(tài)的相位調(diào)制模塊的相位信息。

在本發(fā)明的一個實施例中，步驟S3進一步包括：

S301：使用光流算法計算動態(tài)視頻的每幀圖像與參考圖像每個像素點的扭曲值。

具體地，由于拍攝采集每幀視頻圖像與參考圖像時，光照基本沒有發(fā)生變化，且兩者之間的扭曲變化并不大，因此可以使用光流算法對其匹配對應(yīng)關(guān)系進行求解，問題的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

J(w(x,t))＝E_d(w(x,t))+αE_m(w(x,t))

其中，J(s(x),w(x,t))為最小化的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，E_d(w(x,t))為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的數(shù)據(jù)項，E_m(w(x,t))為扭曲的正則化項。進一步地，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的數(shù)據(jù)項為：

其中，T為求解的視頻幀數(shù)，表示像素坐標(biāo)x的取值范圍，I(x,t)為t時刻下模糊扭曲的視頻幀圖像，0時刻對應(yīng)參考圖像，w(x,t)＝[u(x,t),v(x,t)]為t時刻散焦扭曲視頻幀與清晰無扭曲圖像之間的扭曲大小，為凸的近似L1范數(shù)先驗，ε為一個人為給定很小的正數(shù)。

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的扭曲的正則化項為：

S302：根據(jù)每個像素點的扭曲值和系統(tǒng)光路模型重構(gòu)還原出動態(tài)的相位調(diào)制模塊的相位信息。

另外，本發(fā)明實施例的基于光流的相位顯微成像系統(tǒng)及其方法的其它構(gòu)成以及作用對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。