專利名稱：細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)，為空間細(xì)胞搭載實(shí)驗(yàn)裝置 提供所需的圖像處理平臺(tái)，同時(shí)也可應(yīng)用于其它數(shù)字圖像處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
載人航天的發(fā)展為生命科學(xué)研究拓展了領(lǐng)域。借助于航天中的特殊環(huán)境，可以開展許多生物學(xué)和醫(yī)學(xué)相關(guān)的研究。特別是近10年來，載人航天工程和生物技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了空間生命科學(xué)研究的迅猛發(fā)展。空間站的建立 使得空間動(dòng)物、組織和細(xì)胞的搭載研究成為現(xiàn)實(shí)。以往在太空中從事的生命 科學(xué)實(shí)驗(yàn)主要以人體或動(dòng)物的生理現(xiàn)象觀察為主，這類科學(xué)研究主要使用一些生理指標(biāo)檢測(cè)設(shè)備，研究的層次不夠深入，屬于現(xiàn)象觀察；為了深入闡明 在整體水平上觀察到的一些醫(yī)學(xué)現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理，大鼠和小鼠搭載實(shí)驗(yàn) 步入太空生命科學(xué)研究。通過這些動(dòng)物的搭載實(shí)驗(yàn)，許多失重生理現(xiàn)象的本 質(zhì)在微觀水平得以解釋，如組織細(xì)胞學(xué)機(jī)制。在其基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步深入 研究失重生理效應(yīng)發(fā)生的分子機(jī)理，從分子和基因水平解釋失重環(huán)境誘導(dǎo)的 生理病理改變，在太空中進(jìn)行細(xì)胞搭載實(shí)驗(yàn)逐步受到各國(guó)關(guān)注。特別是在基 因組學(xué)迅猛發(fā)展的時(shí)代背景下，這類研究的層次深度及受關(guān)注度明顯更高， 代表了國(guó)際太空生命科學(xué)研究的前沿和發(fā)展方向。研制空間細(xì)胞搭載實(shí)驗(yàn)裝置將不僅可推動(dòng)我國(guó)在空間生命科學(xué)研究上 的進(jìn)步，縮短與國(guó)際一流水平間的差距，而且借助于這一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以從 事許多臨床藥理學(xué)研究，實(shí)現(xiàn)空間技術(shù)的民用化，服務(wù)于社會(huì)大眾，從而產(chǎn) 生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。圖3給出了空間細(xì)胞搭載實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)框圖，
培養(yǎng)皿11中正常代謝中'的細(xì)胞的圖像信息被顯微鏡頭12放大后，由光纖 陣列13傳輸至CCD15進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。為提高空間分辨率，采用單模光纖。 考慮到CCD的空間分辨率可能不足，光纖輸出的圖像信息進(jìn)入CCD之前 經(jīng)二次鏡頭14放大。由CCD獲取的圖像信息傳輸給細(xì)胞形態(tài)圖像采集處 理系統(tǒng)16進(jìn)行處理?，F(xiàn)有的細(xì)胞形態(tài)圖像釆集處理系統(tǒng)主要是針對(duì)靜態(tài)圖像的采集和處理， 不適合對(duì)正常生長(zhǎng)的細(xì)胞進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)、在線連續(xù)〗現(xiàn)測(cè)和處理，同時(shí)體 積大、重量大，也不適合空間細(xì)胞搭載實(shí)驗(yàn)裝置的體積小、重量輕的需要。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實(shí)現(xiàn)高分辨 率細(xì)胞形態(tài)圖像的實(shí)時(shí)、在線采集和處理的細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)；同 時(shí)還實(shí)現(xiàn)了 一種新穎的細(xì)胞圖像分割方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)采用集成的視頻輸 入處理芯片，以及DSP+FPGA的混合結(jié)構(gòu)，DSP是圖像處理運(yùn)算的核心， 而FPGA是系統(tǒng)邏輯控制的核心，該系統(tǒng)由視頻輸入處理模塊、全局邏輯控 制模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊和圖像數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。視頻輸入處理模塊與 圖像傳感裝置輸出端相連，將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)輸出從模 擬視頻信號(hào)中分離出的同步信號(hào)和像素時(shí)鐘，全局邏輯控制模塊利用該同步 信號(hào)和像素時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)視頻輸入處理模塊的邏輯控制和圖像數(shù)據(jù)緩沖模塊的 讀寫控制；圖像數(shù)據(jù)處理模塊將圖像數(shù)據(jù)緩沖模塊中的圖像數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)模塊，利用 一種基于邊緣檢測(cè)的細(xì)胞圖像分割方法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 最后通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)(1 )本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)高分辨率細(xì)胞形態(tài)圖像的實(shí)時(shí)、在線采集，同時(shí) 實(shí)現(xiàn)了 一種基于邊緣檢測(cè)的細(xì)胞圖像分割方法，該方法不但能保證細(xì)胞邊緣
的精確性，對(duì)細(xì)胞圖像細(xì)節(jié)也能有很好的區(qū)分和分割，尤其適用于背景和目 標(biāo)對(duì)比不是很明顯和具有一定噪聲的細(xì)胞圖像。(2 )此外，本發(fā)明采用了集成的視頻處理芯片及可編程邏輯控制器件， 并選用了具有豐富片上外設(shè)的C6000系列DSP芯片，從而減少了系統(tǒng)的元 件數(shù)目，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，即實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)體積小、重量輕的需要。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的全局邏輯控制模塊示意圖； 圖3為細(xì)胞搭載實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明的工作流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括視頻輸入處理模塊1、全局邏輯控制模塊2、 數(shù)據(jù)緩沖模塊3、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊4、程序存儲(chǔ)模塊5、圖像數(shù)據(jù)處理模塊6 和數(shù)據(jù)傳輸模塊7，視頻輸入處理模塊1與圖像傳感裝置輸出端相連，將模 擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)輸出從模擬視頻信號(hào)中分離出的同步信號(hào) 和像素時(shí)鐘，全局邏輯控制模塊2利用該同步信號(hào)和像素時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)視頻輸入 處理模塊1的邏輯控制和圖像數(shù)據(jù)緩沖模塊3的讀寫控制；圖像數(shù)據(jù)處理模 塊6將圖像數(shù)據(jù)緩沖模塊3中的圖像數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊4，利用 一種基 于邊緣檢測(cè)的細(xì)胞圖像分割方法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后通過數(shù)據(jù)傳輸模 塊7將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。視頻輸入處理模塊1選用Philips公司的視頻解碼芯片SAA7111AHZ, 將CCD輸出的復(fù)合模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為YUV422格式的數(shù)字圖像信號(hào)，同 時(shí)輸出從模擬視頻信號(hào)中分離出的同步信號(hào)和由芯片內(nèi)部的時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn) 生的像素時(shí)鐘。數(shù)據(jù)緩沖模塊3選用ISSI公司的SRAM芯片IS6化V512化實(shí)現(xiàn)，此 款SRAM的存儲(chǔ)空間為8Mbit，存取速度最慢為f2ns,滿足系統(tǒng)的要求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊4選用Micron公司的SDRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 MT48LC8M32B2TG-6,此款SDRAM的存儲(chǔ)空間為256Mbit,可同時(shí)存儲(chǔ) 20幅圖片。程序存儲(chǔ)模塊5選用AMD公司的FLASH ROM程序存儲(chǔ)器 AM29LV160DB-70EC，此款FLASH ROM的存儲(chǔ)空間為16Mbit,存取速度 最慢為70ns，滿足系統(tǒng)的要求。圖像數(shù)據(jù)處理模塊6選用Tl公司的C6000系列DSP芯片 TMS320C6713BGDP225,主頻最高達(dá)225MHz，每時(shí)鐘周期執(zhí)行8條32 位的指令，內(nèi)含8個(gè)并行處理單元和32個(gè)32位的通用寄存器，保證了圖 像處理算法的快速運(yùn)行；內(nèi)核釆用1.2V電源供電，1/0采用3.3V電源供電， 保證了系統(tǒng)的低功耗；27x27mm的272腳BGA封裝節(jié)省了電路板的面積， 保證了系統(tǒng)的小型化。數(shù)據(jù)傳輸模塊7選用Cypress公司的USB2.0功能芯片EZ-USB FX2 CY7C68013,實(shí)現(xiàn)480Mbps傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示，本發(fā)明的全局邏輯控制模塊2選用Altera公司的ACEX1K 系列FPGA芯片EP1K50QC208-3，采用VHDL語言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)視頻輸入 處理的邏輯控制和圖像數(shù)據(jù)緩沖的控制，它包括圖像采集控制模塊8、中斷 管理模塊9和總線切換模塊10,圖像采集控制模塊將視頻輸入處理模塊1 輸出的圖像數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)緩沖模塊3，中斷管理模塊9觸發(fā)圖像數(shù)據(jù)處理 模塊6的讀取數(shù)據(jù)操作，總線切換模塊10將總線的控制權(quán)交給圖像數(shù)據(jù)處 理模塊6，將數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊4。本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理模塊6中圖像數(shù)據(jù)的分析處理采用一種基于邊緣檢 測(cè)的細(xì)胞圖像分割方法，并利用C語言實(shí)現(xiàn)，該方法首先實(shí)現(xiàn)過程為首 先通過局部自適應(yīng)閾值分割算法，對(duì)細(xì)胞圖像進(jìn)行分割，并將圖像二值化， 分為背景和目標(biāo)兩部分，然后再利用輪廓提取算法，挖去細(xì)胞內(nèi)部像素點(diǎn)， 最后剩余部分圖像就是細(xì)胞邊緣。其中局部自適應(yīng)閾值分割算法的基本步驟為將整幅大小為mxn的圖像分為MxN個(gè)子塊，m和n分別為M和N的 整數(shù)倍；計(jì)算其梯度直方圖，即計(jì)算每個(gè)子圖像中像素點(diǎn)的梯度分布；對(duì)每 幅字圖像進(jìn)行OTSU分割。經(jīng)過圖像的分割后，原圖變?yōu)槎祱D像，用3x3 塊的9個(gè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)元素對(duì)該二值圖像進(jìn)行腐蝕，再用該二值圖像減去腐蝕的 圖像，即得到細(xì)胞圖像的邊緣。如圖4所示，本發(fā)發(fā)明的工作流程為系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，圖像 數(shù)據(jù)處理模塊DSP通過16位并行引導(dǎo)方式從外部程序存儲(chǔ)模塊FLASH中 將程序引導(dǎo)入片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，并開始運(yùn)行程序。利用DSP的fC總線接 口模塊，將控制字寫入視頻解碼芯片的寄存器，設(shè)置其工作模式。DSP發(fā) 送開始采樣指令，F(xiàn)PGA利用視頻解碼芯片的相關(guān)信號(hào)對(duì)行、列進(jìn)行計(jì)數(shù)， 送出符合要求分辨率的圖像信號(hào)，并分配地址存儲(chǔ)在SRAM中，當(dāng)一幀圖 像采集完畢后，F(xiàn)PGA產(chǎn)生外部中斷信號(hào)觸發(fā)QDMA操作，將存儲(chǔ)于SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)拷貝至SDRAM等待DSP處理，寫完一幀圖像后發(fā)中斷信號(hào) 通知DSP讀取，DSP執(zhí)行中斷服務(wù)程序從SDRAM中將一幀圖像讀入，利 用 一種基于邊緣檢測(cè)的細(xì)胞圖像分割方法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該方法的步 驟是首先通過局部自適應(yīng)閾值分割算法，對(duì)細(xì)胞圖像進(jìn)行分割，并將圖像二 值化，分為背景和目標(biāo)兩部分，然后再利用輪廓提取算法，挖去細(xì)胞內(nèi)部像 素點(diǎn)，剩余部分圖像就是細(xì)胞邊緣，處理完成后通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸 給上位機(jī)。
權(quán)利要求
1、一種細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)，其特征在于包括視頻輸入處理模塊(1)、全局邏輯控制模塊(2)、數(shù)據(jù)緩沖模塊(3)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(4)、程序存儲(chǔ)模塊(5)、圖像數(shù)據(jù)處理模塊(6)和數(shù)據(jù)傳輸模塊(7)；視頻輸入處理模塊(1)與圖像傳感裝置輸出端相連，將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)輸出從模擬視頻信號(hào)中分離出的同步信號(hào)和像素時(shí)鐘，全局邏輯控制模塊(2)利用該同步信號(hào)和像素時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)視頻輸入處理模塊(1)的邏輯控制和圖像數(shù)據(jù)緩沖模塊(3)的讀寫控制；圖像數(shù)據(jù)處理模塊(6)將圖像數(shù)據(jù)緩沖模塊(3)中的圖像數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(4)，完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)的分析處理，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊(7)將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述的圖像數(shù)據(jù)處理模塊(6)中對(duì)圖像數(shù)據(jù)分析處理方法采用基于邊緣檢 測(cè)的細(xì)胞圖像分割方法，實(shí)現(xiàn)步驟為首先通過局部自適應(yīng)閾值分割算法， 對(duì)細(xì)胞圖像進(jìn)行分割，并將圖像二值化，分為背景和目標(biāo)兩部分；然后再利 用輪廓提取算法，挖去細(xì)胞內(nèi)部像素點(diǎn)；最后剩余部分圖像就是細(xì)胞邊緣。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述的局部自適應(yīng)閾值分割算法的實(shí)現(xiàn)步驟為將整幅大小為mxn的圖像 分為MxN個(gè)子塊，m和n分別為M和N的整數(shù)倍；計(jì)算其梯度直方圖， 即計(jì)算每個(gè)子圖像中像素點(diǎn)的梯度分布；對(duì)每幅字圖像進(jìn)行OTSU分割； 經(jīng)過圖像的分割后，原圖變?yōu)槎祱D像，用3x3塊的9個(gè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)元素對(duì) 該二值圖像進(jìn)行腐蝕，再用該二值圖像減去腐蝕的圖像，即得到細(xì)胞圖像的 邊緣。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述的圖像數(shù)據(jù)處理模塊(6)為Tl公司的C6000系列DSP芯片。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述的全局邏輯控制模塊(2)由FPGA實(shí)現(xiàn)，包括圖像采集控制'模塊(8)、 中斷管理模塊(9)和總線切換模塊(10),圖像采集控制模塊(8)將視 頻輸入處理模塊(1 )輸出的圖像數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)緩沖模塊(3)，中斷管理 模塊(9)觸發(fā)圖像數(shù)據(jù)處理模塊(6)的讀取數(shù)據(jù)操作，總線切換模塊(10) 將總線的控制權(quán)交給圖像數(shù)據(jù)處理模塊(6)，將數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(4 )。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述的數(shù)據(jù)緩沖模塊(3)由SRAM實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(4)由SDRAM 實(shí)現(xiàn)，程序存儲(chǔ)模塊(5)由FLASH ROM實(shí)現(xiàn)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述的視頻輸入處理模塊(1)由集成的視頻解碼芯片實(shí)現(xiàn)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述的數(shù)據(jù)傳輸模塊(7)由通用串行總線實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及細(xì)胞形態(tài)圖像采集處理系統(tǒng)，目的是構(gòu)建空間細(xì)胞搭載實(shí)驗(yàn)裝置所需的圖像處理平臺(tái)。包括視頻輸入處理模塊、全局邏輯控制模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊和圖像數(shù)據(jù)傳輸模塊。所述視頻輸入處理模塊將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)輸出從模擬視頻信號(hào)中分離出的同步信號(hào)和像素時(shí)鐘；所述全局邏輯控制模塊實(shí)現(xiàn)視頻輸入處理的邏輯控制和圖像數(shù)據(jù)緩沖的控制；所述圖像數(shù)據(jù)處理模塊完成細(xì)胞形態(tài)圖像采集以及基于邊緣檢測(cè)的細(xì)胞圖像分割方法；所述圖像數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)之間的快速數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明的特點(diǎn)在于功能集成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程靈活，可實(shí)現(xiàn)高分辨率細(xì)胞形態(tài)圖像的實(shí)時(shí)、在線采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一種新穎的細(xì)胞圖像分割方法。
文檔編號(hào)G06T5/00GK101127839SQ200710120478
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月20日
發(fā)明者游 周, 樊尚春, 邢維巍, 鄭德智 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)