显微三维光场成像信息获取技术的研究

邢　娜，费　磊，曹　灿

（1.黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨 150090；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150020）



显微三维光场成像信息获取技术的研究

邢娜1，2，费磊1，2，曹灿1

（1.黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨 150090；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150020）

摘要：从传统立体视觉出发，提出单物镜红蓝双小孔获取微观动态样品的立体像对，并采用相位匹配算法重构了场景的三维模型。搭建光场显微镜，获取了显微光场数据，对光场数据进行计算机处理和光学投影再现，从而实现对微观样品的计算机三维再现，实现了获取大景深和高信噪比的图像，精度可达到μ级

关键词：显微；光场成像；三维信息获取

随着科技的进步和人们对微观事物的不断认知，静态二维图像已不能满足科学家的研究需要，动态三维信息的获取受到越来越多的关注。光场是表征三维空间中光线位置和角度的四维函数，光场数据包含了场景的三维信息。光场成像技术是一种计算成像技术，包含光场数据的采集和光场数据的处理。在显微领域采集光场数据，可实现对显微三维信息的记录。

1　显微三维信息获取

目前常用的小视场显微三维信息获取方式主要有双目显微镜、共聚焦显微镜、全息显微术［1］和集成成像系统。

集成成像，是一种基于三维场景多视角信息的三维信息获取和显示技术，将微透镜以阵列形式集成在成像器件上，从而获取一系列二维单元图像，各单元图像均有其相对应的微透镜对物体不同视角成像的角度信息，通过微透镜阵列的角度——深度信息转换，就可以获得被观测体的三维信息［2-3］。与其他几种技术相比，集成成像以其成本低、结构简单、无须相干光源、可一次完成对样本不同视角的取像等特点，被广泛应用于物体三维信息获取领域。

2　光场成像

光场成像属于计算成像的范畴，由光场获取和光场处理两部分组成。通过光学结构设计获取三维场景的光场，用计算机算法处理获取到的光场，可得到诸多传统光学成像没有的特点，是对传统成像系统的新突破。光场显微镜是光场成像技术在显微领域的应用，将微透镜阵列添加至显微镜光路中，CCD置于微透镜阵列后方记录到的样品光场。通过计算机处理，可一次得到样品不同视角所成的像和对焦在样品不同深度的像，突破了传统光学显微镜只能成一个视角图像的局限和景深小的缺陷［4］。

光场成像技术具有一体化、灵活化的特点，其在目标的多维特性探测与识别领域尤其适用。在科学研究、工业检测、农业生产、医疗影像、环境监测和军事侦察等各领域具有广阔的应用前景。

3　关键技术

双目立体匹配技术通过对人眼的模拟，将从两个视角获取的三维场景立体像对进行匹配处理，还原三维场景的景深，从而得到三维模型。从显微尺度获取样品的立体像对有很大的难度，传统体视显微镜方法是通过两个物镜从不同视角获取物体成像，存在结构复杂、体积大、无法实现高倍率放大的缺点。单物镜双小孔光阑显微系统有效的解决了这些问题，采用双小孔方式置于物镜出瞳处，每个小孔从不同的特定视角对样品成像，但由于两小孔同时成像到同一块CCD区域，致使无法分开两图像。

图1 红蓝双小孔获取红蓝不同视角原理图Fig.1 Schematic diagramdouble of double holes for red and blue different angle of view

本文提出了基于单物镜红蓝双小孔的显微三维获取技术。将双小孔光阑放置于显微物镜光阑位置，并分别用红、蓝滤光片覆盖两小孔，如图1所示。红色滤光片只有红光可以通过，蓝色滤光片只有蓝光可以通过，且红蓝滤光片的透过光谱无重叠区域。当照明采用白光时，红光将通过红色滤光片覆盖的小孔，蓝光将通过用蓝色滤光片覆盖的小孔。双小孔对样品成不同张角，从而两小孔成不同视角图像，其原理与双小孔成双视角相同。不同的是在本系统中，可得到红、蓝两色不同视角图片。采用彩色CCD接收时，可通过红绿蓝（RGB）三基元色图层分别记录红色视角图像、空白和蓝色视角图像，分别对红、蓝图层图像进行提取，就获得了样品两个不同视角的像［5］。该立体像对从一个单幅图像中分离获得，仅需单次拍摄，两图像间无时间间隔，可以对动态样品进行立体成像，而不需要分时照明，也就不需要特殊机械结构的双小孔或照明光路，从而使系统结构得以简化。

光场成像技术包括光学和计算机图形学，通过光学手段现实光场获取，再经计算机处理还原三维场景，其工作流程如图2所示。

图2 光场成像工作流程图Fig.2 Flow chart of light field imaging

基于相位匹配原理，为分别对两立体像对做傅里叶变换，在频谱域对两图像做辅角相关并计算出精确度小于1/50像素的图像影纹波动，获得立体像对的视差图，实现图像的精确配准。同时采用相位匹配算法对得到的立体像对进行匹配，重构样品的三维模型。

4　小结

本文对小视场三维显微原理进行了研究，从基于光场成像技术出发，提出单物镜红蓝双小孔显微系统获取微观动态样品的立体像对，并通过相位匹配算法重构了样品的三维模型。实现通过一次拍照就可获得样品三维点云数据。这种方法能够同时获得大景深和高信噪比的图像，提高了测量精度，也能够有效解决传统双目显微镜不能实现高倍放大的问题，具有广泛的通用性。

参考文献：

［1］王华英，张志会，廖徽，等.像面数字全息显微中的相位解包裹算法研究［J］.光电子·激光，2012，23（2）：402-407.

［2］顾兆泰，匡翠方，郑臻荣，等.共聚焦光寿命显微系统［J］.光电子·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］戴志华.基于光场显微三维信息获取与再现［D］.天津：南开大学，2013.

［5］阮龙.基于微透镜型光场成像数据获取及深度信息提取研究［D］. 郑州：郑州大学，2014.

中图分类号：TP391.4

文献标志码：A

文章编号：1674-8646（2016）10-0042-02

收稿日期：2016-04-12

作者简介：邢娜（1985-），女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，助理研究员，从事信号与信息系统研究。

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