Введение

Обработка изображений, полученных с помощью микроскопа, – это широкий термин, охватывающий применение методов цифровой обработки изображений для обработки, анализа и представления изображений, полученных с микроскопа. Такая обработка широко распространена в различных областях, таких как медицина, биологические исследования, онкология, тестирование лекарственных препаратов, металлургия и другие. Многие производители микроскопов теперь специально разрабатывают функции, обеспечивающие возможность подключения микроскопов к системам обработки изображений.

Получение изображения

До начала 1990-х годов получение изображений в приложениях видеомикроскопии обычно осуществлялось с помощью аналоговых видеокамер, зачастую простых камер видеонаблюдения. Хотя для оцифровки изображений требовалось использование платы видеозахвата, видеокамеры обеспечивали получение изображений с полной частотой кадров (25-30 кадров в секунду), что позволяло осуществлять запись и обработку видео в реальном времени. Несмотря на то, что появление твердотельных детекторов дало ряд преимуществ, в ряде аспектов видеокамера в реальном времени оставалась превосходящей. Сегодня получение изображений обычно выполняется с помощью ПЗС-камеры (CCD), установленной на оптическом пути микроскопа. Камера может быть полноцветной или монохромной. Очень часто используются камеры с очень высоким разрешением для получения максимально возможного объема информации. Криогенное охлаждение также широко применяется для минимизации шума. Цифровые камеры, используемые в этих целях, часто предоставляют данные об интенсивности пикселей с разрешением 12-16 бит, что значительно превышает разрешение, используемое в потребительских устройствах для обработки изображений. Ирония заключается в том, что в последние годы прилагаются значительные усилия для получения данных с видеоскоростью или выше (25-30 кадров в секунду и более). То, что раньше было легко осуществить с помощью стандартных видеокамер, теперь требует специальной высокоскоростной электроники для обработки огромной пропускной способности цифровых данных. Более высокая скорость получения изображений позволяет наблюдать динамические процессы в реальном времени или сохранять их для последующего воспроизведения и анализа. В сочетании с высоким разрешением изображения этот подход может генерировать огромные объемы необработанных данных, с которыми может быть сложно справиться даже современной компьютерной системе. Следует отметить, что хотя современные ПЗС-детекторы позволяют достичь очень высокого разрешения изображения, это часто связано с компромиссом: для заданного размера чипа увеличение количества пикселей приводит к уменьшению их размера. По мере уменьшения пикселей уменьшается их емкость, что снижает количество электронов, которые можно сохранить. В свою очередь, это приводит к ухудшению отношения сигнал/шум. Для достижения наилучших результатов необходимо выбирать подходящий датчик для конкретного применения. Поскольку микроскопические изображения имеют принципиальное ограничение разрешения, часто нет смысла использовать шумный детектор с высоким разрешением для получения изображений. Более скромный детектор с большими пикселями часто может создавать изображения гораздо более высокого качества благодаря снижению шума. Это особенно важно в приложениях с низкой освещенностью, таких как флуоресцентная микроскопия. Кроме того, необходимо учитывать требования к временному разрешению приложения. Детектор с более низким разрешением часто имеет значительно более высокую скорость получения изображений, что позволяет наблюдать более быстрые события. И наоборот, если наблюдаемый объект неподвижен, можно получить изображения с максимально возможным пространственным разрешением, не обращая внимания на время, необходимое для получения одного изображения.

Техники 2D-изображения

Обработка изображений для микроскопических применений начинается с базовых методов, предназначенных для максимально точного воспроизведения информации, содержащейся в микроскопическом образце. Это может включать регулировку яркости и контраста изображения, усреднение изображений для снижения шума и коррекцию неоднородности освещения. Такая обработка включает в себя только элементарные арифметические операции между изображениями (то есть сложение, вычитание, умножение и деление). Большая часть обработки микроскопических изображений выполняется именно таким образом. Другой класс распространенных двухмерных операций, называемых сверткой изображения, часто используется для уменьшения или усиления деталей изображения. Такие алгоритмы "размытия" и "уточнения" в большинстве программ работают путем изменения значения пикселя на основе взвешенной суммы его значения и значений окружающих пикселей (более подробное описание свертки на основе ядра требует отдельного рассмотрения) или путем изменения частотной функции изображения с использованием преобразования Фурье. Большинство методов обработки изображений выполняются в частотной области. К другим базовым двухмерным методам относятся операции, такие как поворот изображения, искажение, цветовой баланс и т.д. В некоторых случаях применяются передовые методы с целью "компенсации" искажений оптического тракта микроскопа, устраняя тем самым искажения и размытие, вызванные аппаратурой. Этот процесс называется деконволюцией, и разработано множество алгоритмов, некоторые из которых обладают высокой математической сложностью. Конечный результат – изображение, значительно более четкое и ясное, чем можно было бы получить только в оптической области. Как правило, это трехмерная операция, которая анализирует объемное изображение (то есть изображения, полученные на различных плоскостях фокусировки через образец) и использует эти данные для реконструкции более точного трехмерного изображения.

Техника 3D-изображения

Еще одно распространенное требование — получение серии изображений в фиксированной позиции, но с различной глубиной фокусировки. Поскольку большинство микроскопических образцов по сути прозрачны, а глубина резкости сфокусированного образца чрезвычайно мала, можно получать изображения "сквозь" трехмерный объект, используя двухмерное оборудование, такое как конфокальные микроскопы. Программное обеспечение затем способно реконструировать трехмерную модель исходного образца, с которой можно проводить соответствующую обработку. Эта обработка превращает двухмерный прибор в трехмерный, который иначе не был бы возможен. В последнее время эта техника привела к ряду научных открытий в области клеточной биологии.

Анализ

Анализ изображений будет существенно различаться в зависимости от области применения. Типичный анализ включает в себя определение границ объектов, подсчет однородных объектов, вычисление площади, длины периметра и других полезных измерений для каждого объекта. Распространенный подход заключается в создании маски изображения, содержащей только пиксели, соответствующие заданным критериям, а затем в выполнении более простых операций сканирования на этой маске. Также возможно присваивать метки объектам и отслеживать их перемещение в последовательности кадров видео.