一种虚拟显微镜实物套件及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种虚拟显微镜实物套件及其应用，属于实验设备领域。该虚拟显微镜实物套件包括：显微镜本体模型以及设置在显微镜本体模型上的螺旋传感器、压力传感器和载玻片位置传感器；FPGA芯片和本地显示设备；所述螺旋传感器、压力传感器和载玻片位置传感器分别与FPGA芯片连接；所述FPGA芯片通过有线或无线方式与本地显示设备进行通讯。一方面，本发明专利技术利用虚拟融合技术，对用户观测结果进行信息增强，有利于用户随机探索实验现象的过程、机理与原理；另一方面，本发明专利技术通过实物操作，得到了真实显微镜条件下的操作体验，帮助实验人员掌握了相关实验技能。

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟显微镜实物套件及其应用
本专利技术属于实验设备领域，具体涉及一种虚拟显微镜实物套件及其应用。
技术介绍
首先，目前，我国绝大部分中小学没有实验用的显微镜，使得生物和化学很多要用到这种设备的实验课程无法正常开设；其次，即使部分学校有显微镜设备，但往往缺乏细胞、微生物等关键实验样本；再其次，传统的实验方法无法实现信息增强，即无法观察观测样本的机理机制等肉眼观测不到的东西、无法观测到各种可能的情况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种虚拟显微镜实物套件及其应用，既解决目前中小学显微镜实验教学中多年来难以解决的上述提到的部分瓶颈问题与痛点问题，又把显微镜的实验方法赋予智能性和交互性等典型特征。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种虚拟显微镜实物套件，包括：显微镜本体模型以及设置在显微镜本体模型上的螺旋传感器、压力传感器和载玻片位置传感器；FPGA芯片和本地显示设备；所述螺旋传感器、压力传感器和载玻片位置传感器分别与FPGA芯片连接；所述FPGA芯片通过有线或无线方式与本地显示设备进行通讯。在所述显微镜本体模型的粗准焦螺旋、细准焦螺旋处分别设置一个螺旋传感器；在所述显微镜本体模型的镜臂、镜座，以及镊子、胶头滴管、载玻片、盖玻片上分别设置压力传感器；在所述显微镜本体模型的载物台和载玻片上设置有载玻片位置传感器。所述螺旋传感器包括：旋转轴、转动杆、链杆、滑块、固定轨道；所述旋转轴能够绕其轴线进行旋转；与所述旋转轴垂直的一个平面为旋转平面，所述旋转轴与所述旋转平面的交点为轴心；所述转动杆的一端在所述轴心处与所述旋转轴固定连接，另一端通过铰链与链杆的一端连接，所述链杆的另一端与滑块连接；所述转动杆能够在所述旋转平面内随旋转轴一同旋转；所述链杆能够在所述旋转平面内绕所述铰链进行旋转；所述固定轨道位于所述旋转平面内，其一端固定在所述轴心处，另一端沿半径方向伸出；在所述滑块上设置有光源，所述滑块能够在固定轨道上滑动。所述转动杆的长度为R，所述链杆的长度为Z，且Z≥R；所述滑块在固定轨道上的最小位置为A点，A点的坐标为：Pmin＝Z-R(1)所述滑块在固定轨道上的最大位置为B点，B点的坐标为Pmax＝Z+R(2)所述滑块在A点和B点之间的区域内运动；在A点和B点之间设置多个通光小孔，在每个通光小孔内设置有光线检测器；所述转动杆与所述固定轨道之间的夹角为θ，如果θ逐渐增大，则转动杆的旋转方向D为逆时针方向；如果θ逐渐减小，则转动杆的旋转方向D为顺时针方向。所述载玻片位置传感器包括：设置在载物台上的按照矩形点阵排列的导电针、设置在载玻片上的按照矩形点阵排列的凹孔、设置在载物台和/或载玻片上的多个微型电池、多个电流检测装置；每个导电针均有一个唯一的位置坐标；任意一个导电针均能够插入到任意一个凹孔内；一个导电针、一个凹孔、一个微型电池和一个电流检测装置能够串联形成电流回路，形成电流回路的导电针和凹孔即为一个响应单元；所有电流检测装置均与FPGA芯片连接。应用所述虚拟显微镜实物套件实现的交互方法，包括：(1)通过螺旋传感器、压力传感器获取用户的操纵数据，并将螺旋传感器的数据、压力传感器的数据发送给FPGA芯片；(2)FPGA芯片处理粗准焦螺旋处的螺旋传感器的数据，获得粗准焦螺旋处的交互行为；(3)FPGA芯片处理细准焦螺旋处的螺旋传感器的数据，获得细准焦螺旋处的交互行为；(4)FPGA芯片处理压力传感器的数据，获得各个设置有压力传感器处的压力；(5)FPGA芯片监控载玻片的位置。所述步骤(2)的操作包括：A.针对当前图像，生成两个连续图像序列：一个是增大当前视野范围的图像序列，即大视野序列，另一个是减小当前视野范围的图像序列，即小视野序列；生成连续图像序列的步骤如下：A.1构建视野半径函数r：r＝h[tan(α)](6)h＝ωθ(7)其中，tan代表正切函数，θ是螺旋传感器测得的旋转角度，ω是经验参数，h是显微镜本体模型的镜筒的高度，α是显微镜本体模型的物镜的视野范围；A.2生成大视野序列：A.2.1θ依次取为θ(0),θ(0)+1,θ(0)+2,……θ(0)+L，按照式子(6)(7)计算r0,r1,r2,…,rL；其中，L表示序列长度；A.2.2对每个ri(0≤i≤L)，以原始样本图像的中心为中心、以ri为半径画圆；A.2.3裁减掉该圆之外的原始样本图像，只保留圆内部的原始样本图像，得到图像I(i)，保存图像I(i)，则I(0),I(1),…I(L)为所述大视野序列；A.3生成小视野序列：A.3.1θ依次取为θ(0),θ(0)-1,θ(0)-2,……θ(0)-L，按照式子(6)(7)计算r0,r1,r2,…,rL；其中，L表示序列长度；A.3.2对每个ri(0≤i≤L)，以原始样本图像的中心为中心、以ri为半径画圆；A.3.3裁减掉该圆之外的原始样本图像，只保留圆内部的原始样本图像，得到图像I(i)，保存图像I(i)，则I(0),I(1),…I(L)为所述小视野序列；B.如果旋转方向D是顺时针方向，则在屏幕上显示小视野序列；如果旋转方向D是逆时针方向，则在屏幕上显示大视野序列；C.在显示大视野序列、显示小视野序列的过程中，如果接收到新的旋转方向D、旋转角度θ，则进行以下处理：C.1如果旋转方向D保持不变，则保持当前序列呈现完毕，然后等待下一个新的旋转方向D、旋转角度θ；C.2如果旋转方向D改变，则终止当前序列的呈现过程，然后返回步骤B。所述步骤(3)的操作包括：A针对当前图像，生成两个连续图像序列：一个是连续的视野图像清晰化序列；另一个是连续的视野图像模糊化序列；生成连续图像序列的步骤如下：A.1生成连续的视野图像清晰化序列的步骤如下：A.1.1构建螺旋角度参数θ与图像分辨率之间的关系：4K＝λθ(8)其中，K表示在像素点的相邻像素点之间增加的像素点个数，K>1，λ是一个经验参数；A.1.2根据表达式(8)求出K；A.1.3对原始样本图像I的所有两个相邻像素之间进行线性插值，增加K个像素点，步骤如下：假设在I中的某像素点的位置为P，其一个相邻像素点的位置为Q，按照下式在P与Q之间增加K个像素点X：X＝(1-t)P+tQ(9)其中，t是在0到1中等距离取的K个值中的一个，t∈[0,1]；A.1.4假设θ越大图像越清晰，则将θ的当前值依次增加得到一个参数序列：θ(1)，θ(2)，…，θ(M)，其中，M是一个经验参数，代表序列的长度；A.1.5将θ(1)，θ(2)，…，θ(M)中的参数逐一代入公式(8)中，再根据公式(9)，计算出每个θ对应的图像，得到由M个图像所构成的序列：I(1)，I(2)，…，I(M)，该序列即为所述的连续的视野图像清晰化序列；A.2生成连续的视野图像模糊化序列的步骤如下：A.2.1利用下式将当前图像f(x,y)生成模糊图像h(x,y)：h(x,y)＝f(x,y)*g(x,y)(10)其中，(x,y)代表图像上点的位置坐标，*是卷积算子。A.2.2产生连续参数序列：将θ的当前值依次增加，得到一个参数序列：θ(1)，θ(2)，…，θ(N)，其中，N是一个经验参数，代表序列的长度；A.2.3产生连续的图像模糊化序列将θ(1)，θ(2)，…，θ(N)中的参数逐一代入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虚拟显微镜实物套件，其特征在于：所述虚拟显微镜实物套件包括：显微镜本体模型以及设置在显微镜本体模型上的螺旋传感器、压力传感器和载玻片位置传感器；FPGA芯片和本地显示设备；所述螺旋传感器、压力传感器和载玻片位置传感器分别与FPGA芯片连接；所述FPGA芯片通过有线或无线方式与本地显示设备进行通讯。

【技术特征摘要】
1.一种虚拟显微镜实物套件，其特征在于：所述虚拟显微镜实物套件包括：显微镜本体模型以及设置在显微镜本体模型上的螺旋传感器、压力传感器和载玻片位置传感器；FPGA芯片和本地显示设备；所述螺旋传感器、压力传感器和载玻片位置传感器分别与FPGA芯片连接；所述FPGA芯片通过有线或无线方式与本地显示设备进行通讯。2.根据权利要求1所述的虚拟显微镜实物套件，其特征在于：在所述显微镜本体模型的粗准焦螺旋、细准焦螺旋处分别设置一个螺旋传感器；在所述显微镜本体模型的镜臂、镜座，以及镊子、胶头滴管、载玻片、盖玻片上分别设置压力传感器；在所述显微镜本体模型的载物台和载玻片上设置有载玻片位置传感器。3.根据权利要求2所述的虚拟显微镜实物套件，其特征在于：所述螺旋传感器包括：旋转轴、转动杆、链杆、滑块、固定轨道；所述旋转轴能够绕其轴线进行旋转；与所述旋转轴垂直的一个平面为旋转平面，所述旋转轴与所述旋转平面的交点为轴心；所述转动杆的一端在所述轴心处与所述旋转轴固定连接，另一端通过铰链与链杆的一端连接，所述链杆的另一端与滑块连接；所述转动杆能够在所述旋转平面内随旋转轴一同旋转；所述链杆能够在所述旋转平面内绕所述铰链进行旋转；所述固定轨道位于所述旋转平面内，其一端固定在所述轴心处，另一端沿半径方向伸出；在所述滑块上设置有光源，所述滑块能够在固定轨道上滑动。4.根据权利要求3所述的虚拟显微镜实物套件，其特征在于：所述转动杆的长度为R，所述链杆的长度为Z，且Z≥R；所述滑块在固定轨道上的最小位置为A点，A点的坐标为：Pmin＝Z-R(1)所述滑块在固定轨道上的最大位置为B点，B点的坐标为Pmax＝Z+R(2)所述滑块在A点和B点之间的区域内运动；在A点和B点之间设置多个通光小孔，在每个通光小孔内设置有光线检测器；所述转动杆与所述固定轨道之间的夹角为θ，如果θ逐渐增大，则转动杆的旋转方向D为逆时针方向；如果θ逐渐减小，则转动杆的旋转方向D为顺时针方向。5.根据权利要求3所述的虚拟显微镜实物套件，其特征在于：所述载玻片位置传感器包括：设置在载物台上的按照矩形点阵排列的导电针、设置在载玻片上的按照矩形点阵排列的凹孔、设置在载物台和/或载玻片上的多个微型电池、多个电流检测装置；每个导电针均有一个唯一的位置坐标；任意一个导电针均能够插入到任意一个凹孔内；一个导电针、一个凹孔、一个微型电池和一个电流检测装置能够串联形成电流回路，形成电流回路的导电针和凹孔即为一个响应单元；所有电流检测装置均与FPGA芯片连接。6.应用权利要求1-5任一所述的虚拟显微镜实物套件实现的交互方法，其特征在于：所述方法包括：(1)通过螺旋传感器、压力传感器获取用户的操纵数据，并将螺旋传感器的数据、压力传感器的数据发送给FPGA芯片；(2)FPGA芯片处理粗准焦螺旋处的螺旋传感器的数据，获得粗准焦螺旋处的交互行为；(3)FPGA芯片处理细准焦螺旋处的螺旋传感器的数据，获得细准焦螺旋处的交互行为；(4)FPGA芯片处理压力传感器的数据，获得各个设置有压力传感器处的压力；(5)FPGA芯片监控载玻片的位置。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)的操作包括：A.针对当前图像，生成两个连续图像序列：一个是增大当前视野范围的图像序列，即大视野序列，另一个是减小当前视野范围的图像序列，即小视野序列；生成连续图像序列的步骤如下：A.1构建视野半径函数r：r＝h[tan(α)](6)h＝ωθ(7)其中，tan代表正切函数，θ是螺旋传感器测得的旋转角度，ω是经验参数，h是显微镜本体模型的镜筒的高度，α是显微镜本体模型的物镜的视野范围；A.2生成大视野序列：A.2.1θ依次取为θ(0),θ(0)+1,θ(0)+2,……θ(0)+L，按照式子(6)(7)计算r0,r1,r2,…,rL；其中，L表示序列长度；A.2.2对每个ri(0≤i≤L)，以原始样本图像的中心为中心、以ri为半径画圆；A.2.3裁减掉该圆之外的原始样本图像，只保留圆内部的原始样本图像，得到图像I(i)，保存图像I(i)，则I(0),I(1),…I(L)为...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯志全，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37