一种微粒的三维快速定位方法技术

本发明专利技术公开了一种微粒的三维快速定位方法。该方法是根据微粒在三维空间中散射光强的分布情况，再根据基于最大池化的快速局部最大值搜索算法实现像素级的微粒三维定位。本发明专利技术为测量空间中微粒的三维分布提供了一种快速的方法，且准确率高，对计算机的算力要求低，可广泛用于气泡、细菌、乳液和固体颗粒的微粒三维分布和定位测量。维分布和定位测量。维分布和定位测量。

【技术实现步骤摘要】
一种微粒的三维快速定位方法


[0001]本专利技术涉及微粒的显微成像测量领域，尤其涉及一种微粒的三维快速定位方法，特别涉及微粒的定位速度和准确率的大幅提高。

技术介绍

[0002]微粒的三维示踪，即精准定位对于研究喷气、液体流场、乳液稳定性、药物颗粒和微生物的动态过程等众多领域具有重要意义。研究者对于微米甚至微米以下微粒的观测需求不断增强，意味着人们亟需对微粒三维位置进行更为快速、更为精确的定位，从而获取微粒的速度等运动状态参数的技术。
[0003]目前，常见的微粒动态测量方法有激光测速、微粒显微示踪等。激光测速基于多普勒效应，属于单点测速技术，不能给出全场的瞬时流速数据；而微粒显微示踪可通过对流场中每个粒子的跟踪匹配，实现个体动态过程的观察和全流场瞬态测量，但该方法是基于质心法等平面拟合方法进行定位的，因而仅能在二维方向上获取微粒位置坐标，因而在研究三维空间中的微粒运动规律上缺少一个维度，具有很大的局限性。在微粒三维的定位上，现有方法一般是通过对三维光场的分布进行阈值过滤及预估函数的拟合，根据峰值数据获得微粒的三维位置，拟合过程需要数据量大、耗时较长且受粒子数目的影响。此外，还可以利用多部相机采集不同视角下示踪粒子图像，再通过光学层析成像算法由二维图像重建三维示踪粒子场，该方法不需要相关光源，但在使用时要求更高的体积照明能量、数据存储量及计算能力，同样存在耗时长的问题。
[0004]据此，目前亟需一种快速便捷的微粒三维定位方法，以改善在观察多粒子的样品时对算力要求高、耗时极长、效率低下等基础问题，推动相关领域的科学研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种微粒的快速三维定位方法，该方法通过分析由荧光层扫成像或衍射理论计算获得的光强空间分布，根据基于最大池化的快速局部最大值搜索算法实现像素级的微粒三维定位，详见下文描述：
[0006]一种微粒的快速三维定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：
[0007]1)获取粒子光强的空间三维分布，该步骤中的三维光场可为荧光场，也可以为非标记的明场成像。获取方式包括但不限于使用层扫成像方法,如共聚焦荧光显微镜，获取不同高度上的微粒荧光三维光强分布，或根据衍射理论对全息图像进行三维光强重建，计算出距离成像面不同距离上的三维空间光强分布；
[0008]2)使用基于最大池化的快速局部最大值搜索算法找出局部光强最大点，将其三维坐标与微粒的空间位置一一对应；
[0009]其中，所述快速局部最大值搜索算法的步骤具体为：
[0010]第一步，根据微粒大小及微粒间距离设定局部最大值的判定范围边长w。一般而言，w为待测微粒聚焦时直径大小的2
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5倍左右，此时进行局部最大值判断能防止判定范围
过大导致部分微粒被排除，又避免单个微粒产生多个定位位置。
[0011]第二步，计算池化条件。获取全息图边长的像素值，取其小于w/2的最大因数，作为池化核的边长p。p同时也是最大池化的步长，以避免对同一光强点进行重复比较，减少计算量。
[0012]第三步，根据池化核进行最大池化。对每一层光强分布矩阵进行最大池化计算，设每一层图像为边长为m*n的矩形，池化核边长为p，将每一层图像分割为(m/p)*(n/p)个与池化核大小相同的方格，然后仅保留每个方格内数值最大点的数值及其在原矩阵的位置，舍去其余部分。将这些点的数值及其对应原矩阵位置坐标重新进行排列，可获得一个(m*n/p^2)*4的矩阵，其中的每一列的四个数值分别来自保留点的光强值、x坐标、y坐标及z坐标。
[0013]第四步，使用自适应阈值法对剩余点作进一步筛选。查找剩余点光强的最大值及平均值，根据样品计算判断光强阈值，低于该数值的点不可能反映微粒的空间位置，直接舍去以进一步减少待计算数据。一般而言，可以取光强最大值的5
‑
15％间恰当数值作为阈值，对于部分光强差异极大的光场则需要根据光场平均值进行阈值计算。
[0014]第五步，对剩余点进行筛选，获取局部光强最大点。历遍所有未舍去的点，以待判定点为中心，预设数值为边长划分出局部最大值的判定范围。搜索所有在该范围内的剩余点，根据这些点的光强大小关系判定待判定点是否为局部光强最大点。经过判定可以获得所有局部光强最大点，这些点其对应三维坐标即可反映微粒的空间位置。
[0015]3)根据局部光强最大点三维坐标计算微粒的空间分布，其对应关系为线性关系，具体数值采集光强的显微技术有关，在应用时可根据实际装置进行校准。对于能够连续获取光强分布的系统，可对分别计算其微粒的三维空间位置，结合微粒的空间相对位置及运动的一致性等参数可进一步获取微粒的运动方向及运动速率等参数在时间维度上的变化。
[0016]上述方法中，对于能够连续获取光强分布的系统，对分别计算其微粒的三维空间位置，结合微粒的空间相对位置及运动的一致性参数，进一步获取微粒的运动方向及运动速率等参数在时间维度上的变化。
[0017]上述方法中，采用局部光强最大值作为微粒定位依据，进行微粒定位时，获得各点坐标的计算相互独立，不存在错误的传递和积累。上述方法中，在快速局部最大值搜索算法中引入了最大池化方法及自适应阈值过滤方法，能极大减少计算所需资源的占用，且不影响结果的准确性。
[0018]上述方法中，步骤2)中所述快速局部最大值搜索算法内应用的最大池化并不局限于二维形式，而是能以更高维的形式实现。
[0019]上述方法中，所述快速局部最大值搜索算法所提及的判定范围并不局限为方形，该算法也能实现以球形等不同几何模型作为判定范围的情况下进行局部光强最大点的定位。
[0020]本专利技术提供的技术方案的有益效果是：
[0021]1、本方法应用了局部光强最大值进行定位的方法，可根据样品微粒大小对局部最大的判定范围进行自主设定，在实际应用中能较好适应不同样品大小及成像系统放大率；
[0022]2、本方法应用了局部光强最大值进行定位的方法，对获取光强空间分布的方法并无限制，且在判定微粒位置时不存在路径依赖性，在数据处理上更具有普适性；
[0023]3、本方法在局部最大值的判定中引入了最大池化方法及阈值过滤方法，在不影响
计算结果的前提下极大地提升了计算速度。在计算同样的数据时，本方法耗时可缩减为逐点分析的十分之一以内；
[0024]4、本方法引入了最大池化方法进行计算，极大地压缩了计算需内存占用，降低了硬件成本，使得可能在更轻量廉价的设备进行数据处理。
[0025]5、本方法可以较为便捷地拓展至更高维度和进行对特殊形状范围内局部最大点的获取，对于解决特殊问题具有较高的参考意义。
附图说明
[0026]图1为本专利技术提出的一种微粒的快速三维定位方法的流程图。
[0027]图2为扣除背景的大肠杆菌菌液全息离焦图像；
[0028]图3为定位获得的大肠杆菌菌体微粒的空间三维分布。
[0029]图4为扣除背景的直径0.8μm的PS塑料小球全本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微粒的快速三维定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：1)获取粒子光强的空间三维分布或非标记的明场成像，获取方式包括使用层扫成像方法，获取不同高度上的微粒荧光三维光强分布，或根据衍射理论对全息图像进行三维光强重建，计算出距离成像面不同距离上的三维空间光强分布；2)使用基于最大池化的快速局部最大值搜索算法找出局部光强最大点，将其三维坐标与微粒的空间位置一一对应；3)根据局部光强最大点三维坐标计算微粒的空间分布，其对应关系为线性关系，具体数值采集光强的显微技术有关，在应用时根据实际装置进行校准。2.根据权利要求1所述微粒的快速三维定位方法，其特征在于，步骤1)中，粒子的三维光场为荧光场或重建三维光场。3.根据权利要求1所述微粒的快速三维定位方法，其特征在于，步骤1)中，所述层扫成像方法为采用共聚焦荧光显微镜进行层扫成像。4.根据权利要求1所述微粒的快速三维定位方法，其特征在于，步骤2)中，所述快速局部最大值搜索算法的步骤具体为：第一步，根据微粒大小及微粒间距离设定局部最大值的判定范围边长w；此时进行局部最大值判断能防止判定范围过大导致部分微粒被排除，又避免单个微粒产生多个定位位置；第二步，计算池化条件；获取全息图边长的像素值，取其小于w/2的最大因数，作为池化核的边长p；p同时也是最大池化的步长，以避免对同一光强点进行重复比较，减少计算量；第三步，根据池化核进行最大池化；对每一层光强分布矩阵进行最大池化计算，设每一层图像为边长为m*n的矩形，池化核边长为p，将每一层图像分割为(m/p)*(n/p)个与池化核大小相同的方格，然后仅保留每个方格内数值最大点的数值及其在原矩阵的位置，舍去其余部分；将这些点的数值及其位置重新进行排列，获得一个m*n/p^2的矩阵以及该矩阵中每点对应原矩阵中的三维位置坐标；第四步，使用自适应阈值法对剩余点作进一步筛选；查找剩余点光强的最大值及平均值...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚湘君，何炳恩，张广照，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：