從電視圖像分析儀

到集成數(shù)字軟件解決方案的定量顯微技術(shù)

現(xiàn)代圖像分析系統(tǒng)對來自自動顯微鏡和數(shù)碼相機的圖像執(zhí)行高度復(fù)雜的圖像處理功能。62年前，第一套圖像分析系統(tǒng)是模擬系統(tǒng)，以攝像機為基礎(chǔ)，面積測量可通過儀表讀取。不過，它標志著這一領(lǐng)域自動化的開端。
 

圖像分析的起源

第一臺顯微鏡的發(fā)明不可避免地引發(fā)了通過目鏡觀察物體的大小及其相互關(guān)系的問題。另一個同樣重要的問題是如何從二維切片中推斷物體的體積。這些定量顯微鏡問題最初是通過立體學來解決的，而立體學又為圖像分析所依據(jù)的原理做出了貢獻。

最早的實驗和結(jié)果歸功于 Achille Delesse，他證明了面積分數(shù)與體積分數(shù)成正比。1930 年，Thompson 和 Glagolev 建立了開創(chuàng)性的公式 PP（點計數(shù)）= LL（線性分數(shù)）= AA（面積分數(shù)）= VV（體積分數(shù)）。

 

第一臺基于電視的圖像分析儀

62 年前的 1962 年，位于劍橋的 Metals Research 公司開發(fā)出第一臺基于電視的微觀圖像分析儀，該公司后來成為徠卡集團的一部分。這臺所謂的 QTM A（定量電視顯微鏡）使用電視攝像機作為輸入設(shè)備，完全是模擬操作。對視頻信號施加閾值，在第二個電視屏幕上顯示為二進制圖像，并通過儀表讀取面積測量值。不過，它標志著圖像分析自動化的開端--每幅圖像 20 毫秒，即使與今天的儀器相比也是相當快的。

對這一概念的初步接受促進了 1963 年 QTM B 的開發(fā)，它被證明是該領(lǐng)域第一臺商業(yè)上成功的自動化儀器。這些早期的圖像分析系統(tǒng)主要用于科研目的。用戶來自鋼鐵工業(yè)或冶金和礦物學研究機構(gòu)，但其在生命科學領(lǐng)域的潛力很快得到了認可。

圖 1：QTM B，1963 年，第一套用于顯微鏡圖像的商用自動圖像分析系統(tǒng)，以電視攝像機為基礎(chǔ)，由英國劍橋的 Metals Research 公司開發(fā)。

圖 2（從左到右）：

1974 - Quantimet 720 Fifi - 大型數(shù)碼相機！

1980 - Quantimet 900，集成計算機，體積越來越小

1982-8 - Quantimet 920，彩色 900 x 700

1983 - 個人 Quantimet 10 - 標準電視機

1991 - Quantimet 500，我們第一臺基于 PC 的 CCD

1996 年以后 - 基于 PC

 

數(shù)字時代

圖像分析的數(shù)字時代始于 1969 年 Quantimet 720 上市之時。該儀器采用高度模塊化、基于硬件的圖像處理邏輯。由于采用了特殊的電子管攝像機，其分辨率達到 869 × 704 像素，并對整個圖像進行了數(shù)字化處理。該系統(tǒng)比其前代產(chǎn)品更加靈活，可自動控制顯微鏡平臺和聚焦。與配件組合使用時，這些系統(tǒng)可以填滿一個小房間。它們還可以執(zhí)行一些巧妙的處理功能，如圖像侵蝕、放大，并使用“光筆”直接編輯圖像--這比 Photoshop 早了幾年。

當然，其他光學公司也進入了這一新市場，Metals Research 公司（從 1969 年起更名為 IMANCO）并不是唯一的供應(yīng)商。"有趣的是，一些最初的競爭對手現(xiàn)在都加入了徠卡顯微系統(tǒng)的大家庭，"在徠卡顯微系統(tǒng)工作了 40 年的產(chǎn)品經(jīng)理杰夫-詹金森回憶道。"最激烈的競爭來自美國博士倫公司。他們更容易進入美國市場，但從未在歐洲站穩(wěn)腳跟。當然，徠茲公司也有先進的圖像分析系統(tǒng)。

 

第一批計算機

從 1980 年起，隨著計算機功能的增強和成本的降低，圖像分析系統(tǒng)開始由計算機控制。雖然實際的圖像處理仍由硬件完成，但新的微處理器可以存儲圖像和結(jié)果。值得注意的是，計算機的引入最初會減緩圖像分析過程。這是因為早期的計算機無法消化和處理圖像中的大量數(shù)據(jù)。Quantimet 800 是使用英國進口的第一臺 Apple II 計算機開發(fā)的。Q900 還進行了更多創(chuàng)新，包括近百萬像素分辨率的完整數(shù)字圖像存儲、骨架化，并首次使用了著名的 Quips 成像語言。

 

數(shù)學形態(tài)學

20 世紀 60 年代，巴黎礦業(yè)學院的讓-塞拉（Jean Serra）和喬治-馬瑟隆（George Matheron）提出了進一步發(fā)展圖像分析的重要“概念”。他們的數(shù)學形態(tài)學概念將圖像視為像素值的數(shù)字陣列。這一概念最初應(yīng)用于二值圖像，后來擴展到灰度圖像。得益于該小組的工作，在接下來的幾年中，距離變換和分水嶺等新特征被引入到圖像分析中。1989 年推出的 Quantimet 570 和 1994 年推出的 Quantimet 600 就是與礦業(yè)學院合作的直接成果。

 

軟件時代

20 世紀 90 年代，基于 PC 的 Quantimet 520 標志著圖像分析軟件時代的開始。這使得 Leica QWin 圖像分析軟件完全獨立于特定的硬件。最新的版本是創(chuàng)建了一個優(yōu)化的用戶界面，如 Leica Application Suite (LAS)。LAS 軟件集成了自動化顯微鏡、計算和數(shù)字圖像分析領(lǐng)域的最新進展。在顯微鏡記錄方面，它可以控制顯微鏡和照相機，提供經(jīng)過校準和注釋的數(shù)字圖像。從 1995 年起，在圖像分析完全軟件化之后，只銷售軟件而不銷售顯微鏡的公司進入了市場。"詹金森報告說："我們一直強調(diào)從單一供應(yīng)商處購買整套集成系統(tǒng)的優(yōu)勢。"我們似乎取得了成功，因為來自軟件公司的競爭已經(jīng)有所減少"。

LAS X Industry 徠卡LAS X ID 面向工業(yè)應(yīng)用的軟件平臺

 

使用計算機的顯微鏡

如今，計算顯微鏡在現(xiàn)代圖像分析系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它提供的功能將顯微鏡圖像擴展到了光學屏障之外。用戶可以看到單個顯微鏡圖像中無法看到的元素--既然可以看到，也就可以測量。其主要功能包括：擴展焦深、擴展視野（這對于地質(zhì)切片、顆粒識別應(yīng)用（徠卡清潔度專家）以及幾乎所有定量顯微鏡應(yīng)用中的宏定制都至關(guān)重要）。

 

工業(yè)應(yīng)用

通過 LAS軟件，徠卡顯微系統(tǒng)還繼續(xù)關(guān)注工業(yè)材料應(yīng)用，并將材料領(lǐng)域?qū)＜业睦斫廪D(zhuǎn)化為專門針對這些任務(wù)的“專家”軟件應(yīng)用套件。目前有十種專家級應(yīng)用套件，其中包括用于測量鋼材夾雜物的“鋼材專家”和用于測量過濾器顆粒并對其進行分類的“清潔度專家”。最新加入專家系列的是 Leica Dendrite Expert 和 Leica Decarburisation Expert。LAS軟件也用于法醫(yī)實驗室。“為了區(qū)分各種印刷圖案，我們將徠卡 M125 和 MZ165 體視顯微鏡與 LAS 測量模塊結(jié)合使用。”通過顯微鏡，我可以觀察到微小的墨點、筆跡細節(jié)和印刷特征。LAS 測量模塊在對物體進行測量、量化所有獲取的數(shù)據(jù)并將結(jié)果傳輸?shù)?excel 表單中方面具有不可替代的作用"。當然，從簡單的細胞培養(yǎng)觀察到生物醫(yī)學研究中復(fù)雜的成像任務(wù)，徠卡寬場和共聚焦系統(tǒng)在整個生命科學領(lǐng)域的應(yīng)用中早已確立了圖像分析的地位。詹金森表示：“病理學和細胞遺傳學領(lǐng)域的創(chuàng)新，如數(shù)字圖像中心和玻片掃描儀，都源于圖像分析領(lǐng)域長期而廣泛的經(jīng)驗”，“未來肯定還會有更多的創(chuàng)新”。

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