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图像分析 50 年

从电视图像分析仪到集成数字软件解决方案的定量显微技术

QTM B, 1963, the first commercial automated image analysis system for microscope images, based on a TV camera and developed by Metals Research in Cambridge, England. QTM_B_1963_cut.jpg

现代图像分析系统对来自自动显微镜和数码相机的图像执行高度复杂的图像处理功能。50 年前,第一套图像分析系统是模拟系统,以摄像机为基础,面积测量可通过仪表读取。不过,它标志着这一领域自动化的开端。

图像分析的起源

第一台显微镜的发明不可避免地引发了通过目镜观察物体的大小及其相互关系的问题。另一个同样重要的问题是如何从二维切片中推断物体的体积。这些定量显微镜问题最初是通过立体学来解决的,而立体学又为图像分析所依据的原理做出了贡献。

最早的实验和结果归功于 Achille Delesse,他证明了面积分数与体积分数成正比。1930 年,Thompson 和 Glagolev 建立了开创性的公式 PP(点计数)= LL(线性分数)= AA(面积分数)= VV(体积分数)。

第一台基于电视的图像分析仪

50 年前的 1962 年,位于剑桥的 Metals Research 公司开发出第一台基于电视的微观图像分析仪,该公司后来成为徕卡集团的一部分。这台所谓的 QTM A(定量电视显微镜)使用电视摄像机作为输入设备,完全是模拟操作。对视频信号施加阈值,在第二个电视屏幕上显示为二进制图像,并通过仪表读取面积测量值。不过,它标志着图像分析自动化的开端--每幅图像 20 毫秒,即使与今天的仪器相比也是相当快的。

对这一概念的初步接受促进了 1963 年 QTM B 的开发,它被证明是该领域第一台商业上成功的自动化仪器。这些早期的图像分析系统主要用于科研目的。用户来自钢铁工业或冶金和矿物学研究机构,但其在生命科学领域的潜力很快得到了认可。

图 2(从左到右):
1974 - Quantimet 720 Fifi - 大型数码相机!
1980 - Quantimet 900,集成计算机,体积越来越小
1982-8 - Quantimet 920,彩色 900 x 700
1983 - 个人 Quantimet 10 - 标准电视机
1991 - Quantimet 500,我们第一台基于 PC 的 CCD
1996 年以后 - 基于 PC

数字时代

图像分析的数字时代始于 1969 年 Quantimet 720 上市之时。该仪器采用高度模块化、基于硬件的图像处理逻辑。由于采用了特殊的电子管摄像机,其分辨率达到 869 × 704 像素,并对整个图像进行了数字化处理。该系统比其前代产品更加灵活,可自动控制显微镜平台和聚焦。与配件组合使用时,这些系统可以填满一个小房间。它们还可以执行一些巧妙的处理功能,如图像侵蚀、放大,并使用 "光笔 "直接编辑图像--这比 Photoshop 早了几年。

当然,其他光学公司也进入了这一新市场,Metals Research 公司(从 1969 年起更名为 IMANCO)并不是唯一的供应商。"有趣的是,一些最初的竞争对手现在都加入了徕卡显微系统的大家庭,"在徕卡显微系统工作了 40 年的产品经理杰夫-詹金森回忆道。"最激烈的竞争来自美国博士伦公司。他们更容易进入美国市场,但从未在欧洲站稳脚跟。当然,徕兹公司也有先进的图像分析系统。

第一批计算机

从 1980 年起,随着计算机功能的增强和成本的降低,图像分析系统开始由计算机控制。虽然实际的图像处理仍由硬件完成,但新的微处理器可以存储图像和结果。值得注意的是,计算机的引入最初会减缓图像分析过程。这是因为早期的计算机无法消化和处理图像中的大量数据。Quantimet 800 是使用英国进口的第一台 Apple II 计算机开发的。Q900 还进行了更多创新,包括近百万像素分辨率的完整数字图像存储、骨架化,并首次使用了著名的 Quips 成像语言。

数学形态学

20 世纪 60 年代,巴黎矿业学院的让-塞拉(Jean Serra)和乔治-马瑟隆(George Matheron)提出了进一步发展图像分析的重要 "概念"。他们的数学形态学概念将图像视为像素值的数字阵列。这一概念最初应用于二值图像,后来扩展到灰度图像。得益于该小组的工作,在接下来的几年中,距离变换和分水岭等新特征被引入到图像分析中。1989 年推出的 Quantimet 570 和 1994 年推出的 Quantimet 600 就是与矿业学院合作的直接成果。

软件时代

20 世纪 90 年代,基于 PC 的 Quantimet 520 标志着图像分析软件时代的开始。这使得 Leica QWin 图像分析软件完全独立于特定的硬件。最新的版本是创建了一个优化的用户界面,如 Leica Application Suite (LAS)。LAS 软件集成了自动化显微镜、计算和数字图像分析领域的最新进展。在显微镜记录方面,它可以控制显微镜和照相机,提供经过校准和注释的数字图像。从 1995 年起,在图像分析完全软件化之后,只销售软件而不销售显微镜的公司进入了市场。"詹金森报告说:"我们一直强调从单一供应商处购买整套集成系统的优势。"我们似乎取得了成功,因为来自软件公司的竞争已经有所减少"。

使用计算机的显微镜

如今,计算显微镜在现代图像分析系统中发挥着至关重要的作用。它提供的功能将显微镜图像扩展到了光学屏障之外。用户可以看到单个显微镜图像中无法看到的元素--既然可以看到,也就可以测量。其主要功能包括:扩展焦深(该功能的结果可在 www.antweb.org 上查看,也请参阅科学实验室文章 "AntWeb 记录蚂蚁世界")、扩展视野(这对于地质切片、颗粒识别应用(徕卡清洁度专家)以及几乎所有定量显微镜应用中的宏定制都至关重要)。

工业应用

通过 LAS软件,徕卡显微系统还继续关注工业材料应用,并将材料领域专家的理解转化为专门针对这些任务的 "专家 "软件应用套件。目前有十种专家级应用套件,其中包括用于测量钢材夹杂物的 "钢材专家 "和用于测量过滤器颗粒并对其进行分类的 "清洁度专家"。最新加入专家系列的是 Leica Dendrite Expert 和 Leica Decarburisation Expert。LAS软件也用于法医实验室。"为了区分各种印刷图案,我们将徕卡 M125 和 MZ165 体视显微镜与 LAS 测量模块结合使用。"通过显微镜,我可以观察到微小的墨点、笔迹细节和印刷特征。LAS 测量模块在对物体进行测量、量化所有获取的数据并将结果传输到 excel 表单中方面具有不可替代的作用"。当然,从简单的细胞培养观察到生物医学研究中复杂的成像任务,徕卡宽场和共聚焦系统在整个生命科学领域的应用中早已确立了图像分析的地位。詹金森表示:"病理学和细胞遗传学领域的创新,如数字图像中心和玻片扫描仪,都源于图像分析领域长期而广泛的经验","未来肯定还会有更多的创新"。

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