显微图像处理方法及装置

本发明涉及图像处理，更具体地涉及一种显微图像处理方法及装置。

背景技术：

1、图像拼接技术是图像处理领域的一项重要内容，旨在将多张具有重叠区域的图像拼接为一幅高分辨率全景图像。该技术广泛应用于显微图像分析、数字视频、医学图像处理、虚拟现实及遥感图像处理等领域。在显微成像中，由于高倍物镜的视场有限，单帧图像无法覆盖样品的完整区域，因此需通过采集多张具有重叠区域的子图像序列并进行拼接，以获得兼具大视场与高分辨率的全景图像。

2、在行星科学样品研究中，对地外返回样品进行显微成像是分析其矿物组成、微观结构和地质历史的关键手段。利用光学显微镜可获得样品表面的彩色形态图像，利用场发射扫描电子显微镜的背散射电子（backscattered electron，简称bse）成像模式可获得反映样品原子序数衬度的灰度图像。为全面了解样品的宏观形貌、统计颗粒特征以及精确定位研究区域，需对大量具有重叠区域的子图像进行拼接，形成覆盖整个样品的高分辨率全景图像。此类全景图像可服务于样品矿物学与岩石学特征的远程表征、稀有矿物相的搜索以及珍贵样品的多次重复观测等研究需求。

3、目前，显微图像的拼接主要依赖基于特征点匹配的通用图像拼接工具（如microscopy image stitching tool，简称mist）。mist工具通过提取相邻子图像重叠区域的特征点并计算候选平移量，再经平移量优化后生成拼接图像。然而，上述现有工具及方法在处理行星科学样品显微图像时存在以下显著局限：

4、第一，拼接图像尺寸受限。现有拼接工具对输出图像的像素总数存在硬性上限。以mist为例，其受java数组大小限制，无法直接生成超大尺寸的全景图。而行星科学样品（如陨石光片或返回样品）的全景图像通常包含数万张子图像，最终全景图的像素规模可达10至150吉像素，存储容量可达数十吉字节。当子图像总数超过工具处理上限时，拼接过程将因内存溢出而异常终止，导致无法产出完整全景图。

5、第二，处理流程单一，缺乏针对样品特殊性的定制化预处理与后处理流程。一方面，光学显微图像在采集过程中受光源不均匀、镜头中心与边缘响应不一致等因素影响，普遍存在光照分布不均的“平场”噪声，表现为图像中间亮、四周暗，若在拼接前未经有效校正，该噪声将直接影响拼接精度与全景图质量。另一方面，背散射电子图像在拼接完成后，科研人员通常需要在全景图上叠加坐标网格以便对样品颗粒区域进行精确定位与区域指认，但现有拼接工具不具备此类面向行星科学研究的专用后处理功能。

6、第三，自动化程度低。对于不同形状、尺寸的样品，拼接所需的网格布局（即子图像的行列数）需由操作人员根据经验手动设定。由于行星科学样品的形态各异（如岩屑光片呈圆形、粉末样品呈分散颗粒状），人工设定网格尺寸不仅效率低下，且难以标准化和批量化处理，在面对大量样品时尤为突出。此外，mist工具要求样品以规则的网格模式采集，相邻子图像之间的重叠误差须小于预设阈值，这进一步限制了其对不规则样品或采集偏差的容忍度。

7、第四，科学元数据缺失。现有拼接工具生成的拼接图通常仅为原始图像的简单组合，缺乏专为科学数据管理所需的标准化元数据。具体而言，背散射电子全景图缺少用于快速定位样品颗粒区域的坐标网格和用于指示空间尺度的比例尺，不便于数据归档、共享与区域指认；光学全景图亦缺乏与样品实际观测形态（如圆形光片底座）相匹配的标准化展示视图。

8、综上，现有显微图像拼接方法在处理行星科学样品图像时，存在尺寸受限、流程单一、自动化程度低及科学标注缺失等问题。因此，本领域亟需一种能够自动、高效、高精度地处理返回式天体样品显微图像，并生成符合科学研究规范的全景图的方法。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、为解决现有技术中存在的上述问题中的至少之一，本发明提供了一种显微图像处理方法及装置，通过构建覆盖差异化预处理、网格尺寸自适应推断、混合拼接及标准化后处理的完整技术路径，实现了行星科学样品显微图像从原始采集到标准化成果图的全流程自动化生成。

3、（二）技术方案

4、针对上述技术问题，本发明的实施例提出一种显微图像处理方法及装置。

5、根据本发明的第一个方面，提供了一种显微图像处理方法，包括：采集样品的子图像序列，并获取样品整体低分辨率图像，子图像序列为光学显微子图像序列和/或背散射电子子图像序列；根据子图像序列的成像类型执行差异化预处理，得到预处理后的子图像序列；根据样品整体低分辨率图像的宽高比及子图像序列中的子图像总数，确定全景拼接的网格尺寸；调用外部拼接工具以仅生成坐标文件而不输出全景大图的工作模式运行；若外部拼接工具正常运行，获取其生成的坐标文件；若外部拼接工具因输出像素总数超限而异常终止，响应于捕获的异常信息，读取已生成的历史坐标文件；根据网格尺寸创建空白画布，并根据坐标文件中的坐标信息，将预处理后的各子图像映射至空白画布的对应位置，生成全景拼接图像；根据成像类型对全景拼接图像执行差异化后处理，生成标准化成果图。

6、在一些示例性的实施例中，根据子图像序列的成像类型执行差异化预处理，包括：当子图像序列为光学显微子图像序列时，对光学显微子图像序列构建平场图像并进行平场校正，得到经平场校正后的光学子图像序列；当子图像序列为背散射电子子图像序列时，将背散射电子子图像序列直接作为预处理后的子图像序列。

7、在一些示例性的实施例中，对光学显微子图像序列构建平场图像并进行平场校正，包括：从光学显微子图像序列中选取未包含样品覆盖区域的空白子图像；计算多张空白子图像的灰度值的像素级均值，生成平场图像；将各原始光学显微子图像与暗电流本底图像作差后，除以经灰度均值标准化处理的平场图像，得到经平场校正后的光学子图像。

8、在一些示例性的实施例中，当样品形态为粉末状且空白子图像的数量低于预设阈值时，对全部光学显微子图像执行低频滤波处理或形态学开运算处理后计算灰度均值，以构建平场图像。

9、在一些示例性的实施例中，确定全景拼接的网格尺寸具体包括：以所尝试的网格列数与单张子图像的固定宽度像素数的乘积作为预估总宽度像素数；以所尝试的网格行数与单张子图像的固定高度像素数的乘积作为预估总高度像素数；以预估总宽度像素数与预估总高度像素数的比值作为拼接画幅的理论宽高比；分别计算各网格列数与行数的组合所对应的理论宽高比，选取理论宽高比与样品整体低分辨率图像的宽高比之间的差值最小的组合作为网格尺寸。

10、在一些示例性的实施例中，将预处理后的各子图像映射至空白画布的对应位置，生成全景拼接图像，包括：以坐标文件中各坐标值的最大横向值与最小横向值的差值作为画布宽度，以坐标文件中各坐标值的最大纵向值与最小纵向值的差值作为画布高度，按照画布宽度和画布高度创建空白画布；依次读取预处理后的各子图像及其对应的坐标信息，将各子图像按照坐标信息中记录的位置参数放置于空白画布的对应坐标区域；对于网格尺寸中未被子图像覆盖的空余区域，填充为背景色。

11、在一些示例性的实施例中，根据成像类型对全景拼接图像执行差异化后处理，包括：当成像类型为光学显微图像时，对全景拼接图像执行背景色匹配与圆形底座合成；当成像类型为背散射电子图像时，对全景拼接图像执行掩膜提取、带坐标网格的圆形背景合成及比例尺添加。

12、在一些示例性的实施例中，对全景拼接图像执行背景色匹配与圆形底座合成，包括：计算全景拼接图像边缘区域的像素色彩均值；根据像素色彩均值生成与全景拼接图像边缘色彩相协调的全局背景色；生成具有圆形视场的底座图像，底座图像的尺寸与全景拼接图像的尺寸相匹配；将全景拼接图像叠加于底座图像的圆形视场范围之内，使合成后的图像呈现与样品实际底座形态一致的圆形观测视场。

13、在一些示例性的实施例中，带坐标网格的圆形背景合成，包括：生成具有预设列数和预设行数的坐标网格背景板，坐标网格背景板的横轴以数字序列编号标记，纵轴以字母序列编号标记；将坐标网格背景板裁剪为圆形背景板；根据全景拼接图像中样品区域与背景区域的灰度差异，构建用于提取样品颗粒区域的二值掩膜；将二值掩膜覆盖范围内的样品颗粒区域叠加至圆形背景板的网格图层之上，使网格线条在样品颗粒的间隙区域以及圆形背景板的边缘区域保持可见。

14、根据本发明的第二个方面，提供了一种显微图像处理装置，包括：图像采集模块，用于采集样品的子图像序列，并获取样品整体低分辨率图像，子图像序列为光学显微子图像序列和/或背散射电子子图像序列；预处理模块，用于根据子图像序列的成像类型执行差异化预处理，得到预处理后的子图像序列；网格确定模块，用于根据样品整体低分辨率图像的宽高比及子图像序列中的子图像总数，确定全景拼接的网格尺寸；坐标生成模块，用于调用外部拼接工具以仅生成坐标文件而不输出全景大图的工作模式运行；若外部拼接工具正常运行，获取其生成的坐标文件；若外部拼接工具因输出像素总数超限而异常终止，响应于捕获的异常信息，读取已生成的历史坐标文件；初始生成模块，用于根据网格尺寸创建空白画布，并根据坐标文件中的坐标信息，将预处理后的各子图像映射至空白画布的对应位置，生成全景拼接图像；目标生成模块，用于根据成像类型对全景拼接图像执行差异化后处理，生成标准化成果图。

15、（三）有益效果

16、从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种显微图像处理方法及装置，至少具有如下有益效果：

17、（1）提升图像拼接质量，通过针对光学显微图像与背散射电子图像分别建立差异化的预处理策略，光学显微图像经平场校正后消除了光照不均与镜头响应差异引入的背景噪声，保障了输入拼接流程的图像质量一致性；背散射电子图像则直接进入拼接流程，避免了不必要的计算开销以及因预处理不当引入的人为伪影。上述差异化预处理策略显著提升了不同类型显微图像的拼接精度与全景图质量。

18、（2）实现拼接网格尺寸的自动化适配，通过获取样品整体低分辨率图像的宽高比及子图像总数，以理论拼接画幅宽高比与样品实际宽高比的匹配程度为准则，自动遍历所有可能的网格行列组合并选取最优解，避免了传统方法中需由人工根据经验设定网格尺寸所带来的不确定性。本发明实现了对不同形状、尺寸样品的自动化适配，无需人工干预即可确定最优拼接布局，显著提升了处理效率与批量化处理能力。

19、（3）突破输出像素上限约束，实现超大尺寸全景图生成，通过调用外部拼接工具以仅生成坐标文件而不输出全景大图的工作模式运行，并在拼接工具因输出像素总数超限而异常终止时读取已生成的历史坐标文件，基于坐标信息将各子图像映射至空白画布完成拼接，突破了外部拼接工具对输出图像像素总数的硬性限制，使得超大尺寸样品的高分辨率全景图生成不再受限于工具的内存或数组容量约束。

20、（4）实现全景成果图的科学标准化输出，通过根据成像类型执行差异化的标准化后处理，对于光学显微图像，执行背景色匹配与圆形底座合成，生成与实际样品底座形态一致的标准化展示视图；对于背散射电子图像，执行掩膜提取以分离样品颗粒区域，并叠加坐标网格及比例尺，使最终成果图同时具备颗粒区域快速定位与空间尺度测量功能，便于科学数据的归档、共享与跨机构区域指认。