微操作系统的实时显微立体成像研究

　　微操作系统用于完成微进给、微注射、微夹持等微米级操作。在生物医学领域,微操作系统可用于外源基因导入、细胞分割等微细操作[1];在微机械领域,微操作系统是加工和装配复杂微系统不可缺少的工具。显微成像单元是从微观世界向宏观世界传递视觉信息的通道,是微操作系统的重要组成部分。操作者通过显微成像单元观察微观场景,操纵微针、微夹钳等末端微操作器进行微操作。生产转基因用微操作系统的公司主要有德国的EPPENDORF公司和日本的OLYMPUS公司,国内的大连理工大学、北京航空航天大学和南开大学等也在积极开展这方面的研究[2,3]。目前,微操作系统上所用的显微成像单元主要采用平面成像方式,只能用于观测2维平面图像,操作者对微观场景没有深度感,沿光轴方向对准操作非常困难。因此研究能用于观测3维微观场景的显微立体成像技术是很有必要的。

　　本文根据时分立体成像原理,提出了双缓冲快速刷新图像方法,研制出显微立体成像单元,实现在计算机显示器上实时、无闪烁地显示彩色显微立体图像,将操作者从显微镜目镜前解放出来。观察者通过3D液晶眼镜观察计算机屏幕,能感知微小物体的深度,这有助于提高微操作的精细程度;通过显微立体成像单元摄取的图像对,还可用于3维重构,获取显微视场的3维数据,使微操作过程的3维智能运动控制成为可能。显微立体成像技术在生物学、微机械、虚拟现实等研究领域具有广阔的应用前景。

　　1　立体成像技术概述与拓展

　　立体成像可分为空间多路复用成像和时分立体成像。

　　空间多路复用成像技术是根据偏振光或全息照相的原理,使观察者在一定范围内能从多方位观察不同深度的3维立体图像。空间多路复用成像技术可以使观察者能看到连续的立体图像,近年来这种技术在电子娱乐和虚拟现实领域应用比较广泛,但在实时立体显示方面还存在传输数据量大、摄取图像的装置复杂等难以解决的问题,而且需要专用的显示设备。

　　时分立体成像由2台摄像机模拟人眼同步摄像,然后在同一显示设备上交替显示摄取的立体图像对,并控制观测设备光阀同步开关,使操作者左右眼分别接受左右摄像机的图像,经观察者大脑融合后产生立体感[4,5]。应用时分立体成像技术的一个主要问题是如何消除图像交替显示产生的闪烁。

　　人眼受脉冲光照射,当重复频率低于临界闪烁频率时,会产生忽明忽暗的闪烁感觉,这是由于有光和无光在亮度上有可分辨的差异所致。如果将重复频率提高到临界闪烁频率以上,人眼就感觉是被连续光照射,闪烁现象消失。临界闪烁频率和很多因素有关,一般认为临界闪烁频率在45.8Hz左右。当采用时分立体成像显示方式,由于观察者左眼看到左图像时,右眼被液晶光阀遮挡,只能看到一片暗区,这样每只眼睛所能感受的脉冲光频率只是显示设备交替刷新频率的一半,所以使配戴立体眼镜的观察者不感觉闪烁的临界交替刷新频率应是常规临界闪烁频率的两倍即91.6Hz。由此可知,提高交替显示频率高于91.6 Hz是解决实时彩色显微立体成像闪烁问题的关键,这就需要每秒钟至少应交替显示92帧图像。由于标准摄像机的帧频为25 Hz,其正常交替传输频率只有50 Hz,远远低于临界交替显示频率,必须采用一定措施来提高交替显示频率,才能获得无闪烁立体效果。