一種基于實時數(shù)字圖像處理的同步輻射微探針自動化掃描新方法

梁東旭　　蘭旭穎　　閆　帥　　張繼超　　李愛國（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所　嘉定園區(qū)　　上海　201800）

國家自然科學(xué)基金（No.11205237、No.U1332120）資助

第一作者：梁東旭，男，1984年出生，2010年于北京航空航天大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域為同步輻射光束線站控制和數(shù)據(jù)采集

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一種基于實時數(shù)字圖像處理的同步輻射微探針自動化掃描新方法

梁東旭蘭旭穎閆帥張繼超李愛國
（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū)上海201800）

國家自然科學(xué)基金（No.11205237、No.U1332120）資助

第一作者：梁東旭，男，1984年出生，2010年于北京航空航天大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域為同步輻射光束線站控制和數(shù)據(jù)采集

摘要在上海光源硬X微聚焦及應(yīng)用光束線站（BL15U1）上實現(xiàn)了一種基于實時數(shù)字圖像處理的同步輻射微探針自動化掃描方法。該方法采用高靈敏度、高幀率的數(shù)字電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）顯微鏡實時成像，通過對顯微鏡系統(tǒng)和X光微米探針系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使用戶在圖像空間直接點(diǎn)擊到感興趣的位置后，樣品臺就自動將該點(diǎn)移入光路。在設(shè)定好掃描時間、掃描步長等必要的實驗參數(shù)后，只需要用鼠標(biāo)在圖像空間圈出需要掃描的區(qū)域，系統(tǒng)將自動生成XPS運(yùn)動控制器的運(yùn)動配置文件，并驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，對該區(qū)域進(jìn)行微束熒光掃描成像。結(jié)果表明，該方法不僅可以提高同步輻射機(jī)時的使用效率，而且可以滿足微區(qū)研究人員快捷、方便的自動化操作需求。

關(guān)鍵詞同步輻射，數(shù)字電荷耦合器件成像，微束熒光分析，自動化掃描

A new synchrotron radiation microprobe automatic scanning method based on real-time digital image processing techniques

LIANGDongxuLANXuyingYANShuaiZHANGJichaoLIAiguo
（Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences， Jiading Campus， Shanghai 201800， China）

Abstract Background:AutomationisatrendofthehardX-raymicroprobetechnologyespeciallyforthe synchrotronradiationapplicationwherethebeamlinetimeishighlydemanded.Purpose:Inordertorealizethe synchronousradiationmicroprobefluorescenceautomationscanningatShanghaiSynchrotronRadiationFacility （SSRF）hardX-raymicrofocusbeamline（BL15U1），areal-timedigitalimageprocessingbasedmethodisstudiedand developedinthispaper.Methods:Theproposedsystemconsistsofahighsensitivity＆highframerateCharge CoupledDevice（CCD）imagingsystemandaXPSmotioncontrolsystem.Samplealignmentisintegratedintothe microprobescanningfunctionswhichallowuserstodirectlyclicktheinterestedpositionintheimagetomovesthe sampleintotheX-raybeampath.ItintelligentlyalignsthespecifiedpointonsamplesurfacetotheX-raybeamspot. Whiledoingthemicroprobescanning，userscanspecifyanyinterestedregiononsamplesurfaceandsetthe experimentalscanningparameters（timerange，scanningsteps，andsoon），thenthesystemautomaticallygeneratesa XPSmotioncontrollerconfigurationfileformicroprobescanning，anddrivesthemotorstoimplementscanning. Results:Experimentaltestingshowedthatthefluorescencemappingofstandardgoldmaskwasobtainedby automationscanningandcouldquicklymatchtheregionofinterest（ROI）ontheCCDimage.Conclusion:Thenewautomaticsystemcanimprovethemicroprobescanningsignificantly，andthesoftwareinterfaceismuchmore user-friendly.

Key words Synchrotronradiation，DigitalCCDimaging，Microprobefluorescenceanalysis，Automationscanning

上海光源硬X射線微聚焦及應(yīng)用光束線站（ShanghaiSynchrotronRadiationFacilityhardX-ray microfocusbeamline，SSRF-BL15U1）于2009年4月建成，為國內(nèi)首條基于第三代同步輻射光源的具備開展微米亞微米空間分辨研究能力的硬X射線微探針實驗裝置，其在最小光斑尺寸1.6μm×1.8μm的情況下光通量達(dá)到1.8×1011photons/s·μm2/0.1%BW，并配備了先進(jìn)的探測系統(tǒng)，線站能力達(dá)到了國際先進(jìn)水平[1]。

傳統(tǒng)的“走/?！蹦Ｊ綗晒獬上裰瘘c(diǎn)掃描方法是由用戶通過移動樣品臺電機(jī)，確定矩形感興趣區(qū)的空間坐標(biāo)，并手動將其輸入掃描程序。掃描過程中，水平、垂直方向的電機(jī)先運(yùn)動到起點(diǎn)，再進(jìn)行第一個位置點(diǎn)的熒光數(shù)據(jù)和光強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集，然后電機(jī)移動到第二個位置點(diǎn)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，之后采集第三個位置點(diǎn)。以此類推，直到遍歷感興趣區(qū)范圍內(nèi)所有像素點(diǎn)。電機(jī)起動、停止和中間等待的過程消耗了很多時間。BL15U1已經(jīng)研究出on-the-fly快速掃描熒光成像實驗方法[2]，節(jié)約了這部分“浪費(fèi)”的機(jī)時。但掃描范圍仍必須是矩形，且需用戶手動輸入坐標(biāo)。

自動化是硬X微探針技術(shù)的一個趨勢[3]。自動化微探針數(shù)據(jù)采集一方面可以使寶貴的同步輻射機(jī)時更有效的使用，另一方面可以大大提高微區(qū)分析研究人員的研究效率，讓他們把時間集中到更重要的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系的研究上。

本文采用基于高靈敏度、高幀率數(shù)字圖像控制器（Charge-coupledDevice，CCD）的實時成像方法，并集成光強(qiáng)探測、熒光探測和高精度運(yùn)動控制等功能，將各控制、采集單元由以太網(wǎng)相連[4]，基于國際主流的EPICS（ExperimentalPhysicsandIndustrial ControlSystem）平臺[5]在上海光源硬X微聚焦及應(yīng)用光束線站實現(xiàn)了一種基于實時數(shù)字圖像處理的同步輻射微探針自動化掃描方法。該方法操作便捷，并支持任意圖形選區(qū)，能夠高效地利用掃描時間。為了確認(rèn)該自動化方法的實際效果，掃描了標(biāo)準(zhǔn)金網(wǎng)，獲得了高質(zhì)量的元素分布圖像。

1　原理與方法

1.1實驗原理

熒光分析就是利用物質(zhì)的分子或原子受外來光源輻照后，分子或原子受激發(fā)，當(dāng)它們退激后發(fā)出熒光，熒光的波長與分子或原子的能級結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此測量熒光的波長和強(qiáng)度就可用來確定發(fā)出該熒光的元素種類和含量，確定樣品組成[6]。

常規(guī)的“走/?！睙晒鈷呙枘Ｊ?，和BL15U1已實現(xiàn)的“飛行”掃描模式，均要求圈定的感興趣區(qū)必須是矩形，而且邊界必分別與樣品支撐臺的水平和垂直坐標(biāo)軸平行。由于待測樣品形狀各異，幾乎不存在能夠與所圈定的矩形框完全重合的樣品。當(dāng)采用如上兩種方式進(jìn)行掃描時，都必須將掃描區(qū)域設(shè)置為一個包括待測的不規(guī)則形狀樣品區(qū)域和空白區(qū)域的一個矩形框。因此，很多掃描時間浪費(fèi)在了空白區(qū)域上。另外由于樣品顯微鏡中的圖像只用于目測，不能夠進(jìn)行數(shù)字化處理，因此用戶需手動調(diào)節(jié)樣品支撐臺，找到待測矩形邊界的坐標(biāo)，并手動輸入掃描界面，該過程繁瑣且占用時間。

本文基于實時數(shù)字圖像處理，實現(xiàn)任意圖形的同步輻射微探針自動化掃描方法。該方法集成數(shù)字圖像與EPICS平臺的通信接口，通過用戶在圖像上的鼠標(biāo)指令獲取像素位置、操作模式等信息，經(jīng)過自動變換并傳輸?shù)紼PICS環(huán)境，對EPICS下的電機(jī)運(yùn)動、掃描參數(shù)等進(jìn)行配置，并能夠自動生成電機(jī)運(yùn)動配置文件，驅(qū)動XPS運(yùn)動控制器和SSCAN掃描程序聯(lián)動，同步獲取光強(qiáng)探測器和熒光探測器的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)任意形狀的二維熒光成像。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這時，我會想，母親每次罵完我，心里也會疼的吧？慢慢地，當(dāng)年對她的那些恨和不滿，越來越淡。我開始三天兩頭就回娘家看看她，我好像習(xí)慣了她訓(xùn)我，然而，她罵我卻罵得越來越少，反過來，我開始經(jīng)常數(shù)落她了。我怪她光會省錢，怪她操心太多，怪她不懂得照顧自己……

圖1為BL15U1實驗站在進(jìn)行同步輻射微探針自動化掃描時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　自動化掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 　Shematic　structure　of　automation　scanning　system.

如圖1所示，光束線經(jīng)過前電離室進(jìn)行光通量采集后經(jīng)K-B鏡聚焦在樣品處。樣品顯微鏡將可視圖像實時聚焦到數(shù)字CCD上成像，數(shù)字CCD將圖像數(shù)字化并傳入PC機(jī)，實驗人員在PC上圈定感興趣區(qū)后，通過數(shù)字CCD的驅(qū)動軟件與EPICS系統(tǒng)下XPS運(yùn)動控制器的接口驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，固體探測器同時進(jìn)行熒光譜采集[7]，最終得到掃描圖像。

數(shù)字CCD選用AlliedVisionTechnology的高精度數(shù)字CCD。其通過基于千兆網(wǎng)的GigE協(xié)議傳輸圖像數(shù)據(jù)，分辨率高，且在最大分辨率1380×1024像素下，幀率可達(dá)30fps，能夠充分滿足實驗要求。它支持多種顯示制式，并可通過專用驅(qū)動軟件與EPICS系統(tǒng)相兼容。

1.3軟件實現(xiàn)

整體思路是基于EPICS下的areaDetector軟件包開發(fā)數(shù)字CCD的驅(qū)動程序，以EPICS_AD_Viewer工具作為實時圖形顯示軟件，并以java語言編寫基于圖形的電機(jī)控制及掃描區(qū)域信息獲取軟件。采用XPS運(yùn)動控制器的mapping模式[8]驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動、EPICS下的SSCAN輸入/輸出控制（Input/Output Controller，IOC）獲取數(shù)據(jù)，得到最終的實驗結(jié)果。

軟件主要包括圖像顯示軟件、基于圖像的電機(jī)控制和選取信息獲取軟件和熒光二維掃描軟件。其中圖像顯示軟件的底層硬件驅(qū)動采用EPICS下的areaDetector驅(qū)動軟件包、人機(jī)交互界面采用java語言，并作為ImageJ的插件進(jìn)行編寫；基于圖像的電機(jī)控制和選取信息獲取軟件同樣使用java語言，并基于java與EPICS的通信接口函數(shù)庫jca實現(xiàn)與電機(jī)控制系統(tǒng)的通信；熒光二維掃描軟件基于BL15U1已實現(xiàn)的SSCAN掃描程序，并整合XPS運(yùn)動控制器驅(qū)動，實現(xiàn)與電機(jī)運(yùn)動同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中java語言編寫的代碼約為1500行，而二維掃描軟件基于原有程序進(jìn)行修改，代碼量幾乎沒有增加。

1.3.1圖像顯示軟件

為提高程序的易用性和開發(fā)效率，本文以ImageJ下的插件方式實現(xiàn)人機(jī)交互界面。ImageJ是一個基于java的公共圖像處理軟件，它內(nèi)含豐富的圖像處理功能，并且自帶java編譯器，編程人員可使用java語言直接基于ImageJ編寫插件。在使用時由ImageJ中調(diào)用該插件即可。采用該方案，可以在程序開發(fā)過程中直接調(diào)用ImageJ中封裝好的一系列圖像處理函數(shù)和對象，便捷地從堆棧中讀取由底層硬件驅(qū)動areaDetector采集到的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過繪圖代碼處理后將圖像輸出到顯示器上。

為能精確定位，所顯示的圖像中必須有一個基準(zhǔn)點(diǎn)。本文在圖像中心位置設(shè)定顯示一個十字叉絲“＋”，并以叉絲的中心作為基準(zhǔn)點(diǎn)。采用在讀出堆棧中的圖像矩陣后，通過對相應(yīng)位置的像素值進(jìn)行修改的方式來實現(xiàn)叉絲顯示。

1.3.2選區(qū)信息獲取和電機(jī)控制軟件

選區(qū)信息獲取和電機(jī)控制軟件主要是基于圖像實現(xiàn)樣品與光路的自動對準(zhǔn)以及掃描區(qū)域信息的獲取。該部分軟件使用java語言，并基于java與EPICS的通信接口函數(shù)庫jca實現(xiàn)圖像顯示軟件與電機(jī)控制系統(tǒng)的通信。其基本原理為：通過判斷程序設(shè)置及處理鼠標(biāo)事件，獲取圖像中相應(yīng)位置的像素信息，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，觸發(fā)程序?qū)PICS的電機(jī)控制通道賦值驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，帶動樣品自動對準(zhǔn)于光路中心；或者根據(jù)圈定的圖形信息，經(jīng)坐標(biāo)變換后生成電機(jī)運(yùn)動配置文件。

本文所選用的數(shù)字CCD分辨率為1380×1024像素，即水平方向有1380個像素點(diǎn)，軟件中依次記作0-1379，垂直方向有1024個像素點(diǎn)，軟件中依次記作0-1023。則在顯微鏡坐標(biāo)系下，圖像中心位置的理論像素坐標(biāo)值為（679.5，511.5）。設(shè)圖像上鼠標(biāo)點(diǎn)擊處的像素坐標(biāo)為（nx，nz），則該點(diǎn)在樣品臺坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（X，Y）為：

式中：k為空間長度與圖像上像素數(shù)的比值；X0、Z0分別為當(dāng)前圖像中心在樣品臺坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

1.3.3熒光二維掃描軟件

采用了基于EPICS的motor6.7軟件包，編譯后驅(qū)動XPS運(yùn)動控制器，實現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動控制。并載入由圖像處理軟件生成的電機(jī)運(yùn)動軌跡配置文件，使電機(jī)實現(xiàn)任意軌跡運(yùn)動。同時在SSCAN中加入狀態(tài)機(jī)，同步采集掃描過程中每個樣品點(diǎn)的空間位置和熒光探測器探測到的熒光信號，并實時保存實驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)任意軌跡的熒光二維掃描。

1.3.4自動化軟件流程圖

在實驗操作人制備并安裝好樣品后，整個實驗過程由軟件自動化完成，流程圖如圖2所示。

2　實驗驗證

實驗驗證樣品采用標(biāo)準(zhǔn)金網(wǎng)，網(wǎng)格大小為76.2μm×76.2μm。首先根據(jù)電機(jī)的運(yùn)動量與相應(yīng)圖像上像素點(diǎn)的改變值測得像素與實際位移的比例關(guān)系，并作為參數(shù)代入坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式中。然后在圖像上圈定掃描區(qū)域，由軟件自動將顯微鏡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到樣品臺坐標(biāo)，并生成XPS運(yùn)動控制器配置文件。將文件導(dǎo)入XPS運(yùn)動控制器，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，并開啟掃描軟件進(jìn)行掃描。

圖2　自動化掃描軟件流程圖Fig.2 Flow　chat　of　automation　scanning　software.

2.1區(qū)域選定

選取的感興趣區(qū)域如圖3圈中所示。

圖3　選定的感興趣區(qū)域Fig.3 　The　chosen　region　of　interest.

2.2電機(jī)運(yùn)動軌跡

根據(jù)實驗結(jié)果中記錄的電機(jī)位置信息，繪制電機(jī)運(yùn)動軌跡曲線如圖4所示。

如圖4所示，電機(jī)由原點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行往復(fù)的掃描運(yùn)動，運(yùn)動軌跡與選區(qū)圖示一致。

圖4　電機(jī)運(yùn)動軌跡Fig.4 　Trajectory　of　motors.

2.3實驗結(jié)果分析

根據(jù)所得的掃描數(shù)據(jù)繪制出樣品中金元素的二維分布如圖5所示。由圖5可以看出，掃描結(jié)果的輪廓和元素分布均與顯微鏡中的圖像選區(qū)一致。對于實驗中所選圖形，若采用傳統(tǒng)的矩形掃描方式，則需多花費(fèi)20%-30%的時間于非感興趣區(qū)的掃描；而采用本文中的自動化掃描方法，則節(jié)省下了這部分機(jī)時，提高了實驗效率。整個實驗過程中，軟件的CPU占用主要來自于高分辨率圖像數(shù)據(jù)的實時采集和顯示，實測CPU占用率約為25%，整套軟件對系統(tǒng)資源的占用并不明顯。

圖5　金元素二維分布掃描結(jié)果Fig.5　Scanning　result　of　the　2-D　distribution　of　Au.

3　結(jié)語

基于實時數(shù)字圖像處理的同步輻射微探針自動化掃描方法可以使實驗人員通過對顯微鏡上的實時數(shù)字圖像進(jìn)行操作，以實現(xiàn)區(qū)域選取和自動化掃描等功能，簡便、高效地進(jìn)行實驗，得到高質(zhì)量的熒光成像結(jié)果。與傳統(tǒng)的掃描方法相比，該方法支持任意圖形選區(qū)，節(jié)省了在實驗人員不關(guān)心的區(qū)域進(jìn)行掃描所浪費(fèi)的時間，并且電機(jī)運(yùn)動采用“飛行”模式，節(jié)省了電機(jī)在每個采樣點(diǎn)起動和停止所浪費(fèi)的時間。

本文成功實現(xiàn)了基于實時數(shù)字圖像處理的同步輻射微探針自動化掃描方法，使得上海光源微聚焦線站在熒光分析方法學(xué)上有了進(jìn)一步的發(fā)展，同時節(jié)省了實驗時間，簡化了操作步驟，使得實驗站軟件平臺更加高效、易用，大大提高了用戶工作效率。

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DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.010101

中圖分類號TL99

收稿日期：2015-09-10，修回日期：2015-11-05

Correspondingauthor:LIAiguo，E-mail:liaiguo@sinap.ac.cn

通信作者：李愛國，E-mail:liaiguo@sinap.ac.cn
SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（No.11205237，No.U1332120）
Firstauthor:LIANGDongxu，male，bornin1984，graduatedfromBeijingUniversityofAeronautics＆Astronauticswithamaster’sdegreein2010，focusingoncontrolanddataacquisitionforsynchrotronradiationbeamline