Implementation of panoramic image acquisition system based on stitching in microscopic imaging
تقدم هذه الورقة نظام تصوير بانورامي مجهري يستخدم التوجيه البصري للتحكم في حركة التحريك والإمالة، ويوظف تقنيات دمج الصور لإنشاء مناظر بانورامية عالية الدقة (15488 × 15456) من مدخلات منخفضة الدقة (640 × 480)، مما يتغلب على محدودية مجال الرؤية المتأصلة في المجهر التقليدي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم البيولوجيا وعلوم المواد، يعد رؤية التفاصيل الدقيقة لخلية أو شريحة إلكترونية أمرًا ضروريًا، ولكن هناك مقايضة مستمرة بين مدى قرب ما تنظر إليه وبين مقدار ما يمكنك رؤيته في آن واحد. تعمل المجاهر عالية القدرة مثل عدسة مكبرة تُمسك بالقرب جدًا من نقطة واحدة؛ فهي تكشف عن تفاصيل مذهلة، لكن الرؤية تكون ضيقة للغاية لدرجة أن السياق المحيط يختفي. تقليديًا، كان على العلماء تحريك شريحة يدويًا تحت العدسة، والتقاط صورة لنقطة صغيرة واحدة، ثم التحريك مرة أخرى، والتقاط صورة أخرى، آملين في تجميع خريطة ذهنية للمشهد بأكمله. هذه العملية اليدوية بطيئة، وعرضة للخطأ البشري، وغالبًا ما تفشل في التقاط الصورة الكاملة للعينة. ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى طريقة تسمى "تجميع الصور" (image stitching)، حيث يقوم الكمبيوتر بأخذ العديد من الصور الصغيرة والمتداخلة ودمجها في بانوراما واحدة كبيرة عالية الدقة. ومع ذلك، فإن جعل هذه الصور تتطابق تمامًا يتطلب حركة دقيقة وطريقة تجعل الكاميرا تعرف موقعها بالضبط بالنسبة للجسم، وهو تحدٍ كان يتطلب غالبًا آلات معقدة وباهظة الثمن.
قام فريق من الباحثين من جامعة نانجينغ وجامعة نانجينغ للتكنولوجيا الجوية والفضائية بتطوير طريقة أكثر سهولة لتحقيق هذه الرؤية البانورامية. لقد بنوا نظامًا يجمع بين كاميرا صناعية قياسية ومنصة بسيطة بمحرك تحرك العينة ذهابًا وإيابًا. يكمن الابتكار الجوهري في كيفية تحكم هذا النظام في هذه الحركة. فبدلاً من الاعتماد على مسارات مبرمجة مسبقًا أو مستشعرات باهظة الثمن، يستخدم النظام تقنية تُعرف باسم "التوجيه البصري" (visual servoing). وببساطة، "تنظر" الكاميرا باستمرار إلى حافة العينة التي تقوم بتصويرها. ومن خلال تحليل السطوع والحواف في زوايا عرضها الحالي، يمكن للكمبيوتر أن يحدد ما إذا كان في منتصف العينة، أو بالقرب من الأعلى، أو في الأسفل. وبناءً على هذا التغذية الراجعة البصرية، يرسل الكمبيوتر تعليمات إلى المحركات لتحريك العينة بما يكفي لتصوير القسم المتداخل التالي، والتوقف تلقائيًا عندما يتوافق العرض الجديد تمامًا مع العرض السابق.
قام الباحثون بإنشاء منصة متحركة ثنائية الأبعاد باستخدام ثلاثة محركات خطوية (stepper motors) ووحدة تحكم منخفضة التكلفة. وضعوا عينة اختبار على هذه المنصة وغطوا المنطقة المحيطة بزجاج أسود مطفي لضمان أن الكاميرا لا ترى سوى الجسم المراد تصويره. وقبل أن يعمل النظام، تعين على الفريق تعليم الكمبيوتر العلاقة بين حركة المحركات والبكسلات على شاشة الكاميرا. فقد استخدموا لوحة معايرة ذات قياسات معروفة لتحديد عدد خطوات المحرك المطلوبة بدقة لتحريك الصورة بمقدار بكسل واحد. كما وضعوا عامل تحويل لضمان أن تتضمن الصور النهائية شريط مقياس، مما يسمح للمستخدم بقياس الحجم الفيزيئي الفعلي للمعالم مباشرة من الصورة الرقمية. وقد ضمنت هذه المعايرة أن يعرف النظام المسافة الدقيقة التي يجب أن يتحركها لإنشاء التداخل اللازم بين الصور دون تفويت أي جزء من العينة أو التقاط الكثير من المساحات الفارغة.
بمجرد المعايرة، بدأ النظام عمله من خلال تحديد حدود العينة. قام البرنامج بتقسيم عرض الكاميرا إلى أقسام وفحص متوسط السطوع عند الحواف. إذا كانت الحافة العلوية للمشهد مظلمة، فإن النظام يعرف أن العينة تقع تحت تلك الحافة ويحرك المنصة للأعلى. وإذا كانت الحافة اليسرى مظلمة، فإنه يحرك المنصة جهة اليمين. استمرت هذه العملية حتى تم تغطية العينة بأكملها بشبكة من الصور المتداخلة. اختار الباحثون مناطق محددة عند حواف كل صورة لتعمل كنقاط مرجعية. وباستخدام طريقة تسمى "مطابقة القوالب" (template-matching)، وجد الكمبيوتر نفس هذه النقاط المرجعية في الصورة التالية وحسب بدقة كيفية محاذاتها. ولأن العينة تتحرك في خط مستقيم دون دوران أو تغيير في الحجم، أمكن تكديس الصور معًا مثل البلاط على الأرض دون الحاجة إلى تصحيحات هندسية معقدة.
كانت نتائج هذا النهج مذهلة. فباستخدام كاميرا ذات دقة منخفضة نسبيًا تبلغ 640 في 480 بكسل، نجح النظام في تجميع صورة بانورامية ضخمة بدقة 15,488 في 15,456 بكسل. التقطت هذه الصورة النهائية المشهد بأكمله بوضوح عالٍ، مع الحفاظ على التفاصيل التي قد تضيع في لقطة واحدة منخفضة الدقة. اختبر الباحثون النظام بحركات أفقية وعمودية، مؤكدين عدم فقدان أو تشويه أي معلومات أثناء عملية التجميع. وبينما أظهرت الصورة البانورامية النهائية بعض الفواصل المرئية حيث تلتقي الصور الفردية، فقد أثبت النظام بنجاح أن الإعداد البسيط ومنخفض التكلفة يمكنه أتمتة التقاط المشاهد المجهرية عالية الدقة. وتخلص الدراسة إلى أن هذه الطريقة تقدم بديلاً عمليًا للأنظمة التصويرية المتطورة وباهظة الثمن، مما يجعل من الممكن إنشاء مشاهد تفصيلية كاملة للخلايا البيولوجية والهياكل الدقيقة بأقل قدر من التدخل اليدوي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.