光子学报
2023, 52(12): 1212003
1 江苏大学电气信息工程学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏科技大学经济管理学院, 江苏 镇江 212100
三七是一种传统的中药材, 具有较高的药用价值。 目前市场上中药售假的现象屡见不鲜, 许多不法商贩将三七支根或剪口粉末假冒主根粉末销售, 严重损害了消费者的利益。 利用高光谱技术结合多元分析方法实现三七不同部位粉末的快速无损鉴别。 通过高光谱成像系统分别采集了三七剪口、 须根和主根粉末在400~1 000 nm范围内的高光谱图像, 共300个样本。 采用Savitzky-Golay（SG）平滑结合标准变量变换（SNV）的方法对高光谱数据进行去噪和消除因散射引起的光谱差异。 为了移除光谱变量中的重迭和冗余信息, 利用竞争自适应重加权采样（CARS）算法和本文提出的一种考虑了变量间交互作用的二进制竞争自适应重加权采样（BCARS）算法进行特征波长选择。 最后分别建立了基于全光谱、 CARS和BCARS特征波长的支持向量机（SVM）和极端梯度提升（XGBoost）分类模型。 结果表明, BCARS-XGBoost模型的分类效果最优, 训练集和测试集的分类准确率分别为100%和99.33%。 与CARS相比, BCARS所选择的特征波长数量较少, 有助于多光谱系统和便携式仪器的开发。 利用高光谱技术结合BCARS-XGBoost模型鉴别三七不同部位粉末是可行的。
高光谱 三七 极端梯度提升 特征波长选择 Hyperspectral imaging Panax notoginseng XGBoost Feature wavelength selection 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2027
1 合肥学院生物食品与环境学院，安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
浮游藻类密度监测对水质状况诊断及藻华灾害预警具有重要意义。因此，提出一种基于微流控-显微荧光技术的浮游藻细胞密度检测方法。该方法基于微流控技术实现样品快速定量进样，利用共聚焦显微荧光结构实现藻细胞特征荧光信号的高信噪比采集，并通过分析荧光峰信息实现浮游藻细胞计数。以杜氏盐藻、色球藻、隐藻和赤潮藻为测试对象的结果表明：在1.3×106 L-1密度范围内测量相对误差均小于3.96%，且准确率不受悬浮物、藻细胞种类以及尺寸的影响；在10%允许误差下，藻类密度检测上限可提升至5×106 L-1，完全能够满足自然水体浮游藻细胞密度检测需求，为水体藻细胞密度快速准确检测提供了新途径。
浮游藻类 显微荧光 微流控 藻细胞计数 光学学报
2023, 43(18): 1812002
1 合肥学院 生物学院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
4 安徽大学, 安徽 合肥 230601
5 安徽省合肥生态环境监测中心, 安徽 合肥 230088
流式细胞显微图像分析法是水体浮游藻类自动鉴别的重要发展方向，快速进样条件下细胞显微图像将产生形变，影响浮游藻类自动鉴别准确率。本文基于搭建的浮游藻类微流控-显微成像实验系统，通过对不同进样流速下藻类细胞显微形变和图像清晰度的分析，研究了流速对显微成像形变的影响规律。分析基于卷帘快门拍摄运动物体产生形变原理，提出了单向偏移像素的图像形变校正方法，并与藻类细胞静态条件下获取的图像进行了对比分析。实验结果表明：静态条件下，湖生卵囊藻细胞的图像长宽比及清晰度均值分别为1.16和116.53；动态进样过程中，随着流速增大细胞图像形变（长宽比）逐渐增大、清晰度降低；95 µL/min进样流速下，校正前后细胞图像长宽比均值分别为1.35和1.26，形变离散程度由校正前的0.33降至0.1，与静态细胞形态接近且校正前后图像清晰度基本不变。本文研究结果为提升水体浮游藻类细胞自动鉴别准确率提供了依据。
浮游藻类 微流控-显微成像 图像形变 校正方法 planktonic algal microfluidics-microscopic imaging image deformation correction method
1 中国科学院 合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽合肥23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 合肥学院，安徽合肥20601
针对目前浮游植物种类鉴别镜检法中存在的相似形态藻细胞难以区分、同粒径杂质干扰大、藻细胞位置难以定位分割等问题，设计了一种浮游植物明场荧光显微同步成像系统。系统使用高分辨显微成像光路结构、透射式与落射式结合的照明方式和以分光光路为核心的明场荧光双光路同步成像方法，获取浮游植物显微图像下的明场形态信息和色素荧光信息。利用该系统对绿藻门、蓝藻门、硅藻门等不同门类藻种进行明场图像与荧光图像同步成像测试，实验结果表明：系统成像分辨率达1.5 μm，成像周期时间为707 ms，系统采集的图片中藻细胞纹理清晰，细胞边缘明显，利用系统中的明场图像并结合荧光图像，可有效定位藻细胞位置，降低样品中杂质对藻种鉴别的影响，丰富浮游植物显微图像信息量，为基于浮游植物显微图像的相关研究提供方法参考。
浮游植物 显微成像 荧光成像 双光路成像 phytoplankton microscopy imaging fluorescence imaging double optical path imaging 光学 精密工程
2023, 31(12): 1725
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 合肥学院，安徽 合肥 230601
4 安徽省生态环境监测中心，安徽 合肥 230061
5 安徽大学，安徽 合肥 230601
以鱼腥藻、栅藻和盘星藻为分析对象，通过采集多个焦平面的显微图像，基于拉普拉斯能量与引导滤波以及图像HSV颜色空间饱和度分量分别检测显微图像聚焦区域和失焦区域，研究浮游藻类细胞显微多聚焦图像融合方法，并与小波变换、拉普拉斯金字塔以及脉冲耦合神经网络融合方法进行对比分析。结果表明：鱼腥藻、栅藻和盘星藻融合图像的边缘信息保持度、空间频率、平均梯度分别为0.3529、8.9654、0.0055，0.3778、7.0058、0.0023和0.2940、1.5445、0.0005，均优于对比融合方法，具有更好的边缘信息传递能力及更高的图像清晰度，有效实现了浮游藻类细胞显微多聚焦图像融合，为获取浮游藻类细胞的全景深显微图像提供了思路。
图像处理 浮游藻类细胞 显微 多聚焦图像融合 聚焦区域检测 失焦扩散效应 光学学报
2023, 43(12): 1210001
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院安徽省信息材料与智能感知实验室，安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
4 合肥学院生物食品与环境学院，安徽 合肥 230601
浮游藻类的种类多样性和群落结构是水生态环境建设评价的重要指标，利用细胞图像对其进行识别是实现浮游藻类检测的重要手段。相较于传统的显微镜检法，基于深度学习的目标检测算法因更高效的检测能力而越来越多地被运用到浮游藻类检测领域。针对YOLOv3目标检测算法对部分形态小、边界模糊和粘连浮游藻类的检测精度低等问题，采用空间金字塔池化（SPP）结构改进了YOLOv3目标检测算法的特征提取方式，采用广义交并比（GIoU）边界损失函数改进了YOLOv3目标检测算法的边界损失函数，最终构建了一种基于SPP和GIoU改进的YOLOv3浮游藻类检测算法（SPP-GIoU-YOLOv3）。实验结果表明：在检测速度无明显差异的情况下，所提SPP-GIoU-YOLOv3分类检测算法对实验藻类的平均精度均值达95.21%，比YOLOv3目标检测算法提高了4.24个百分点。本研究为发展准确快速的浮游藻类检测方法技术提供了一定的基础。
机器视觉 SPP-GIoU-YOLOv3 目标检测 深度学习 浮游藻类 激光与光电子学进展
2023, 60(2): 0215003
1 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072
2 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024
背景去除是从单幅条纹投影图中恢复相位的重要问题之一，提出了一种改进的模糊c均值（FCM）聚类算法来移除单幅条纹投影图中的背景。该方法使用改进的FCM算法将条纹分为黑、白条纹，并通过改进的FCM目标函数得到背景，从而从条纹投影图中去除背景。将该方法应用在两张模拟图和一张实验图上，并与傅里叶变换方法、基于形态学操作的二维经验模态分解方法、变分分解TV-Hilbert-L2模型进行了比较。实验结果表明，该方法提高了背景去除的能力和相位提取的精度。
成像系统 图像处理 条纹投影图 模糊c均值聚类 傅里叶变换 激光与光电子学进展
2022, 59(24): 2411002
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 合肥学院，安徽 合肥 230601
4 安徽省合肥生态环境监测中心，安徽 合肥 230088
5 安徽大学，安徽 合肥 230601
通过融合浮游植物藻类细胞显微明场图像和荧光图像对浮游植物进行鉴定可以有效提高浮游植物鉴定的精度，然而在图像采集过程中存在明场图像与荧光图像中藻细胞位置不匹配的问题。为此，本文以刚体变换作为明场图像与荧光图像的空间变换模型，以明场HSV颜色空间S通道二值化图像与荧光灰度二值化图像的归一化互信息作为明场图像与荧光图像的相似度，利用粒子群优化算法对小波五级分解的低频分量进行粗配准，然后将初步配准的平移量和旋转角度作为初始值，利用鲍威尔算法对小波三级分解的低频分量进行配准精度微调。栅藻、羊角月牙藻和念珠藻的实验结果表明：对明场图像与荧光图像进行处理后的归一化互信息具有明显的峰值，可以更好地表征浮游藻细胞明场图像与荧光图像的相似度；将粒子群优化算法与鲍威尔算法结合的多分辨率图像配准方法，对栅藻、羊角月牙藻、念珠藻显微明场图像与荧光图像配准的误配率分别为0、9.4%、6.5%，平均配准时间分别为10.43、27.98、17.02 s，配准后的归一化互信息分别为0.673、0.495、0.631。研究结果验证了所提方法在配准精度、运行时间等方面的优势，为融合显微荧光图像和明场图像进行浮游植物鉴定奠定了基础。
生物光学 浮游植物 明场图像 荧光图像 图像配准 互信息 中国激光
2022, 49(24): 2407202
1 复旦大学 工程与应用技术研究院，上海 200433
2 复旦大学 信息科学与工程学院，上海 200438
3 上海超精密光学制造工程技术研究中心，上海 200438
4 复旦大学 光电研究院，上海 200438
5 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621000
针对不透明非球面壳体翻转法测量厚度时，被测件翻转前后需要严格控制定中精度的问题，提出一种基于激光干涉的非接触定中测量技术。配合高精度中空气浮转台、调心调平机构，设计并搭建了一套双向激光干涉定中装置，分别采集翻转前后内外表面不同运动姿态的干涉图，并实时分析其动态特征。基于现代光电探测技术，提出对激光干涉条纹进行实时特征提取算法处理，大幅提高了激光干涉条纹的动态识别精度。对定中精度进行理论分析，并在实验中与确定精度的电感测微计比对验证，实验与理论结果一致，证明所提干涉定中装置及实时特征提取算法可以有效提高定中精度，其绝对误差可达0.424 μm。使用所提干涉定中装置和特征提取算法成功测量了不透明非球面壳体翻转前后相对于气浮转台旋转轴的定中偏差，满足定中要求，为翻转法厚度测量精度提供了定位保障，提高了轮廓及厚度测量数据的准确性。
干涉测量 特征提取 动态特征 实时分析 厚度测量 Interferometry Feature extraction Dynamic characteristics Real-time analysis Thickness measurement
