本发明涉及纳米光学检测技术领域，尤其涉及二维表面等离子体最佳激发角特征提取的方法。
背景技术：
表面等离子体(surfaceplasmonresonance,spr)是金属表面的自由电子非均匀分布的一种表现，其对折射率敏感、能实现免标记检测等优点使得该特性在生物医学、材料、化学等领域有广泛的应用。一般采用的spr耦合方式有棱镜式和高数值孔径(na)油浸显微物镜耦合两种。二者都能够在轴向上实现亚纳米级别的分辨率。尤其是油浸显微物镜耦合式spr能够在二维尺度上激发spr，能够使得其横向分辨率达到亚微米级别。物镜型spr的激发特征表现为在物镜后焦面上形成一对包含在通光孔径内的对称的圆弧吸收带。本发明提出了一种二维表面等离子体最佳激发角位置的直接识别方法，能够对通光孔径边界和spr最佳激发角位置进行精确的定位和识别，相比于传统的对通光孔径半径方向的一维提取，该方法具有精度高、能实现图像的快速识别等优点；且不受现有的二维识别方法需要保证通光孔径与最佳激发角所在圆共心这一条件制约。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
目前对spr最佳激发角位置的图像识别处理往往使用人工方式识别或者进行一维的粗略估计，处理时间长且难以应用到大批量的自动化高精度检测中，且现有的二维自动识别方法需要保证通光孔径所在圆与最佳激发角所在圆共心这一条件，限制了处理识别图像的范围。本发明提供了一种快速、高精度且能直接对spr最佳激发角位置进行识别的方法。
(二)技术方案
为了达成上述目的，本发明提供如下的方案：
步骤1：获得与物镜后焦面共轭的图像传感器采集到的物镜后焦面图像，将其转为灰度图像；
步骤2：将步骤1得到的图像进行分块，而后进行全局阈值与局部阈值相结合的二值化处理以突出通光孔径所在圆与背景的对比度，对二值化后的图像分别进行腐蚀运算和膨胀运算，保证与通光孔径所在圆和最佳激发角所在圆无关的区域(不包括spr圆内部)被尽可能多的移除，对得到的图像建立以左上角为原点，x、y轴正方向分别为向右、向下方向的直角坐标系；
步骤3：利用霍夫变换对通光孔径所在圆的边界进行定位，得到通光孔径所在圆半径r0和圆心在坐标系中的坐标(x0,y0)，根据此定位结果，取裕量δr0并以n＝2×(r0+δr0)为边长，以圆心坐标(x0,y0)为正方形中心，对步骤1中所得图像进行裁剪，以尽量去掉通光孔径外无关的区域，得到n×n大小的正方形图像，建立以新的正方形图像矩阵左上角为原点，x、y轴正方向分别为向右、向下方向的新直角坐标系；
步骤4：将步骤3中裁剪后的图像进行全局阈值与局部阈值结合的二值化处理，以增强通光孔径所在圆内部区域与通光孔径所在圆外部区域的对比度。获取局部阈值时需要将图像分块，为了使得通光孔径区域所在圆与其他区域的对比度效果良好，可以选择更小的分块来获取二值化结果。为了突出spr最佳激发角所在圆弧部分的信息，先将步骤3中所得图像反色，之后将通光孔径所在圆外部及圆周附近区域灰度置零，而后选取合适的形态结构元素图像进行腐蚀处理，使得与spr最佳激发角所在圆无关的区域被尽可能移除；
步骤5：根据步骤4所得图像确定最佳激发角所在圆的边界位置，划定范围获得包含最佳激发角所在圆附近像素的图像，将所得图像与步骤3中所得图像结合，获得包含大部分spr最佳激发角所在圆及其附近的像素的坐标和灰度值的图像，根据所得图像，使用灰度筛选方法，完成spr最佳激发角所在圆像素坐标的提取；进一步的，所述提取的具体方法是：
步骤5.1：对步骤4中所得的的图像，统计图像每行像素点上的灰度值之和，根据沿坐标轴正向灰度值和第一次出现和最后一次出现的极大值点的坐标，确定最佳激发角所在圆的沿x轴方向的上下边界；
步骤5.2：在确定的上下边界分别向下、上方向取裕量δr1，得到两条水平方向宽度为δr1的带，将不包含在此带之内的像素的灰度值置零，使不在最佳激发角所在圆附近区域的像素被移除；
步骤5.3：将步骤5.2中所得图像与步骤3中所得的图像做点乘运算，得到新的灰度图像；
步骤5.4：统计步骤5.3中所得图像的灰度值中非零的最小值m，在此最小值基础上选取阈值p，只保留灰度值介于m和m+p之间的像素点，根据这些像素点的坐标将步骤5.2中所得图像对应坐标的像素保留，完成spr最佳激发角所在圆及周边的像素位置的提取。
步骤6：根据步骤5中spr最佳激发角所在圆像素位置的提取结果，可以得到图像中spr最佳激发角所在圆在已建立坐标系下的坐标，利用最小二乘法，可以得到最佳激发角所在圆的圆心坐标和半径。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本方法能对物镜后焦面spr吸收谱上的信号进行二维提取，对比传统的只能对通光孔径半径方向一维提取，该方法具有精度高、识别速度快和便于实现大批量自动化识别的优点，此外，对于以往的只能识别通光孔径所在圆与spr激发角所在圆共心自动识别方法，本方法的使用范围更广，通用性更高，解决了二维表面等离子体技术在超显微分辨领域的产业化的技术瓶颈问题。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
附图说明
图1是二维表面等离子体最佳激发角位置的高精度识别方法的操作流程图。
图2是与物镜后焦面共轭的位置上图像传感器采集的通光孔径原始图像。
图3是原始数据经全局阈值与局部阈值结合的二值化方法处理后生成的图像。
图4是图3所示图像经形态学滤波先腐蚀后膨胀之后得到的图像。
图5是经过霍夫变换对图4所示图像中通光孔径所在圆位置的识别结果。
图6是对图5所示图像裁剪后得到的图像。
图7是对图6所示图像二值化后的图像。
图8是将图7所示图像反色，而后将通光孔径所在圆的圆外及圆周附近图像灰度置零所得图像。
图9是spr最佳激发角所在圆附近的像素位置的提取流程，其中第一步是获取图像灰度值分布统计，第二步是确定最佳激发角所在圆边界后，将不在最佳激发角所在圆附近区域像素灰度置零，第三步是根据第二步所得结果与图6所示图像结合，得到只包含原图中最佳激发角所在圆区域部分的图像。
图10是根据灰度信息进一步提取出来的最佳激发角所在圆的图像。
图11是经最小二乘拟合得到的线性偏振模态下spr最佳激发角精密位置。
图12是使用径向偏振光激发表面等离子体时，与透镜后焦面共轭的位置上图像传感器采集的通光孔径原始图像。
图13是测得径向偏振模态下spr最佳激发角精密位置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：使用线性偏振模态的入射光激发spr时，在与显微物镜后焦面共轭的图像传感器上得到的spr最佳激发角，其特征为在通光孔径内产生一组对称的spr吸收圆弧。通光孔径所在圆边界和spr最佳激发角位置的精确拟合按以下步骤进行：
步骤1：读取一张包含线性偏振后焦面信息的矩形图像，将其转换为灰度图像，灰度范围[0,gm]，得到如附图2所示图像。
步骤2：从附图2所示图像可以看到，整个黑色背景区域占原始图像很大一部分区域，且通光孔径内明暗分布不均，为了使通光孔径内部区域能够完整的区分于通光孔径外部分，采取全局阈值和局部阈值结合的二值化方法。其中全局阈值选用最小误差阈值分割方法，局部阈值是预先将图像分块，再对各个块内的图像采用最小误差阈值分割方法计算各块阈值，最终经过一定的比例系数将全局阈值与局部阈值综合完成图像的二值化。局部二值化将原图像的分块过程需要在保证二值化后的图像能使得通光孔径的边缘清晰区分于通光孔径外部分，以图像数据矩阵左上角为原点，x、y轴正方向分别为向右、向下方向建立坐标系。
步骤3：观察附图3所示图像，可看到在通光孔径所在圆外部由于二值化而引入了斑点噪声，针对此类噪声，可以选择使用形态学滤波去除，选取形状为圆形的结构元素进行腐蚀运算，去掉斑点噪声，为了保证在消除通光孔径周边噪声的同时不影响通光孔径圆的大小，用同样的结构元素进行膨胀运算，得到如图4所示图像，可以看到斑点噪声得到了有效的去除。
步骤4：采用霍夫变换对附图4所示图像通光孔径所在圆进行提取，定位得到通光孔径圆心在图像坐标系中的位置(x0,y0),半径r0，依据定位结果在附图2基础上绘制得到结果如附图5所示。根据此定位结果，以圆心坐标为中心，取裕量δr0，以n＝2×(r0+δr0)为边长，可将原始图像裁剪为n×n大小的正方形图像，裁剪掉大量与通光孔径无关的部分以减少后续处理的计算量，裁剪结果如附图6所示，可以看到对比附图2所示原图，去掉了大量的背景噪声，在此基础上进行最佳激发角的检测，可以减少不必要的计算量，同时建立以左上角为原点，x、y轴正方向分别为向右、向下方向的直角坐标系。
步骤5：对附图6所示图像进行二值化处理，选取稍小的分块以保持通光孔径的边缘清晰。二值化结果如附图7所示，为了将最佳激发角所在圆与背景黑色区分开，依据步骤4中定位的通光孔径圆结果，将附图7反色，而后将通光孔径所在圆的圆外及圆周附近区域的灰度值置零以消去二值化后引入的通光孔径外部离散的噪声点，结果如附图8所示，可以看到该结果所示图像中通光孔径内有大量离散点噪声，对其选用圆形结构元素进行腐蚀，腐蚀结果如附图9-a所示。
步骤6：spr最佳激发角所在圆附近像素的坐标提取涉及边缘检测和基于灰度值的像素筛选，主要包含以下步骤：
(1)统计附图9-a所示图像每行像素点上的灰度值之和，结果如附图9-b所示，确定第一个出现的和最后一个出现的灰度峰值位置，来确定最佳激发角所在圆的沿y轴方向的上下边界；
(2)在确定的上下边界分别向下、上取裕量δr1，得到两条水平方向宽度为δr1的带，将不包含在此带区域内的像素灰度置零，留下在最佳激发角所在圆附近区域的像素，得到结果如附图9-c所示；
(3)将附图9-c所示图像与附图6所示图像中的像素进行点乘，将附图6中非最佳激发角所在圆部分区域像素置零，得到灰度范围为[0,gm]的灰度图像，如附图9-d所示；
(4)通过观察附图6可知，spr最佳激发角所在圆部分灰度值明显低于其他区域，可以利用此灰度差异来进一步提取最佳激发角所在圆部分的像素，考虑到背景部分灰度值为0，因此，统计附图9-d所示图像素灰度值中非零的最小值m，在此最小值基础上选取阈值p，只保留灰度值介于m和m+p之间的像素点，根据这些像素点的坐标将附图9-c所示图像中对应坐标的像素保留，完成spr最佳激发角所在圆附近的像素点位置的提取如附图10所示。
步骤7：基于步骤6中得到的spr最佳激发角所在圆附近像素的坐标提取结果，利用最小二乘方法，结合提取出的圆上点的坐标可以得到所求二维表面等离子体图像最佳激发角的圆心及半径。
基于上述论述，通过最小二乘法拟合出的spr最佳激发角所在圆以及通过霍夫变换确定的通光孔径圆位置如附图11所示，可以看到，在spr吸收圆弧处根据定位结果绘制了一个圆形曲线，且拟合效果良好，经以上步骤实现了对二维表面等离子体激发角的高精度提取。
具体实施方式二：使用径向偏振模态的入射光激发spr时，在与显微物镜后焦面共轭的图像传感器上得到的spr吸收的谱特征表现为在通光孔径内的一个完整的吸收圆。通光孔径所在圆边界的确定和spr最佳激发角位置的拟合按以下步骤进行：
输入一张包含径向偏振后焦面信息的矩形图像，将其转换为灰度图像，得到如附图12所示图像。采取具体实施方式一中步骤2-步骤7对该图像进行处理，步骤6与步骤7的处理即为对通光孔径内spr吸收谱对应吸收圆的提取，以此提取到径向偏振下spr吸收谱最佳激发角精确的圆心和半径，如附图13所示。