用于使用監(jiān)督式高品質(zhì)成像的圖像采集的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本申請公開一種用于使設(shè)置在由板支撐的培養(yǎng)基上的生物樣品成像的圖像采集系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)具有校準模塊、圖像采集模塊和圖像展示模塊。當(dāng)該系統(tǒng)接收用于成像的培養(yǎng)板時，針對培養(yǎng)板和培養(yǎng)基的默認值被用于在給定時間內(nèi)開始圖像采集。采集的圖像然后被用于創(chuàng)建圖像的逐像素映射。該系統(tǒng)針對飽和像素以及針對信噪比檢測逐像素映射，如果飽和像素的數(shù)量在預(yù)定的閾值處或高于預(yù)定的閾值，或者像素的信噪比低于預(yù)定的閾值，該系統(tǒng)獲取新的圖像。光子通量和/或曝光時間的新值從這個檢測中被確定，以及使用該新值采集新的圖像，并且該步驟被重復(fù)。一旦針對不飽和像素的預(yù)定的閾值信噪比的決定被獲得，或當(dāng)針對圖像采集的時間間隔的預(yù)定的較高閾值逝去時，該系統(tǒng)提供給定的時間的最終圖像。
【專利說明】用于使用監(jiān)督式高品質(zhì)成像的圖像采集的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求申請日為2014年1月30的美國臨時申請No. 61 /933，426的優(yōu)先權(quán)，其公 開通過參考的方式被合并于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 高動態(tài)范圍化DR)成像是一種捕獲圖像在最亮和最暗區(qū)域之間的較高動態(tài)范圍的 數(shù)字成像技術(shù)?；痳i Stiansen等人的美國專利No. 7，978，258中描述了用于自動地優(yōu)化從數(shù) 字圖像獲得的像素強度的動態(tài)范圍的過程。HDR在不同的曝光等級處拍攝若干圖像，并且使 用算法將它們拼湊在一起W創(chuàng)建既有黑點又有亮點的圖像，不連累兩者中任一個的質(zhì)量。 然而，皿R能夠顯示實際的失真，因為它扭曲全體圖像的強度。相應(yīng)地，繼續(xù)尋求不扭曲圖像 的強度而增強對比的皿R技術(shù)。
[0004] Allano等人的WO 2012/152769中描述了用于增強生物樣品的圖像的技術(shù)。其中 Allano等人的文章中認定的運種樣品成像的問題是：
[0005] i)被觀察的菌落的大小；
[0006] ii)-個菌落與另一個菌落的接近度；
[0007] iii)菌落的顏色混合；
[000引 iv)有蓋培養(yǎng)皿(Petri Dish)的種類；W及
[0009] V)培養(yǎng)基的種類;和其他要素。
[0010] Allano等人提出的生物樣品成像問題的方案是準備從每種顏色獲得的圖像創(chuàng)建 的源圖像，針對培養(yǎng)基和培養(yǎng)容器移除預(yù)定的吸收效應(yīng)，并且使用預(yù)定的曝光確定光子通 量和曝光時間的值W獲得圖像，該圖像隨后被剖割成亮度區(qū)域。由此，圖像亮度被獲得并且 用于確定所使用的光子通量和曝光時間的值是否正確或者光子通量和曝光時間的新值是 否應(yīng)該被用于圖像捕獲。
[0011] 上述技術(shù)的問題是它們不提供具有提供能夠檢測非常微小變化的成像條件的能 力的系統(tǒng)，相比之下該微小變化對于生長培養(yǎng)基上的微生物的基于圖像的檢測/識別是必 需的。由于微生物基于圖像的證據(jù)和/或它們在培養(yǎng)基上的生長是（或至少能夠是）很難檢 測的，所W尋求用于運種樣品成像的更加穩(wěn)健的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 此中所述的是針對具有低的或可變對比度的圖像，增強圖像捕獲的系統(tǒng)和方法。 運種挑戰(zhàn)性的成像環(huán)境的一個示例是生長在瓊脂(agar)生長板上的細菌菌落。細菌菌落反 射的光與瓊脂的不同。此外，細菌菌落能夠從淺顏色到深顏色變化并且反射與瓊脂不同的 光。捕獲菌落的圖像的時間是短的（大約一秒）。典型地，生長板的圖像每3到6小時拍攝一 次。
[001引圖像的獲得是在每個時間間隔V (即，t0，ti，'''tx)處的一系列的N次圖像采集。第 一次采集(N= 1)使用光強度和曝光時間本文稱為"光子通量和曝光時間"的默認值。光子通 量值限定每個單位時間和單位面積到達視景的光子數(shù)（（光子量）?（時間^) ?(面積^))。 該時間是照相機傳感器的積分時間。曝光時間決定由傳感器一帖采集所獲得的光子數(shù)。換 句話說，光子通量是來自光源的光子流動率，并且曝光時間影響由傳感器所接收的針對圖 像采集的那些光子的量。對于給定的光子通量，曝光時間控制圖像強度。
[0014] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員意識到很多不同的方法來控制光子通量W影響圖像強度。如上 所見，一種技術(shù)控制圖像的曝光時間。有其他技術(shù)能夠用于控制傳輸?shù)絺鞲衅鞯墓獾膹姸取?例如，濾波器、光圈等用于控制光子通量，其進而控制強度。運種技術(shù)被技術(shù)人員所熟知，在 此不詳細描述。為了在此描述本發(fā)明的實施例的目的，光強度被設(shè)置為常數(shù)，并且曝光時間 是可變的用于控制光子通量積分。
[0015] 在通過控制曝光時間來控制光子通量的實施例中，初始曝光時間值從系統(tǒng)校準獲 得。該系統(tǒng)使用校準板的庫被校準。獲得基線校準作為板的類型和培養(yǎng)基類型的函數(shù)。當(dāng)該 系統(tǒng)被用于詢問新的生長板時，針對特定板的類型和培養(yǎng)基類型的校準數(shù)據(jù)被選擇。就此 而言，生長板能夠是：單板（即，針對一個培養(yǎng)基）；雙板(兩個培養(yǎng)基）；=板(=個培養(yǎng)基） 等。每種類型的生長板呈現(xiàn)獨特的成像挑戰(zhàn)。校準提供默認的曝光時間用于捕獲生長板的 第一圖像(圖像N=l)。校準也使系統(tǒng)(或系統(tǒng)操作員）可W確定哪些部分的圖像是板(即，不 是背景）W及，在圖像的板部分中，哪些部分是培養(yǎng)基（用于培養(yǎng)細菌的營養(yǎng)素）W及哪些部 分至少潛在地是菌落。
[0016] 使用從校準獲得的默認值捕獲生長板的N=I圖像。如果平均技術(shù)被用于捕獲生長 板的數(shù)字圖像，亮像素與暗像素相比將具有更好的信噪比（SNR)。在此中所述的方法中，信 號針對各個像素是孤立的，不考慮像素是亮還是暗。對于預(yù)定數(shù)量的像素，強度、曝光時間 和SNR是確定的。在圖像環(huán)境中的運些值的"映射"被準備。從運個映射中，挑選出將優(yōu)選地 不使多于一個預(yù)定分數(shù)的像素飽和的新的曝光時間用于N+1的圖像采集。優(yōu)選地，在其中使 只有非常小的部分的像素(或較少的)飽和的曝光時間被確定，并且被用于捕獲最終圖像。
[0017] 從此生成每個像素的SN則央射，其中每個不飽和的像素的SNR被更新（即，灰度值被 精煉并且針對不飽和像素改善SNR)?；谠撚成淠M圖像。
[0018] 優(yōu)化函數(shù)算法被用于將每個像素的每個灰度值強度映射到與最佳的SNR對應(yīng)的像 素需要的曝光時間。該優(yōu)化算法通過查看初始圖像(N=I)開始，該圖像使用預(yù)定的默認曝 光時間被捕獲。針對整個圖生成強度、曝光、和SN則央射?；趫D像的周整每個像素的曝光時 間和捕獲另一圖像(N+1)。如上所述，選擇將使暗的部分的信號飽和的新的曝光時間，導(dǎo)致 亮的部分過度曝光。針對每個像素更新強度映射、曝光映射、和SN則央射。運是一個迭代過 程，并且獲得圖像直到達到圖像的每個像素的最大SNR，或者達到圖像的最大數(shù)量，或者已 經(jīng)達到最大分配時間。
[0019] 實質(zhì)上，暗點保持黑暗，亮點保持明亮并且SNR被改善。瓊脂生長培養(yǎng)基作為數(shù)字 圖像的背景。圖像中W某些方式（即，不同的強度)不同于先前的圖像的像素表明菌落正在 生長或者板上有污染物(例如，灰塵）。運種技術(shù)能夠用于一次性觀察多個板。
[0020] 當(dāng)SNR顯著地改善時，能夠（用置信度（confidence))掲露在定時板成像中不能被 看到/信任允許檢測早期的小菌落的細節(jié)。該系統(tǒng)和方法也提供對應(yīng)于最佳曝光時間的圖 像，該曝光時間對應(yīng)于對視景或目標物體的特定的和受控制的飽和。
[0021] 一旦在時間to完成圖像采集，迭代的圖像采集過程在此時間間隔期間停止。當(dāng)從to 到tl的預(yù)定的時間間隔已經(jīng)逝去，重復(fù)迭代的圖像采集過程直到已經(jīng)獲得由此采集的圖像 的完整性中期望的置信度。信噪比與標準差成反比（即，SNR=gvV標準差）。因此，產(chǎn)生每像 素最大SNR(即，每像素最小標準差）的圖像采集將提供具有與時間"Tx"相聯(lián)系的高置信度 的圖像。例如，獲得已經(jīng)培養(yǎng)了四個小時(Ti = 4小時）的板的高SNR圖像。相同的板的另一個 高SNR圖像在已近培養(yǎng)了附加的四個小時(Tx=8小時)的板之后獲得。
[0022] -旦獲得與隨后的時間(Tw)相聯(lián)系的圖像，該圖像(或與目標物體相聯(lián)系的圖像 的至少被選擇像素）能夠和與先前的時間（Tx)相聯(lián)系的圖像比較，W確定隨后的圖像是否 提供微生物生長的證據(jù)或者W確定板的進一步加工。
【附圖說明】
[0023] 圖1根據(jù)本發(fā)明的一個實施例是用于圖像采集的=模塊系統(tǒng)的原理描述和展示；
[0024] 圖2是圖1中所述的S模塊系統(tǒng)的系統(tǒng)操作流程圖；
[0025] 圖討良據(jù)本發(fā)明的一個實施例是圖1中所述的校準模塊的功能的描述，其用于照明 校準、光學(xué)器件校準、和照相機校準；
[0026] 圖4根據(jù)一個實施例是從校準板確定的W校準圖1的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的說明；
[0027] 圖5根據(jù)本發(fā)明的一個實施例是圖1中所述的圖像采集模塊的功能的描述；
[0028] 圖6根據(jù)一個實施例是使用圖1的系統(tǒng)的圖像采集方法的原理圖；
[0029] 圖7是由圖5中所述的圖像采集模塊執(zhí)行的功能的更詳細描述；
[0030] 圖8根據(jù)一個實施例說明用于選擇下一個圖像采集時間的方法；
[0031] 圖9是完成圖像采集所采取的步驟的描述;W及
[0032] 圖10是如何確定系統(tǒng)完整性的工序流程原理圖。
【具體實施方式】
[0033] 此中所述的系統(tǒng)能夠在光學(xué)系統(tǒng)中實施用于針對微生物識別和此類微生物的微 生物生長檢測的微生物樣品成像。有很多此類商業(yè)上可利用的系統(tǒng)，在本文不詳細描述。一 個示例是抓Kiestra? ReadA Compact智能培養(yǎng)和成像系統(tǒng)（第二代抓Kiestra?恒溫 箱）。運種光學(xué)成像平臺已經(jīng)商業(yè)上利用了很多年(最初來自Kiestra?實驗室自動化技術(shù) 的CamerA PrimerA)，因此被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知，在此不詳細描述。在一個實施例中， 系統(tǒng)是非臨時的計算機可讀媒介（例如，軟件程序），其與圖像采集裝置(例如，照相機)協(xié) 作，通過相互作用提供圖像的高質(zhì)量成像W向圖像中的每個像素提供最大的信噪比（SNR)。 對于每個像素和每種顏色(例如，通道），強度和曝光時間被記錄并且系統(tǒng)隨后預(yù)測下一個 最佳曝光時間W改善整個視景的或視景中的目標物體的信噪比。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識 到所獲得的每像素的多個值將取決于像素和成像系統(tǒng)。例如，在RBG成像系統(tǒng)中，獲取每個 通道(即，紅、綠、或藍)的值。在其他系統(tǒng)中，獲取不同的頻譜帶或波長的值。
[0034] 最初，系統(tǒng)被校準。諸如本文中所述的一個成像系統(tǒng)的校準被本領(lǐng)域的技術(shù)人員 所熟知。已知各種各樣的校準方法。本文中所述的是提供與已捕獲的圖像被評估相比較的 基線的系統(tǒng)校準的示例。在校準期間，校準板(例如，具有培養(yǎng)基但是沒有菌落的板)被使 用，并且系統(tǒng)圖像采集對比已知輸入被校準。創(chuàng)建針對每種類型的板培養(yǎng)基的校準值的庫， 并且基于測試板中的培養(yǎng)基選擇針對特定板使用的校準數(shù)據(jù)。系統(tǒng)和數(shù)據(jù)都被校準。對于 數(shù)據(jù)校準，確定校準板的捕獲圖像的每個像素的SNR、線性度、黑度水平等。系統(tǒng)校準包括， 但不限于，鏡頭失真、色差、空間分辨率等。
[0035] 校準之后，獲得新板的圖像。為了估計曝光時間，圖像中的像素被實時分析，該曝 光時間將改善具有低于預(yù)定闊值的SNR的像素的SNR或改善具有最低SNR的那些像素的SNR。 典型的成像系統(tǒng)只針對圖像中的像素保持強度值。在本文中所述的實施例中，針對每個像 素記錄強度和曝光時間。相同的像素在不同的曝光時間成像，并且結(jié)合強度信息生成高的 SNR數(shù)據(jù)。從此信息來看，在任何特定的曝光時間期間能夠生成圖像，或者能夠提取最佳曝 光時間W控制像素飽和。
[0036] 從定量方面看，由于高的SNR，在細微的強度變化上的置信度、顏色上的置信度和 紋理被極大地改善，允許隨后的物體識別或數(shù)據(jù)庫比較的更好的性能。在都與先驗圖像中 的像素的灰度值（即，對于圖像N，圖像N-I中的像素的值)相比較的灰色標度上完成分析。除 了在先驗圖像中的相同像素灰度值的比較之外，鄰近像素的像素灰度值也與像素灰度值相 比較W確定差異(例如，菌落/培養(yǎng)基的界面）。
[0037] 有顏色的物體的深色信噪比在不同的通道中是不均勻的，或與亮的物體相比非常 差。為了對其進行改善，本文中所述的系統(tǒng)和方法配置了圖像檢測模塊，其中物體檢測基于 對比度、SNR、和尺寸/分辨率。SNR在暗區(qū)域和亮區(qū)域中都被改善。標準差被減小，并且因此 亮區(qū)域和暗區(qū)域中的局部對比度由為重要。運里的目標是提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)將檢測被 懷疑包含生長的培養(yǎng)物的板的X和X+1時間間隔圖像之間甚至細微的差異。那些差異一定是 區(qū)別于"噪聲"的，該"噪聲"從信號變化中得出，但不是從由生長的培養(yǎng)物引起的樣品中的 變化得出。當(dāng)視景中的目標物體可W展示非常不同的顏色和強度(反射率或吸收率)時，本 文中所述的系統(tǒng)和方法特別有價值。
[0038] 特定地，該系統(tǒng)和方法提供動態(tài)范圍的自動適配(擴大的動態(tài)范圍）W適應(yīng)視景。 該系統(tǒng)和方法提供用于使最亮像素飽和的最小曝光時間和用于使最暗像素飽和的最大曝 光時間（在圖像采集裝置(例如，照相機）的物理和電子約束之內(nèi)）。該系統(tǒng)和方法提供與圖 像平均相比朝向每像素最小SNR的更快速的收斂。該系統(tǒng)和方法提供顏色上改善的置信度。 特定地，SNR針對紅、綠和藍的值是均勻的，不考慮紅色、綠色和藍色中的強度差異。
[0039] 每像素的強度置信度間隔是已知的，其對于任何隨后的分類工作非常有價值。由 該系統(tǒng)和方法提供的SNR最佳化能夠被監(jiān)督(檢測的目標物體的權(quán)重W計算下個圖像采集 的曝光時間）。
[0040] 對于每個像素，強度、曝光時間和估計SNR都從校準和物理理論確定。為了進一步 改善圖像質(zhì)量，色差和鏡頭失真也被校準和改正W使圖像沒有運種缺陷。
[0041] 該系統(tǒng)和方法能夠控制自動模式或監(jiān)督模式中的圖像的像素 SNR，其中特定部分 的圖像是特別的興趣。在自動模式中，視景的整個圖像被優(yōu)化，W及所有像素被同等對待。 在監(jiān)督模式中，當(dāng)獲得視景W檢測目標物體時，視景被進一步分析。SNR最大化支持目標物 體區(qū)域。
[0042] 在自動模式中，圖像采集將在下面=種情況中的首先發(fā)生的一個之后停止：（1)針 對每個像素達到最低程度的SNR; (2)在該視景已經(jīng)執(zhí)行了預(yù)定數(shù)量的采集;或(3)已近達到 最大允許的采集時間。
[0043] 參考圖1，說明一個實施例的系統(tǒng)的原理圖。系統(tǒng)100具有S個模塊。第一是系統(tǒng)校 準模塊110。校準模塊校準圖像的照明、用于收集圖像的光學(xué)器件、W及由系統(tǒng)評估下的新 板的基準數(shù)據(jù)。
[0044] 圖像采集模塊120與系統(tǒng)校準模塊110通信。圖像采集模塊捕獲被分析的物體的圖 像。使用曝光時間和特定示例環(huán)境中的詳細下文中所述的方式所確定的其他標準捕獲圖 像。如上所述，圖像采集W迭代的方式進行，直到針對每個像素滿足預(yù)定SNR闊值，或者直到 已經(jīng)捕獲預(yù)定數(shù)量的圖像。圖像展示模塊提供具有最好動態(tài)范圍的圖像(即，僅在飽和之下 的最亮的非飽和像素），其或是全局地（即，在自動模式中）或限制到目標物體(即，在監(jiān)督模 式中）。
[0045] 參考圖2,外部數(shù)據(jù)和校準板(即，測試板和培養(yǎng)基的結(jié)合的范圍）都被用于校準系 統(tǒng)。系統(tǒng)校準和數(shù)據(jù)校準都由校準確定。系統(tǒng)和數(shù)據(jù)校準值被用于新板的圖像采集。校準被 用于根據(jù)圖像映射驗證新圖像（即，哪些像素是板外區(qū)域、哪些是板內(nèi)區(qū)域但培養(yǎng)基沒有菌 落、W及哪些區(qū)域顯示菌落）。
[0046] 圖3進一步說明被校準的系統(tǒng)裝置的具體方面。在(一個或更多個)照明組件111的 預(yù)熱時間期間，強度(A)=f (輸入功率)和場均勻性被確定。此外，對于測試板，培養(yǎng)基針對 適用區(qū)域（即，單板的整個板、雙板的半個板W及=板的=分之一板)應(yīng)該是均勻的。對于光 學(xué)校準112,對準、色差和幾何失真被確定。對于照相機校準113,基線水平被確定。運種基線 數(shù)據(jù)是:預(yù)熱時間；線性度(灰度值與到達傳感器的光子數(shù)量的固定關(guān)系）和黑度水平作為 曝光時間的函數(shù)、SNR作為像素強度的函數(shù);場均勻性;色差;和幾何失真被全部確定為與估 計獲得的圖像相對比的基線。運種基線數(shù)據(jù)被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知，不進一步詳細描 述。
[0047] 圖4是進入校準系統(tǒng)中的輸入(即，系統(tǒng)信息、校準板的庫和其他輸入)的進一步細 節(jié)。對于每個校準板，獲得圖像并且，每個像素被分配黑度水平、SNR、線性度和照明的值。針 對系統(tǒng)（即，非逐像素的）模型確定反應(yīng)系統(tǒng)因素，諸如失真、色差、空間分辨率和白平衡的 值。運些值被全部收集W提供校準的系統(tǒng)和校準的數(shù)據(jù)用于在板的評價中使用。如下可知， 運些值被用于完成圖像采集。
[0048] 關(guān)于圖像采集模塊的更多細節(jié)在圖5中描述。在第一步驟中，使用默認值獲得圖 像。根據(jù)運個第一圖像，針對每個像素的強度、曝光時間和SNR被確定。通過從測量的強度值 減去像素的"黑度水平"確定強度。黑度水平和SNR從先前所述的校準獲得。
[0049] 圖像采集發(fā)生在時間to、ti、……tx處。在每個時間處，圖像通過一系列的N次圖像 采集獲得。該一系列的N次圖像采集向SNR迭代用于與圖像強度中的高置信度關(guān)聯(lián)的獲得的 圖像。
[0050] 圖6中說明在給定時間（例如，to)的圖像采集和更新。新板610的圖像在步驟620中 獲得。系統(tǒng)630和數(shù)據(jù)640校準告知圖像采集。板的交通狀況（即，每單位時間的板的數(shù)量)也 被用于校準和控制系統(tǒng)。在圖像采集過程期間的后面的時間點處，隨后的圖像被獲得650并 且與先驗圖像比較（自動地或被監(jiān)督）。典型地，在每個時間間隔將有大約四個到大約十個 圖像采集W獲得具有可接受的置信度的圖像。一旦獲得針對選擇的物體的期望的SNR，針對 最終圖像采集660確定曝光時間。
[0051] 根據(jù)一個實施例，像素更新如下?；叶戎怠⒖计毓鈺r間和信噪比表示存儲的每板 (圖像物體）的每個照明配置(頂部、側(cè)面、底部、或它們的混合）的信息。該信息在每個新的 采集之后被更新。首先，該信息使用第一圖像采集(N=I)被更新。
[0052]灰度值、參考曝光時間和信噪比表示存儲的每板的每個照明配置(頂部、側(cè)面、底 部、或它們的混合)的信息。該信息在每個新的采集之后被更新。首先，該信息根據(jù)第一圖像 采集(N=I)被初始化。在一個實施例中，gvx,y,i是圖像位置(x，y)處的灰度值(gv)，其對應(yīng)于 使用曝光時間Ei和各自的信噪比（SNRgv)的板的第一圖像捕獲(N=l)。在該實施例中：
[0化引 ? WacAwA是(x，y)處對應(yīng)于曝光時間Ei的黑度參考值點；
[0054] ? x,y,i是在1義集之后(x，y)處更新的參考時間點；
[0化日]? g'V'w.i.A是在相等的曝光時間護^,1的1采集之后x，y處更新的灰度值；
[0056] ? SNR'x.y.i是1采集之后x，y處更新的SNR;
[0057] x,y,i = Ei
[0化引 [0化9]
[0060] 黑度水平是有噪聲的并且迭代圖像采集過程獲得"低噪聲的"圖像（即，具有較高 置信度水平的圖像）。黑度值是默認值，其在圖像采集期間不被重新計算。黑度值是曝光時 間的函數(shù)。
[0061] 對于給定的曝光時間和光源強度，當(dāng)像素是飽和的，SNR = 0(因此沒有改進SNR)。 只有來自非飽和的像素的值被更新。
[0062] N = 1 :初始曝光時間是熟知的默認曝光時間（一種先驗的），或任意值（例如： -
)。對于被分析的新板的特定板和培養(yǎng)基，運由校準確定。
[0063] 灰度值、參考曝光時間和信噪比在每個新圖像采集之后（即，N = 2,3,4...N)根據(jù) 下面的實施例被更新。對于圖像位置(X，y)的灰度值gVx, y, N對應(yīng)于使用曝光時間En和各自的 信噪比（SNRx,y,N)的板的第N圖像捕獲。在該實施例中：
[0064] ? 是(x，y)處對應(yīng)于曝光時間En的黑度參考值點；
[0065] ? E^x,y,N是N次采集之后(x，y)處更新的參考時間點；
[0066] ?如是在相等的曝光時間N的N次采集之后(x，y)處更新的灰度值；
[0067] ? SNR'x.y.N是N次采集之后x，y處更新的SNR。
[006引
[0069]
[0070]
[0071] 因此，針對在第N次圖像采集中的像素所更新的SNR是先驗圖像采集的更新的信噪 比的平方和當(dāng)前圖像采集的信噪比的平方的平方根。每次采集為每個像素提供更新的值 (例如，E\,y,N)。隨后該更新的值被用于為下次圖像采集計算更新的值。當(dāng)像素對于給定的 曝光時間和光源強度是飽和的，對于像素 SNR = 0。只有非飽和的像素被更新。第N次曝光時 間對應(yīng)于監(jiān)督的最優(yōu)化，其目標是使目標物體的SNR最大化。目標物體能夠是整個板、菌群、 板的一部分、或整個圖像。
[0072] 利用新的采集更新圖像數(shù)據(jù)之后，采集系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境約束(最小需求SNR、飽 和約束、最大允許采集時間、目標區(qū)域)提出最佳的下次采集時間，其將使SNR最大化。在圖 像采集被監(jiān)督的實施例中：x，y G物體表示在監(jiān)督模式中，物體的像素僅僅被考慮用于評 估。在圖像采集不受監(jiān)督的那些實施例中，默認物體為整個圖像。
[0073] 根據(jù)圖7,根據(jù)獲得的圖像分析，使用上述自動模式或監(jiān)督模式確定針對圖像采集 系列中給定時間間隔處的下次圖像(N+1)的曝光時間。參考圖7,對于自動過程，每個像素權(quán) 重相等（即，分配的值為1)。對于監(jiān)督的方法，與物體(例如，培養(yǎng)物)相關(guān)的像素權(quán)重不同。 監(jiān)督過程需要附加的成像步驟。如果像素顯著的部分(例如，比十萬分之一大)是飽和的，并 且它們的權(quán)重不為0,則提出一個比先前用于獲取圖像的最小曝光時間短的（例如，1/5)新 的曝光時間。運種調(diào)整針對飽和像素改善得到非飽和信息的可能性。在替代的實施例中計 算新的曝光時間。如果沒有顯著的像素飽和，則，對于每個像素，從曝光和強度映射中確定 將不會導(dǎo)致像素飽和的最大曝光時間。由此，確定圖像的曝光時間，并且模擬強度圖。由此， 確定對應(yīng)權(quán)重的SN則央射。
[0074] 參考圖8,樣品圖像被用于逐像素更新圖像映射中的圖像數(shù)據(jù)。該樣品數(shù)據(jù)隨后被 饋送到圖像分析儀，并且被執(zhí)行針對每個像素的SNR上預(yù)定的約束、其他飽和約束、物體約 束等W及時間或交通約束(即，捕獲和分析的持續(xù)時間）定制的圖像分析。
[0075] 在一個實施例中，具體地，針對飽和的像素逐像素分析獲取的圖像。如果En導(dǎo)致超 過預(yù)定限制的像素飽和，則選擇一個較低的值En+1。例如，如果還沒有獲得最小的曝光時間 并且飽和像素的百分數(shù)（％ )超過預(yù)定限制（例如，>1/1〇5)，W預(yù)定的 增量提出一個新的曝光時間（例如，先前使用的最小曝光時間的五分之一）。較低的限制 (即，最小可接受的曝光時間）也被預(yù)定。曝光時間上的運些約束允許向著非飽和圖像采集 條件更快速地收斂。
[0076] 在新的曝光時間獲得新的圖像。對于新的圖像，次級檢查約束是每像素最小的期 望SNR(運是較低的SNR闊值），并且是允許用于該圖像的全部采集時間（或Nmax)。如果該視景 的全部采集時間已經(jīng)達到時間限制，或者如果對于每個像素的每個更新的SNR使得SNlTx,y,N ^MinSNR,然后圖像數(shù)據(jù)被看作是可接受的，并且視景的采集在時間間隔（例如，to)結(jié)束。 當(dāng)圖像采集在時間tx(例如，時間ti)開始，導(dǎo)致由先前的采集(例如，在時間to)的亞飽和狀 態(tài)的最好曝光時間化Nfinal)被當(dāng)作初始值E。在tx用于圖像采集的過程在其他方面與在時間 to的過程相同。
[0077] 如果飽和約束被提升(沒有顯著的飽和），則確定和研究下次最佳曝光時間。首先， 在目標區(qū)域上方計算曝光時間邊界限制。運些曝光時間邊界是：i)使最亮像素飽和的曝光 時間；和i i)使最暗像素飽和的曝光時間。
[0078] 用于使最亮非飽和像素飽和的曝光時間Emin由對應(yīng)于絕對最大強度和其相 關(guān)曝光時間）的灰度值gVmax從W下公式確定：
[0079] 與 E'x,y,N 有關(guān)
[0081 ]用于使最暗像素飽和的曝光時間Emax由對應(yīng)于絕對最小強度的灰度值gVmin確定， 并且^Vmln是其相關(guān)的曝光時間：
[0080]
[0082] 非'x,y,N 有關(guān)
[0083]
[0084] ,,八丄…心山。腸……琴,心r。、心.W尤時間之間中選擇。具 體地，在測試的曝光時間Etest,N+1增加模擬的圖像之后，由模擬確定將會使更新的平均值SNR 最大化的曝光時間(針對最小信噪比闊值下面的所有像素）。在Etest,N+1的模擬的圖像由如下 所述(針對每個像素)生成。
[0085] 灰度值W應(yīng)W是對應(yīng)于當(dāng)前更新的圖像數(shù)據(jù)的像素數(shù)據(jù)。如果一個新的時間點 Etest, N+1被選擇，則期望的灰度值為：
[0086]
[0087]用在時間點Etest,N+1圖像的來自模擬的圖像的像素的值更新該值W后，該(x，y)像 素的SN時尋為：
[008引
[00例下個最佳曝光時間Ebest,N+1然后由下式確定：
[0090] Ebest,N+l = Etest,N+lG [Emin,Emax]；
[00川其中， ]最大。
[0092] 如果閣像米果W分仍田X，y G物體監(jiān)督，則SNR只針對目標物體積分。在自動模式 中，該物體是整個圖像。
[0093] 圖9描述圖像采集的最終步驟。運些步驟是本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的常規(guī)圖像處 理技術(shù)，在此不詳細描述。
[0094] 圖10說明在圖像采集期間確定系統(tǒng)完整性的方法。注意到，一旦系統(tǒng)完整性被檢 查，樣品被載入系統(tǒng)中，并且來自樣品的數(shù)據(jù)被捕獲。數(shù)據(jù)捕獲如上所述由校準信息告知。 捕獲的數(shù)據(jù)被提供到系統(tǒng)完整性檢查和系統(tǒng)事件分析儀二者。
[00M]如上所述一旦已經(jīng)獲得圖像，其與已經(jīng)培養(yǎng)了不同量的時間的板的圖像相比較。 例如，如本文中所述在板已經(jīng)培養(yǎng)了四小時(Ti = 4)之后獲得板的圖像。四小時或更多小時 之后，如上所述獲得板的另一個圖像(Tx = 8小時）。在Tw時獲得高SNR的圖像能夠隨后與在 Tx時的高SNR圖像對比。評估運兩個圖像的變化W確定微生物生長的證據(jù)。進一步處理（例 如，板是陽性的，板是陰性的，板需要進一步培養(yǎng))的決定基于該對比。
[0096]盡管此中的發(fā)明已經(jīng)根據(jù)特定實施例描述，將了解到運些實施例只是本發(fā)明說明 性的原理和應(yīng)用。因此，將了解到可W對說明性的實施例做出許多修改，并且可W設(shè)計其他 安排，而不脫離如附加權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種用于使設(shè)置在培養(yǎng)基中的生物樣品成像的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 系統(tǒng)校準模塊，其提供默認值，所述默認值用于捕獲設(shè)置在板中的培養(yǎng)基上的生物樣 品的圖像； 圖像采集模塊，所述圖像采集模塊包括照相機，其中，該模塊適于在給定時間間隔期間 獲得一系列的圖像的數(shù)據(jù)，與所述系統(tǒng)校準模塊通信，所述圖像采集被配置以：i)使用光子 通量和曝光時間的默認值從所述系統(tǒng)校準模塊獲得第一圖像數(shù)據(jù)，并且創(chuàng)建所述圖像數(shù)據(jù) 的逐像素映射，每個像素與信噪比、光子通量和曝光時間、以及強度相聯(lián)系；ii)通過檢查所 述圖像數(shù)據(jù)更新所述圖像采集時間，以基于飽和的像素的數(shù)量是否大于或小于預(yù)定的閾值 識別飽和的像素并選擇新的光子通量、新的曝光時間中的一個或兩者；并且基于該決定， iii)使用所述光子通量、所述曝光時間或兩者的新值以獲得新圖像的數(shù)據(jù)以及iv)用信噪 比、所述光子通量、所述曝光時間或兩者以及像素強度的新值更新所述圖像數(shù)據(jù)的映射， 其中，如果非飽和像素的所述信噪比小于預(yù)定的閾值或飽和像素的數(shù)量超過所述預(yù)定 的閾值，所述圖像采集模塊被配置以獲得新圖像的數(shù)據(jù)， 其中，當(dāng)已經(jīng)獲得所述非飽和像素的所述預(yù)定的閾值信噪比，用于圖像采集的預(yù)定的 分配時間已經(jīng)逝去，或者已經(jīng)獲得圖像的預(yù)定的最大數(shù)量時，所述圖像采集模塊完成圖像 米集；以及 圖像展示模塊，所述圖像展示模塊將所述圖像數(shù)據(jù)從所述圖像采集模塊轉(zhuǎn)換成用于觀 察或分析的圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光子通量為設(shè)定值，并且所述系統(tǒng)通過控制 曝光時間控制照相機傳感器積分，其中，所述校準模塊確定用于多種板和培養(yǎng)基的默認光 子通量和曝光時間。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，針對分散在所述培養(yǎng)基上的所述樣品的圖像的至 少一部分確定信噪比。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述圖像采集模塊針對至少一個或更多個通道或 者一個或更多個頻譜帶獲得來自所述照相機的圖像數(shù)據(jù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述圖像采集模塊針對每個圖像采集為每個像素 分配灰度值，并且每個像素的所述灰度值在每個圖像采集之后被更新。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述更新的灰度值是所述先前的灰度值減去預(yù)定 的參考值，其中，所述預(yù)定的參考值是基于所述板、所述板培養(yǎng)基的預(yù)定值，并且所述圖像 采集模塊的所述曝光時間針對每個采集為每個像素分配灰度值，以及每個像素的所述灰度 值在每個圖像采集之后被更新。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，通過使用新的曝光時間或者新的光強值或兩者獲 得所述光子通量的新值。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述圖像采集模塊被配置以在自動模式或監(jiān)督模 式中的至少一個中操作，在所述自動模式中，所有像素被同等對待，在所述監(jiān)督模式中，被 分析的像素是已經(jīng)被識別為與一個或更多個目標物體相聯(lián)系的像素。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光子通量是設(shè)定值，并且所述系統(tǒng)通過控制 曝光時間控制照相機傳感器積分。10. -種用于使設(shè)置在培養(yǎng)基中的生物樣品成像的方法，所述系統(tǒng)包括： 確定默認值，所述默認值用于獲得設(shè)置在支撐在板中的培養(yǎng)基上的生物樣品的圖像； 獲得數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)對應(yīng)于在第一時間間隔上的第一時間的一系列圖像，使用光子通 量和曝光時間的預(yù)定默認值采集所述一系列中的所述第一圖像的數(shù)據(jù)； 創(chuàng)建所述圖像數(shù)據(jù)的逐像素映射； 使每個像素的數(shù)據(jù)與信噪比、光子通量值、曝光時間、和強度相關(guān)聯(lián)； 通過以下步驟，更新所述圖像光子通量值和曝光時間值中的至少一個： i) 檢查飽和像素的所述圖像數(shù)據(jù)和所述像素的信噪比，并且基于所述飽和像素的數(shù)量 是否大于或小于預(yù)定的閾值以及所述信噪比是高于還是低于預(yù)定的閾值，針對光子通量和 曝光時間中的至少一個選擇新值，并且基于該決定，使用光子通量、曝光時間、或兩者的新 值以獲得新圖像，并且用信噪比、光子通量和曝光時間、以及像素強度的所述新值更新所述 圖像的映射； ii) 使用光子通量和曝光時間中的至少一個新值獲得所述新圖像的數(shù)據(jù)； iii) 可選擇地重復(fù)步驟i)和ii); 當(dāng)所述圖像數(shù)據(jù)在所述預(yù)定的信噪比閾值處或大于所述預(yù)定的信噪比閾值，用于圖像 采集的預(yù)定的最大分配時間已經(jīng)逝去或者已經(jīng)獲得所述圖像的預(yù)定的最大數(shù)量時，在所述 時間間隔期間完成圖像數(shù)據(jù)采集;以及 在第二時間間隔的第二時間期間重復(fù)采集、創(chuàng)建、相關(guān)聯(lián)、更新和完成的步驟；以及 將第一時間間隔和第二時間間隔獲得的所述圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為第一圖像和第二圖像，所 述第一圖像在所述第一時間獲得以及所述第二圖像在第二時間獲得。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述光子通量值為常數(shù)，并且所述曝光時間值 被更新，并且其中，所述預(yù)定的默認值基于板、板培養(yǎng)基和曝光時間。12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進一步包括確定所述像素，針對所述像素的圖像映 射將被創(chuàng)建，其中所述像素與目標物體相關(guān)聯(lián)。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述默認值包括在默認曝光時間與目標物體相 關(guān)聯(lián)的所述像素的黑度水平。14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述逐像素映射是針對每個像素的灰度值、所 述信噪比和所述曝光時間。
【文檔編號】G01N21/25GK105960586SQ201580006407
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2015年1月30日
【發(fā)明人】R·R·馬爾科爾波利, C·奧爾尼, D·莫雷爾
【申請人】Bd科斯特公司