一种基于实时数字图像处理的同步辐射微探针自动化扫描新方法

梁东旭　　兰旭颖　　闫　帅　　张继超　　李爱国（中国科学院上海应用物理研究所　嘉定园区　　上海　201800）

国家自然科学基金（No.11205237、No.U1332120）资助

第一作者：梁东旭，男，1984年出生，2010年于北京航空航天大学获硕士学位，研究领域为同步辐射光束线站控制和数据采集



一种基于实时数字图像处理的同步辐射微探针自动化扫描新方法

梁东旭兰旭颖闫帅张继超李爱国
（中国科学院上海应用物理研究所嘉定园区上海201800）

国家自然科学基金（No.11205237、No.U1332120）资助

第一作者：梁东旭，男，1984年出生，2010年于北京航空航天大学获硕士学位，研究领域为同步辐射光束线站控制和数据采集

摘要在上海光源硬X微聚焦及应用光束线站（BL15U1）上实现了一种基于实时数字图像处理的同步辐射微探针自动化扫描方法。该方法采用高灵敏度、高帧率的数字电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）显微镜实时成像，通过对显微镜系统和X光微米探针系统的坐标转换，使用户在图像空间直接点击到感兴趣的位置后，样品台就自动将该点移入光路。在设定好扫描时间、扫描步长等必要的实验参数后，只需要用鼠标在图像空间圈出需要扫描的区域，系统将自动生成XPS运动控制器的运动配置文件，并驱动电机运动，对该区域进行微束荧光扫描成像。结果表明，该方法不仅可以提高同步辐射机时的使用效率，而且可以满足微区研究人员快捷、方便的自动化操作需求。

关键词同步辐射，数字电荷耦合器件成像，微束荧光分析，自动化扫描

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射线微聚焦及应用光束线站（ShanghaiSynchrotronRadiationFacilityhardX-ray microfocusbeamline，SSRF-BL15U1）于2009年4月建成，为国内首条基于第三代同步辐射光源的具备开展微米亚微米空间分辨研究能力的硬X射线微探针实验装置，其在最小光斑尺寸1.6μm×1.8μm的情况下光通量达到1.8×1011photons/s·μm2/0.1%BW，并配备了先进的探测系统，线站能力达到了国际先进水平[1]。

传统的“走/停”模式荧光成像逐点扫描方法是由用户通过移动样品台电机，确定矩形感兴趣区的空间坐标，并手动将其输入扫描程序。扫描过程中，水平、垂直方向的电机先运动到起点，再进行第一个位置点的荧光数据和光强数据的采集，然后电机移动到第二个位置点，再进行数据采集，之后采集第三个位置点。以此类推，直到遍历感兴趣区范围内所有像素点。电机起动、停止和中间等待的过程消耗了很多时间。BL15U1已经研究出on-the-fly快速扫描荧光成像实验方法[2]，节约了这部分“浪费”的机时。但扫描范围仍必须是矩形，且需用户手动输入坐标。

自动化是硬X微探针技术的一个趋势[3]。自动化微探针数据采集一方面可以使宝贵的同步辐射机时更有效的使用，另一方面可以大大提高微区分析研究人员的研究效率，让他们把时间集中到更重要的结构和功能关系的研究上。

本文采用基于高灵敏度、高帧率数字图像控制器（Charge-coupledDevice，CCD）的实时成像方法，并集成光强探测、荧光探测和高精度运动控制等功能，将各控制、采集单元由以太网相连[4]，基于国际主流的EPICS（ExperimentalPhysicsandIndustrial ControlSystem）平台[5]在上海光源硬X微聚焦及应用光束线站实现了一种基于实时数字图像处理的同步辐射微探针自动化扫描方法。该方法操作便捷，并支持任意图形选区，能够高效地利用扫描时间。为了确认该自动化方法的实际效果，扫描了标准金网，获得了高质量的元素分布图像。

1　原理与方法

1.1实验原理

荧光分析就是利用物质的分子或原子受外来光源辐照后，分子或原子受激发，当它们退激后发出荧光，荧光的波长与分子或原子的能级结构有关，因此测量荧光的波长和强度就可用来确定发出该荧光的元素种类和含量，确定样品组成[6]。

常规的“走/停”荧光扫描模式，和BL15U1已实现的“飞行”扫描模式，均要求圈定的感兴趣区必须是矩形，而且边界必分别与样品支撑台的水平和垂直坐标轴平行。由于待测样品形状各异，几乎不存在能够与所圈定的矩形框完全重合的样品。当采用如上两种方式进行扫描时，都必须将扫描区域设置为一个包括待测的不规则形状样品区域和空白区域的一个矩形框。因此，很多扫描时间浪费在了空白区域上。另外由于样品显微镜中的图像只用于目测，不能够进行数字化处理，因此用户需手动调节样品支撑台，找到待测矩形边界的坐标，并手动输入扫描界面，该过程繁琐且占用时间。

本文基于实时数字图像处理，实现任意图形的同步辐射微探针自动化扫描方法。该方法集成数字图像与EPICS平台的通信接口，通过用户在图像上的鼠标指令获取像素位置、操作模式等信息，经过自动变换并传输到EPICS环境，对EPICS下的电机运动、扫描参数等进行配置，并能够自动生成电机运动配置文件，驱动XPS运动控制器和SSCAN扫描程序联动，同步获取光强探测器和荧光探测器的数据，实现任意形状的二维荧光成像。

1.2系统结构

这时，我会想，母亲每次骂完我，心里也会疼的吧？慢慢地，当年对她的那些恨和不满，越来越淡。我开始三天两头就回娘家看看她，我好像习惯了她训我，然而，她骂我却骂得越来越少，反过来，我开始经常数落她了。我怪她光会省钱，怪她操心太多，怪她不懂得照顾自己……

图1为BL15U1实验站在进行同步辐射微探针自动化扫描时的系统结构示意图。

图1　自动化扫描系统结构图Fig.1 　Shematic　structure　of　automation　scanning　system.

如图1所示，光束线经过前电离室进行光通量采集后经K-B镜聚焦在样品处。样品显微镜将可视图像实时聚焦到数字CCD上成像，数字CCD将图像数字化并传入PC机，实验人员在PC上圈定感兴趣区后，通过数字CCD的驱动软件与EPICS系统下XPS运动控制器的接口驱动电机运动，固体探测器同时进行荧光谱采集[7]，最终得到扫描图像。

数字CCD选用AlliedVisionTechnology的高精度数字CCD。其通过基于千兆网的GigE协议传输图像数据，分辨率高，且在最大分辨率1380×1024像素下，帧率可达30fps，能够充分满足实验要求。它支持多种显示制式，并可通过专用驱动软件与EPICS系统相兼容。

1.3软件实现

整体思路是基于EPICS下的areaDetector软件包开发数字CCD的驱动程序，以EPICS_AD_Viewer工具作为实时图形显示软件，并以java语言编写基于图形的电机控制及扫描区域信息获取软件。采用XPS运动控制器的mapping模式[8]驱动电机运动、EPICS下的SSCAN输入/输出控制（Input/Output Controller，IOC）获取数据，得到最终的实验结果。

软件主要包括图像显示软件、基于图像的电机控制和选取信息获取软件和荧光二维扫描软件。其中图像显示软件的底层硬件驱动采用EPICS下的areaDetector驱动软件包、人机交互界面采用java语言，并作为ImageJ的插件进行编写；基于图像的电机控制和选取信息获取软件同样使用java语言，并基于java与EPICS的通信接口函数库jca实现与电机控制系统的通信；荧光二维扫描软件基于BL15U1已实现的SSCAN扫描程序，并整合XPS运动控制器驱动，实现与电机运动同步进行数据采集。其中java语言编写的代码约为1500行，而二维扫描软件基于原有程序进行修改，代码量几乎没有增加。

1.3.1图像显示软件

为提高程序的易用性和开发效率，本文以ImageJ下的插件方式实现人机交互界面。ImageJ是一个基于java的公共图像处理软件，它内含丰富的图像处理功能，并且自带java编译器，编程人员可使用java语言直接基于ImageJ编写插件。在使用时由ImageJ中调用该插件即可。采用该方案，可以在程序开发过程中直接调用ImageJ中封装好的一系列图像处理函数和对象，便捷地从堆栈中读取由底层硬件驱动areaDetector采集到的图像数据，经过绘图代码处理后将图像输出到显示器上。

为能精确定位，所显示的图像中必须有一个基准点。本文在图像中心位置设定显示一个十字叉丝“＋”，并以叉丝的中心作为基准点。采用在读出堆栈中的图像矩阵后，通过对相应位置的像素值进行修改的方式来实现叉丝显示。

1.3.2选区信息获取和电机控制软件

选区信息获取和电机控制软件主要是基于图像实现样品与光路的自动对准以及扫描区域信息的获取。该部分软件使用java语言，并基于java与EPICS的通信接口函数库jca实现图像显示软件与电机控制系统的通信。其基本原理为：通过判断程序设置及处理鼠标事件，获取图像中相应位置的像素信息，经过坐标转换，触发程序对EPICS的电机控制通道赋值驱动电机运动，带动样品自动对准于光路中心；或者根据圈定的图形信息，经坐标变换后生成电机运动配置文件。

本文所选用的数字CCD分辨率为1380×1024像素，即水平方向有1380个像素点，软件中依次记作0-1379，垂直方向有1024个像素点，软件中依次记作0-1023。则在显微镜坐标系下，图像中心位置的理论像素坐标值为（679.5，511.5）。设图像上鼠标点击处的像素坐标为（nx，nz），则该点在样品台坐标系下的坐标（X，Y）为：

式中：k为空间长度与图像上像素数的比值；X0、Z0分别为当前图像中心在样品台坐标系下的坐标。

1.3.3荧光二维扫描软件

采用了基于EPICS的motor6.7软件包，编译后驱动XPS运动控制器，实现电机的运动控制。并载入由图像处理软件生成的电机运动轨迹配置文件，使电机实现任意轨迹运动。同时在SSCAN中加入状态机，同步采集扫描过程中每个样品点的空间位置和荧光探测器探测到的荧光信号，并实时保存实验数据，实现任意轨迹的荧光二维扫描。

1.3.4自动化软件流程图

在实验操作人制备并安装好样品后，整个实验过程由软件自动化完成，流程图如图2所示。

2　实验验证

实验验证样品采用标准金网，网格大小为76.2μm×76.2μm。首先根据电机的运动量与相应图像上像素点的改变值测得像素与实际位移的比例关系，并作为参数代入坐标系转换公式中。然后在图像上圈定扫描区域，由软件自动将显微镜坐标转换到样品台坐标，并生成XPS运动控制器配置文件。将文件导入XPS运动控制器，驱动电机运动，并开启扫描软件进行扫描。

图2　自动化扫描软件流程图Fig.2 Flow　chat　of　automation　scanning　software.

2.1区域选定

选取的感兴趣区域如图3圈中所示。

图3　选定的感兴趣区域Fig.3 　The　chosen　region　of　interest.

2.2电机运动轨迹

根据实验结果中记录的电机位置信息，绘制电机运动轨迹曲线如图4所示。

如图4所示，电机由原点出发，进行往复的扫描运动，运动轨迹与选区图示一致。

图4　电机运动轨迹Fig.4 　Trajectory　of　motors.

2.3实验结果分析

根据所得的扫描数据绘制出样品中金元素的二维分布如图5所示。由图5可以看出，扫描结果的轮廓和元素分布均与显微镜中的图像选区一致。对于实验中所选图形，若采用传统的矩形扫描方式，则需多花费20%-30%的时间于非感兴趣区的扫描；而采用本文中的自动化扫描方法，则节省下了这部分机时，提高了实验效率。整个实验过程中，软件的CPU占用主要来自于高分辨率图像数据的实时采集和显示，实测CPU占用率约为25%，整套软件对系统资源的占用并不明显。

图5　金元素二维分布扫描结果Fig.5　Scanning　result　of　the　2-D　distribution　of　Au.

3　结语

基于实时数字图像处理的同步辐射微探针自动化扫描方法可以使实验人员通过对显微镜上的实时数字图像进行操作，以实现区域选取和自动化扫描等功能，简便、高效地进行实验，得到高质量的荧光成像结果。与传统的扫描方法相比，该方法支持任意图形选区，节省了在实验人员不关心的区域进行扫描所浪费的时间，并且电机运动采用“飞行”模式，节省了电机在每个采样点起动和停止所浪费的时间。

本文成功实现了基于实时数字图像处理的同步辐射微探针自动化扫描方法，使得上海光源微聚焦线站在荧光分析方法学上有了进一步的发展，同时节省了实验时间，简化了操作步骤，使得实验站软件平台更加高效、易用，大大提高了用户工作效率。

参考文献

1 ZhangLL，YanS，JiangS， et al.HardX-ray micro-focusingbeamlineatSSRF[J]. NuclerScienceand Techniques，2015，26（6）:060101.DOI:10.13538/j.1001-8042/nst.26.060101

2 闫芬，张继超，李爱国，等.基于同步辐射的快速扫描X射线微束荧光成像方法[J].物理学报，2011，60（9）: 090702

YANFen，ZHANGJichao，LIAiguo，et al.Fastscanning X-raymicroprobefluorescenceimagingbasedon synchrotronradiation[J].ActaPhysicaSinica，2011，60（9）: 090702

3 Martn-BadosaE，ElmoutaouakkilA，NuzzoS，et al.A methodfortheautomaticcharacterizationofbone architecturein3Dmicemicrotomographicimages[J]. ComputerizedMedicalImagingandGraphics，2003，27（6）:447-458

4 周大勇，刘德康，刘亚娟，等.以太网技术在SSRF设备控制中的应用[J].核技术，2014，37（12）:120101.DOI: 10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120101

ZHOUDayong，LIUDekang，LIUYajuan，et al. ApplicationofEthernettechnologyinSSRFcontrol system[J].NuclearTechniques，2014，37（12）:120101. DOI:10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120101

5 何泳成，王春红，吴煊.EPICSIOC与EtherCAT设备通信的一种方法[J].核技术，2014，37（11）:110102.DOI: 10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110102

HEYongcheng，WANGChunhong，WUXuan.Amethod ofcommunicationbetweenEPICSIOCandEtherCAT devices[J].NuclearTechniques，2014，37（11）:110102. DOI:10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110102

6 马礼敦，杨福家.同步辐射应用概论[M].上海:复旦大学出版社，2005:202-215

MALidun，YANGFujia.IntroductiontoSynchrotron RadiationApplications[M].Shanghai:FudanUniversity Press，2005:202-215

7 XPS-Q8universalhighperformancemotioncontroller driverconfigurationwizarddocumentation[EB/OL]. http://assets.newport.com/webDocuments-EN/images/XP S-Q8ConfigurationWizardDoc.pdf，2014-11

8 闫芬，李爱国，杨科，等.基于EPICS的硬X微聚焦实验站数据采集系统[J].核技术，2009，32（11）:801-805

YANFen，LIAiguo，YANGKe，et al.EPICS-baseddata acquisitionsystemofhardX-raymicrofocusstation[J]. NuclearTechniques，2009，32（11）:801-805

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

中图分类号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：李爱国，E-mail:liaiguo@sinap.ac.cn
SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（No.11205237，No.U1332120）
Firstauthor:LIANGDongxu，male，bornin1984，graduatedfromBeijingUniversityofAeronautics＆Astronauticswithamaster’sdegreein2010，focusingoncontrolanddataacquisitionforsynchrotronradiationbeamline