การประมวลผลภาพจากกล้องจุลทรรศน์

การประมวลผลภาพจากกล้องจุลทรรศน์เป็นคำกว้างๆ ที่ครอบคลุมการใช้ เทคนิค การประมวลผลภาพดิจิทัลเพื่อประมวลผล วิเคราะห์ และนำเสนอภาพที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์การประมวลผลดังกล่าวเป็นเรื่องปกติในหลากหลายสาขา เช่นการแพทย์การวิจัยทางชีววิทยา การวิจัยโรคมะเร็งการทดสอบยาโลหะวิทยาเป็นต้น ผู้ผลิตกล้องจุลทรรศน์จำนวนมากในปัจจุบันได้ออกแบบคุณสมบัติเฉพาะที่ช่วยให้กล้องจุลทรรศน์สามารถเชื่อมต่อกับระบบประมวลผลภาพ ได้

จนกระทั่งต้นทศวรรษ 1990 การเก็บภาพส่วนใหญ่ในการใช้งานกล้องจุลทรรศน์วิดีโอ มักทำด้วยกล้องวิดีโอแบบอนาล็อก ซึ่งมักเป็นกล้องโทรทัศน์วงจรปิดธรรมดา แม้ว่าจะต้องใช้ตัว จับภาพ ( frame grabber)เพื่อ แปลงภาพ ให้เป็นดิจิทัลแต่กล้องวิดีโอให้ภาพที่อัตราเฟรมวิดีโอเต็ม (25-30 เฟรมต่อวินาที) ทำให้สามารถบันทึกและประมวลผลวิดีโอแบบเรียลไทม์ได้ แม้ว่าการเกิดขึ้นของตัวตรวจจับแบบโซลิดสเตทจะให้ข้อดีหลายประการ แต่กล้องวิดีโอแบบเรียลไทม์ก็เหนือกว่าในหลายๆ ด้าน

ในปัจจุบัน การเก็บภาพมักทำโดยใช้กล้องCCD ที่ติดตั้งอยู่ในเส้นทางแสงของกล้องจุลทรรศน์ กล้องอาจเป็นแบบสีหรือขาวดำ บ่อยครั้งที่ใช้กล้องที่มีความละเอียดสูงมากเพื่อให้ได้ข้อมูลโดยตรงมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การระบายความร้อน ด้วยความ เย็นจัด ก็เป็นเรื่องปกติเช่นกัน เพื่อลดสัญญาณรบกวน กล้องดิจิทัลที่ใช้ในงานประเภทนี้มักให้ ข้อมูลความเข้ม ของพิกเซลที่ความละเอียด 12-16 บิต ซึ่งสูงกว่าที่ใช้ในผลิตภัณฑ์ถ่ายภาพสำหรับผู้บริโภคมาก

ที่น่าประหลาดใจคือ ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ มีความพยายามอย่างมากในการเก็บรวบรวมข้อมูลด้วย อัตราเฟรม วิดีโอหรือสูงกว่า (25-30 เฟรมต่อวินาทีขึ้นไป) สิ่งที่เคยทำได้ง่ายด้วยกล้องวิดีโอทั่วไป ตอนนี้ต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงพิเศษเพื่อรองรับแบนด์วิดท์ข้อมูลดิจิทัลจำนวนมหาศาล

การบันทึกภาพด้วยความเร็วสูงช่วยให้สามารถสังเกตกระบวนการเปลี่ยนแปลงแบบเรียลไทม์ หรือจัดเก็บไว้เพื่อเล่นซ้ำและวิเคราะห์ในภายหลังได้ เมื่อรวมกับความละเอียดของภาพที่สูง วิธีการนี้สามารถสร้างข้อมูลดิบจำนวนมหาศาล ซึ่งอาจเป็นความท้าทายในการจัดการ แม้แต่กับระบบ คอมพิวเตอร์ ที่ทันสมัยก็ตาม

แม้ว่าตัวตรวจจับ CCD ในปัจจุบันจะให้ ความละเอียดของภาพสูงมากแต่บ่อยครั้งที่ต้องแลกมาด้วยข้อจำกัด เพราะสำหรับขนาดชิปที่กำหนดไว้ เมื่อจำนวนพิกเซลเพิ่มขึ้น ขนาดพิกเซลจะลดลง เมื่อพิกเซลเล็กลง ความลึกของบ่ออิเล็กตรอนก็จะลดลง ทำให้จำนวนอิเล็กตรอนที่สามารถเก็บได้ลดลง ส่งผลให้มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ที่แย่ ลง

เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด จำเป็นต้องเลือกเซนเซอร์ที่เหมาะสมกับงานนั้นๆ เนื่องจากภาพจากกล้องจุลทรรศน์มีความละเอียดจำกัดโดยธรรมชาติ การใช้เซนเซอร์ที่มีความละเอียดสูงและมีสัญญาณรบกวนสูงจึงมักไม่เหมาะสม เซนเซอร์ที่มีขนาดเล็กกว่าแต่มีพิกเซลขนาดใหญ่กว่า มักจะให้ภาพที่มีคุณภาพสูงกว่ามากเนื่องจากมีสัญญาณรบกวนน้อยกว่า ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในงานที่มีแสงน้อย เช่นกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์

นอกจากนี้ ยังต้องพิจารณาถึงข้อกำหนดด้านความละเอียดเชิงเวลาของแอปพลิเคชันด้วย ตัวตรวจจับที่มีความละเอียดต่ำมักจะมีอัตราการรับภาพที่สูงกว่าอย่างมาก ทำให้สามารถสังเกตเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเร็วขึ้นได้ ในทางกลับกัน หากวัตถุที่สังเกตอยู่นิ่ง อาจต้องการรับภาพด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่สูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยไม่คำนึงถึงเวลาที่ใช้ในการรับภาพแต่ละภาพ

การประมวลผลภาพสำหรับการใช้งานกล้องจุลทรรศน์เริ่มต้นด้วยเทคนิคพื้นฐานที่มุ่งเน้นการจำลองข้อมูลที่มีอยู่ในตัวอย่างกล้องจุลทรรศน์ให้แม่นยำที่สุด ซึ่งอาจรวมถึงการปรับความสว่างและความคมชัดของภาพ การเฉลี่ยภาพเพื่อลดสัญญาณรบกวน และการแก้ไขความไม่สม่ำเสมอของแสงสว่าง การประมวลผลดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการคำนวณทางคณิตศาสตร์พื้นฐานระหว่างภาพเท่านั้น (เช่น การบวก การลบ การคูณ และการหาร) การประมวลผลส่วนใหญ่ที่ทำกับภาพจากกล้องจุลทรรศน์เป็นไปในลักษณะนี้

การประมวลผลภาพสองมิติอีกประเภทหนึ่งที่ใช้กันทั่วไป เรียกว่าการคอนโวลูชัน ภาพ (image convolution ) มักใช้เพื่อลดหรือเพิ่มรายละเอียดของภาพ อัลกอริทึม "เบลอ" และ "เพิ่มความคมชัด" ในโปรแกรมส่วนใหญ่ทำงานโดยการเปลี่ยนแปลงค่าของพิกเซลโดยอิงจากผลรวมถ่วงน้ำหนักของพิกเซลนั้นและพิกเซลโดยรอบ (คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับการคอนโวลูชันแบบใช้เคอร์เนลนั้นควรมีหัวข้อแยกต่างหาก) หรือโดยการเปลี่ยนแปลงฟังก์ชันโดเมนความถี่ของภาพโดยใช้การแปลงฟูริเยร์เทคนิคการประมวลผลภาพส่วนใหญ่ดำเนินการในโดเมนความถี่

เทคนิคสองมิติพื้นฐานอื่นๆ ได้แก่ การดำเนินการต่างๆ เช่น การหมุนภาพ การบิดเบี้ยวภาพ การปรับสมดุลสี เป็นต้น

บางครั้งมีการใช้เทคนิคขั้นสูงโดยมีเป้าหมายเพื่อ "แก้ไข" การบิดเบี้ยวของเส้นทางแสงของกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งจะช่วยขจัดความบิดเบี้ยวและการเบลอที่เกิดจากอุปกรณ์ กระบวนการนี้เรียกว่าดีคอนโวลูชัน (deconvolution)และ มีการพัฒนา อัลกอริธึม ต่างๆ มากมาย ซึ่งบางส่วนมีความซับซ้อนทางคณิตศาสตร์สูง ผลลัพธ์ที่ได้คือภาพที่คมชัดและชัดเจนกว่าที่ได้จากการใช้เพียงโดเมนแสงอย่างเดียว โดยทั่วไปแล้ว นี่เป็นการดำเนินการแบบ 3 มิติ ที่วิเคราะห์ภาพปริมาตร (เช่น ภาพที่ถ่ายจากระนาบโฟกัสต่างๆ ผ่านตัวอย่าง) และใช้ข้อมูลนี้เพื่อสร้างภาพ 3 มิติที่แม่นยำยิ่งขึ้น

อีกหนึ่งข้อกำหนดทั่วไปคือการถ่ายภาพชุดหนึ่ง ณ ตำแหน่งคงที่ แต่ที่ระดับความลึกโฟกัสที่แตกต่างกัน เนื่องจากตัวอย่างทางจุลภาคส่วนใหญ่มีความโปร่งใส และความชัดลึกของตัวอย่างที่โฟกัสแคบมาก จึงสามารถถ่ายภาพ "ทะลุ" วัตถุสามมิติได้โดยใช้อุปกรณ์สองมิติ เช่นกล้องจุลทรรศน์แบบคอนโฟคอลจากนั้นซอฟต์แวร์จะสามารถสร้างแบบจำลองสามมิติของตัวอย่างดั้งเดิมขึ้นมาใหม่ ซึ่งสามารถปรับแต่งได้อย่างเหมาะสม กระบวนการนี้เปลี่ยนเครื่องมือสองมิติให้เป็นเครื่องมือสามมิติ ซึ่งหากไม่ใช้กระบวนการนี้ก็จะไม่สามารถเกิดขึ้นได้ ในช่วงไม่นานมานี้ เทคนิคนี้ได้นำไปสู่การค้นพบทางวิทยาศาสตร์มากมายในสาขาชีววิทยาของเซลล์

การวิเคราะห์ภาพจะแตกต่างกันไปอย่างมากตามการใช้งาน การวิเคราะห์ทั่วไปประกอบด้วยการกำหนดขอบของวัตถุ การนับวัตถุที่คล้ายกัน การคำนวณพื้นที่ ความยาวเส้นรอบวง และการวัดอื่นๆ ที่เป็นประโยชน์ของแต่ละวัตถุ วิธีการทั่วไปคือการสร้างมาสก์ภาพซึ่งมีเฉพาะพิกเซลที่ตรงกับเกณฑ์บางอย่าง จากนั้นจึงทำการสแกนแบบง่ายๆ บนมาสก์ที่ได้ นอกจากนี้ยังสามารถติดป้ายกำกับวัตถุและติดตามการเคลื่อนไหวของวัตถุในลำดับเฟรมของวิดีโอได้อีกด้วย

• การประมวลผลภาพ

• การถ่ายภาพเชิงปริมาณ (ลิงก์เสีย)