【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微泳体(micro swimmer)显微追踪领域，具体涉及一种大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法及系统。
技术介绍
1、微泳体包括自然和人工两类，自然类微泳体包括各类能够自主游动的细菌和生殖细胞等，人工类微泳体包括各类自推进微纳颗粒和机器人。自然类微泳体经过漫长时间的进化，可以在低雷诺数环境下进行高效的运动和转向，这种特性值得人们去探究、学习并应用在人工微泳体上。
2、对微泳体的运动机制的研究需要将个体的行为细节和其运动轨迹相关联。由于微泳体的尺寸相对较小，对其运动细节的观察通常需要高倍放大的观测手段，而这就导致观察范围的减小，无法得到微泳体较长的运动轨迹。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中所存在的上述问题，本专利技术提供了一种大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法及系统。
2、本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
3、一种大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，包括：
4、将微游泳体置于三维电控位移台，利用显微成像设备连续采集所述微游泳体的光学显微图像；
5、在采集所述光学显微图像的过程中，根据所采集的光学显微图像控制所述三维电控位移台进行移动，以使所述微游泳体位于所述显微成像设备的成像范围内并实现自动聚焦。
6、可选地，根据所采集的光学显微图像控制所述三维电控位移台进行移动，以使所述微游泳体位于所述显微成像设备的成像范围内并实现自动聚焦，包括：
7、根据所采集的
8、可选地，利用爬山搜索算法控制所述三维电控位移台沿z轴进行移动，实现自动聚焦，包括：
9、从所采集的光学显微图像中提取感兴趣区域，使得所述微游泳体位于所述感兴趣区域的中心；
10、根据所述感兴趣区域计算图像聚焦评价指标和粒子半径；所述粒子半径是根据所述感兴趣区域中的微游泳体在其自身灰度重心周围的灰度分布计算得到的；所述图像聚焦评价指标是利用图像聚焦评价函数计算得到的；
11、根据所述图像聚焦评价指标和粒子半径判断所述微游泳体是否离焦；
12、当所述微游泳体离焦时，根据所述粒子半径确定所述三维电控位移台应沿z轴移动的方向，并利用爬山搜索算法控制所述三维电控位移台朝所述方向进行移动，实现自动聚焦。
13、可选地，所述图像聚焦评价函数是使用了归一化的二维高斯函数重新分配图像中像素权重的、用于评价图像聚焦效果的函数。
14、可选地，所述图像聚焦评价函数为：
15、
16、其中，e(x,y)＝gn(x,y)·u(x,y)，表示所述归一化的二维高斯函数；g(x,y)＝exp(-(((x-m/2)2+(y-n/2)2)/2σ2))；u(x,y)表示未使用归一化的二维高斯函数重新分配图像中像素权重的、用于评价图像聚焦效果的函数；为灰度调节因子，β为可调参数；ic表示当前感兴趣区域中的微游泳体的灰度重心，ii为该微游泳体的最大灰度值，所述感兴趣区域是一张大小为m×n为图像；σ为二维高斯函数的标准差。
17、可选地，u(x,y)＝(ux+uy)·[|f(x,y)-f(x+1,y+1)|+|f(x+1,y)-f(x,y+1)|]；
18、其中，
19、ux＝[f(x,y)-f(x+1,y)]·[f(x,y)-f(x+2,y)]；
20、uy＝[f(x,y)-f(x,y+1)]·[f(x,y)-f(x,y+2)]；
21、f(·)表示像素的灰度值，其括号内为像素坐标。
22、可选地，所述方法还包括：
23、在采集所述光学显微图像的过程中，当所述微游泳体将要逃逸出所述成像范围时，驱动所述三维电控位移台在xy平面内进行移动，以使所述微游泳体始终位于所述成像范围内；同时，根据所述三维电控位移台的位移对提取所述感兴趣区域时的像素坐标进行补偿。
24、可选地，所述粒子半径的计算方式包括：
25、在所述感兴趣区域中，以所述微游泳体的灰度重心为中心向四周发射若干条线段，每条线段经过的点均形成一条灰度分布曲线；所述线段的长度参考所述微游泳体的实际半径设定；
26、从形成的所有灰度分布曲线中选取至少一条目标曲线；所述目标曲线满足：曲线中灰度为ic/2的点与所述灰度重心的距离最短；ic为所述灰度重心对应的灰度；
27、根据所述至少一条目标曲线形成一条平均灰度分布曲线；所述平均灰度分布曲线上的每个点均对应一个灰度和一个半径值，其中起始点对应的灰度为ic，起始点对应的半径值为0；
28、若所述平均灰度分布曲线中仅包含以所述起始点为峰值的一个波峰，则以所述平均灰度分布曲线中灰度为ic/2的点对应的半径值作为粒子半径；
29、若所述平均灰度分布曲线中包含以所述起始点为峰值的一个波峰和其他波峰，则将所述其他波峰中最高波峰的峰值点对应的半径值作为粒子半径。
30、可选地，当所述微游泳体离焦时，根据所述粒子半径确定所述三维电控位移台应沿z轴移动的方向，并利用爬山搜索算法控制所述三维电控位移台朝所述方向进行移动，实现自动聚焦，包括：
31、当所述微游泳体离焦时，若所述粒子半径大于预设的阈值，确定所述三维电控位移台应沿z轴移动的方向为：靠近所述显微成像设备的镜头的方向；若所述粒子半径不大于所述阈值，确定所述三维电控位移台应沿z轴移动的方向为：远离所述显微成像设备的镜头的方向；其中，所述阈值用于区分所述平均灰度分布曲线中的不同波峰分布情况；所述不同波峰分布情况包括：所述平均灰度分布曲线中仅包含以所述起始点为峰值的一个波峰，或者，所述平均灰度分布曲线中包含以所述起始点为峰值的一个波峰和其他波峰；
32、利用爬山搜索算法控制所述三维电控位移台朝确定出的方向进行移动，实现自动聚焦；其中，所述爬山搜索算法的终止条件包括：当前的图像聚焦评价指标和粒子半径均表明当前不存在微游泳体离焦的情况。
33、本专利技术还提供了一种大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的系统，包括：三维电控位移台、显微成像设备和控制模块；
34、所述三维电控位移台，用于载置微游泳体；所述三维电控位移台设有位移传感器，所述三维电控位移台与所述控制模块相连接；
35、所述显微成像设备，用于连续采集所述微游泳体的光学显微图像；所述显微成像设与所述控制模块相连接；
36、所述控制模块，用于在所述显微成像设备采集所述光学显微图像的过程中，根据所述显微成像设备所采集的光学显微图像控制所述三维电控位移台进行移动，以使所述微游泳体位于所述显微成像设备的成像本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，根据所采集的光学显微图像控制所述三维电控位移台进行移动，以使所述微游泳体位于所述显微成像设备的成像范围内并实现自动聚焦，包括：
3.根据权利要求2所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，利用爬山搜索算法控制所述三维电控位移台沿Z轴进行移动，实现自动聚焦，包括：
4.根据权利要求3所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，所述图像聚焦评价函数是使用了归一化的二维高斯函数重新分配图像中像素权重的、用于评价图像聚焦效果的函数。
5.根据权利要求4所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，所述图像聚焦评价函数为：
6.根据权利要求5所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，U(x,y)＝(Ux+Uy)·[|f(x,y)-f(x+1,y+1)|+|f(x+1,y)-f(x,y+1)|]；
7.根据权利要求3所述的
8.根据权利要求3所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，所述粒子半径的计算方式包括：
9.根据权利要求8所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，当所述微游泳体离焦时，根据所述粒子半径确定所述三维电控位移台应沿Z轴移动的方向，并利用爬山搜索算法控制所述三维电控位移台朝所述方向进行移动，实现自动聚焦，包括：
10.一种大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的系统，其特征在于，包括：三维电控位移台、显微成像设备和控制模块；
...【技术特征摘要】
1.一种大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，根据所采集的光学显微图像控制所述三维电控位移台进行移动，以使所述微游泳体位于所述显微成像设备的成像范围内并实现自动聚焦，包括：
3.根据权利要求2所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，利用爬山搜索算法控制所述三维电控位移台沿z轴进行移动，实现自动聚焦，包括：
4.根据权利要求3所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，所述图像聚焦评价函数是使用了归一化的二维高斯函数重新分配图像中像素权重的、用于评价图像聚焦效果的函数。
5.根据权利要求4所述的大时空尺度下实时三维追踪微游泳体的方法，其特征在于，所述图像聚焦评价函数为：
6.根据权...
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