基于自适应区域候选的 SICM 图像非线性空间拼接方法研究

《Ultramicroscopy》：Study on Nonlinear Spatial Stitching Method of SICM Images Based on Adaptive Region Candidates

　　

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  提出了一种基于自适应区域候选的SICM图像非线性空间拼接方法。利用重叠区域选择来确定二次测量策略，并通过像素级拟合方法进行图像拼接，有效扩展了SICM的扫描范围。
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  利用扫描数据的特性设计了重叠区域选择方法，并通过重叠区域设置相应的二次扫描策略。
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  将扫描数据转换到图像域，减小了由重复扫描引起的三维定位误差。通过非线性拟合方法实现了二次扫描拼接。
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  分别进行了实验，实现了扫描图像的有效拼接。

章节片段

引言

作为一种新型扫描探针显微镜，扫描离子电导显微镜（SICM）能够对活细胞的三维形貌、电化学和力学特性进行无损动态扫描和成像。它在生物医学、药物药理学等领域具有广阔的应用前景和研究价值。在SICM原理中，通过监测和捕获离子电流电路中的电流变化，SICM可以实现

基于自适应重复区域候选的扫描策略

SICM获得的地形数据是具有复杂特征信息的三维数据。为了更直接地观察样品，将扫描高度数据映射到图像的像素空间，如以下公式所示：$$p\left(x,y\right)=\frac{255\times h\left(x,y\right)}{H}$$其中$p\left(x,y\right)$是映射到当前点的像素值，$h\left(x,y\right)$是当前点的扫描高度，$H$是总扫描高度。

转换后的图像与高度特征信息具有相同的特征信息。由于

基于像素空间的SICM扫描拟合方法

用于SICM扫描的设备是压电运动平台，该设备可以在纳米尺度上实现精确运动。根据平台设置，在第二次扫描期间，探针仍从上一次扫描的零点开始。第二次扫描的零偏移是基于候选重复区域计算的，控制探针移动到第二次扫描的零点开始扫描。由于压电运动中重复定位误差的影响

基于非线性比例变换的SICM扫描图像匹配方法

拟合后，扫描图像具有相同的灰度级别，满足图像拼接的初始条件。由于使用了局部直方图均衡化，扫描图像的特征更加突出。因此，采用基于图像像素特征的拼接方法可以有效捕获扫描图像重复区域中包含的特征，并实现拼接过程。

基于特征点的匹配方法有很多，例如尺度不变

实验与分析

为了验证所提出方法对SICM扫描图像的有效性和适用性，我们进行了拼接实验。实验装置由一个自建SICM系统组成，该系统配备三个粗定位电机用于三轴运动，P-621.2CL（最大行程：100 μm）作为X/Y轴压电执行器，P-621.ZCL（100 μm）作为Z轴压电执行器。PDMS静态图案，

结论与讨论

SICM的非接触测量原理可以实现对活生物细胞的无损成像。SICM的微运动平台运动范围有限，扫描范围小，无法满足范围扫描的要求。在本研究中，提出了一种基于自适应区域候选的SICM图像非线性空间拼接方法。该方法通过提出的自适应区域候选方法选择重复区域，计算二次扫描

未引用的参考文献

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CRediT作者贡献声明

廖晓波：撰写——初稿、软件、方法论、调查、数据整理。吴文林：撰写——初稿、软件、方法论。王志武：撰写——审阅与编辑、方法论。廖璇：撰写——初稿、软件、方法论、调查、数据整理。程磊：撰写——审阅与编辑、可视化、验证。庄建：撰写——审阅与编辑、软件。滕林霄：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金、四川省科技计划项目（项目编号：2023ZYD0132）、西南科技大学研究生创新基金项目（24ycx1098）、山西省基础研究计划、山西省优秀博士毕业生工作奖励与补贴基金、太原理工大学等机构的部分资助。

廖晓波|吴文林|王志武|廖璇|程磊|庄建|滕林霄