顯微圖像分析簡史
從電視圖像分析儀
到集成數字軟件解決方案的定量顯微技術
現代圖像分析系統對來自自動顯微鏡和數碼相機的圖像執行高度復雜的圖像處理功能。62年前，第一套圖像分析系統是模擬系統，以攝像機為基礎，面積測量可通過儀表讀取。不過，它標志著這一領域自動化的開端。
圖像分析的起源
第一臺顯微鏡的發明不可避免地引發了通過目鏡觀察物體的大小及其相互關系的問題。另一個同樣重要的問題是如何從二維切片中推斷物體的體積。這些定量顯微鏡問題最初是通過立體學來解決的，而立體學又為圖像分析所依據的原理做出了貢獻。
最早的實驗和結果歸功于 Achille Delesse，他證明了面積分數與體積分數成正比。1930 年，Thompson 和 Glagolev 建立了開創性的公式 PP（點計數）= LL（線性分數）= AA（面積分數）= VV（體積分數）。
第一臺基于電視的圖像分析儀
62 年前的 1962 年，位于劍橋的 Metals Research 公司開發出第一臺基于電視的微觀圖像分析儀，該公司后來成為徠卡集團的一部分。這臺所謂的 QTM A（定量電視顯微鏡）使用電視攝像機作為輸入設備，完全是模擬操作。對視頻信號施加閾值，在第二個電視屏幕上顯示為二進制圖像，并通過儀表讀取面積測量值。不過，它標志著圖像分析自動化的開端--每幅圖像 20 毫秒，即使與今天的儀器相比也是相當快的。對這一概念的初步接受促進了 1963 年 QTM B 的開發，它被證明是該領域第一臺商業上成功的自動化儀器。這些早期的圖像分析系統主要用于科研目的。用戶來自鋼鐵工業或冶金和礦物學研究機構，但其在生命科學領域的潛力很快得到了認可。
圖 1：QTM B，1963 年，第一套用于顯微鏡圖像的商用自動圖像分析系統，以電視攝像機為基礎，由英國劍橋的 Metals Research 公司開發。
圖 2（從左到右）：
1974 - Quantimet 720 Fifi - 大型數碼相機！
1980 - Quantimet 900，集成計算機，體積越來越小
1982-8 - Quantimet 920，彩色 900 x 700
1983 - 個人 Quantimet 10 - 標準電視機
1991 - Quantimet 500，我們第一臺基于 PC 的 CCD
1996 年以后 - 基于 PC
數字時代
圖像分析的數字時代始于 1969 年 Quantimet 720 上市之時。該儀器采用高度模塊化、基于硬件的圖像處理邏輯。由于采用了特殊的電子管攝像機，其分辨率達到 869 × 704 像素，并對整個圖像進行了數字化處理。該系統比其前代產品更加靈活，可自動控制顯微鏡平臺和聚焦。與配件組合使用時，這些系統可以填滿一個小房間。它們還可以執行一些巧妙的處理功能，如圖像侵蝕、放大，并使用“光筆”直接編輯圖像--這比 Photoshop 早了幾年。當然，其他光學公司也進入了這一新市場，Metals Research 公司（從 1969 年起更名為 IMANCO）并不是唯一的供應商。"有趣的是，一些最初的競爭對手現在都加入了徠卡顯微系統的大家庭，"在徠卡顯微系統工作了 40 年的產品經理杰夫-詹金森回憶道。"最激烈的競爭來自美國博士倫公司。他們更容易進入美國市場，但從未在歐洲站穩腳跟。當然，徠茲公司也有先進的圖像分析系統。
第一批計算機
從 1980 年起，隨著計算機功能的增強和成本的降低，圖像分析系統開始由計算機控制。雖然實際的圖像處理仍由硬件完成，但新的微處理器可以存儲圖像和結果。值得注意的是，計算機的引入最初會減緩圖像分析過程。這是因為早期的計算機無法消化和處理圖像中的大量數據。Quantimet 800 是使用英國進口的第一臺 Apple II 計算機開發的。Q900 還進行了更多創新，包括近百萬像素分辨率的完整數字圖像存儲、骨架化，并首次使用了著名的 Quips 成像語言。
數學形態學
20 世紀 60 年代，巴黎礦業學院的讓-塞拉（Jean Serra）和喬治-馬瑟隆（George Matheron）提出了進一步發展圖像分析的重要“概念”。他們的數學形態學概念將圖像視為像素值的數字陣列。這一概念最初應用于二值圖像，后來擴展到灰度圖像。得益于該小組的工作，在接下來的幾年中，距離變換和分水嶺等新特征被引入到圖像分析中。1989 年推出的 Quantimet 570 和 1994 年推出的 Quantimet 600 就是與礦業學院合作的直接成果。
軟件時代
20 世紀 90 年代，基于 PC 的 Quantimet 520 標志著圖像分析軟件時代的開始。這使得 Leica QWin 圖像分析軟件完全獨立于特定的硬件。最新的版本是創建了一個優化的用戶界面，如 Leica Application Suite (LAS)。LAS 軟件集成了自動化顯微鏡、計算和數字圖像分析領域的最新進展。在顯微鏡記錄方面，它可以控制顯微鏡和照相機，提供經過校準和注釋的數字圖像。從 1995 年起，在圖像分析完全軟件化之后，只銷售軟件而不銷售顯微鏡的公司進入了市場。"詹金森報告說："我們一直強調從單一供應商處購買整套集成系統的優勢。"我們似乎取得了成功，因為來自軟件公司的競爭已經有所減少"。
LAS X Industry 徠卡LAS X ID 面向工業應用的軟件平臺
使用計算機的顯微鏡
如今，計算顯微鏡在現代圖像分析系統中發揮著至關重要的作用。它提供的功能將顯微鏡圖像擴展到了光學屏障之外。用戶可以看到單個顯微鏡圖像中無法看到的元素--既然可以看到，也就可以測量。其主要功能包括：擴展焦深、擴展視野（這對于地質切片、顆粒識別應用（徠卡清潔度專家）以及幾乎所有定量顯微鏡應用中的宏定制都至關重要）。
工業應用
通過 LAS軟件，徠卡顯微系統還繼續關注工業材料應用，并將材料領域專家的理解轉化為專門針對這些任務的“專家”軟件應用套件。目前有十種專家級應用套件，其中包括用于測量鋼材夾雜物的“鋼材專家”和用于測量過濾器顆粒并對其進行分類的“清潔度專家”。最新加入專家系列的是 Leica Dendrite Expert 和 Leica Decarburisation Expert。LAS軟件也用于法醫實驗室。“為了區分各種印刷圖案，我們將徠卡 M125 和 MZ165 體視顯微鏡與 LAS 測量模塊結合使用。”通過顯微鏡，我可以觀察到微小的墨點、筆跡細節和印刷特征。LAS 測量模塊在對物體進行測量、量化所有獲取的數據并將結果傳輸到 excel 表單中方面具有不可替代的作用"。當然，從簡單的細胞培養觀察到生物醫學研究中復雜的成像任務，徠卡寬場和共聚焦系統在整個生命科學領域的應用中早已確立了圖像分析的地位。詹金森表示：“病理學和細胞遺傳學領域的創新，如數字圖像中心和玻片掃描儀，都源于圖像分析領域長期而廣泛的經驗”，“未來肯定還會有更多的創新”。
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