组织微阵列技术（精选4篇）
组织微阵列技术 篇1
微阵列芯片技术又称基因芯片技术, DNA芯片技术或生物芯片技术, 从20世纪90年代至今已成为一门应用越来越广泛的前沿技术。1995年美国斯坦福大学的Schena等[1]首次发明了生物芯片, 对现代科技的发展做出了不可磨灭的贡献, 到目前为止已取得了众多举世瞩目的成果。微阵列芯片技术是指将寡核苷酸或DNA片段排列在硅片等介质上形成微阵列, 与荧光分子标记的待检样品杂交, 通过荧光扫描和软件分析获得样本的基因表达信息, 从而高效、快速获得分析样本的所有生物遗传信息[2]。这种技术应用前景十分广泛全面, 因其可通过外显子阵列检测生物样本的全部基因组并且只需较少的样本就能够进行基因表达分析从而获得基因表达差异信息, 所以可对医学上一些疑难杂症相关基因进行筛选和分析[3]。儿童先天畸形的病因有遗传因素和非遗传因素两大类, 以下将对微阵列芯片技术在儿童畸形中的应用进行综述。
1 口腔及颌面部畸形
基因和环境是影响口腔颌面部的生长发育的两个因素, 其中基因的变异容易导致异常发育造成先天口腔及颌面部畸形。其中唇腭裂是口腔先天畸形中发生率最高的疾病之一。微阵列芯片技术在其诊断发挥了很大的作用, 2003年Brown等[4]就用微阵列芯片技术筛选到了对正常鼠腭发育起重要作用的基因序列, 同时分析了其在腭突垂直生长期、腭突水平生长期、腭突融合三个不同阶段表达的改变, 最终证明基因芯片技术能快速便捷地检测到靶基因相关的细胞表达信号。沈璐等[5]进一步研究了维甲酸诱导的与腭裂相关的wnt信号通路以及成纤维细胞生长因子 (FGF) 配体表达的异常改变, 发现应用基因芯片技术可以检测到并且筛选出wnt和FGF的经典通路配体, 确定了前者为wnt8a和wnt3, 后者为fgf9和fgf10。等胚胎发育14.5 d左右, 用基因芯片对实验组和对照组的小鼠腭突进行检测, 最终发现wnt8a和fgf9配体的表达在实验组中下调, 而wnt3和fgf10配体的表达在实验组中上调, 该结果证实了小鼠胚胎腭突的发育同时有这两个信号通路的参与, 在分子水平上进一步揭示了腭裂的发生机制。因此基因芯片技术提供了从分子水平上对唇腭裂儿童进行早期干预的可能靶标。
2 儿童先天性肾脏疾病
肾脏是人体重要的排毒器官, 儿童期是肾脏发育及功能完善至关重要的阶段。但是很多先天性肾脏疾病的发病原因不明, 而基因芯片杂交技术由于可以同时检测几千个基因的表达情况, 并可进一步绘制出病患的基因表达图谱, 因此微阵列芯片技术对于揭示先天性肾脏疾病发病的原因有很大意义, 现在很多科研单位涉及此方面的科研工作[6]。
以往有研究表明, 蛋白尿具有肾毒性, 是加速肾功能衰竭的罪魁祸首之一, 因此可作为肾脏疾病向终末期肾衰发展的最佳预测指标之一。Nagasawa等[7]对蛋白尿的动物模型的肾组织检测了基因表达情况, 最终发现有1600多个基因表达增强, 其中一个编号为AA275245的基因过去未曾报道过, 其表达变化最显著, 通过与Gen Bank中的已知基因进行配对比照, 发现这个基因与细胞骨架蛋白的表达有关, 最终得出结论该基因可能参与了肾脏的损伤及应激机制, 另有研究表达蛋白尿可使大约10%的基因表达发生改变, 这对寻找肾脏疾病的始动基因提供了线索, 有利于进一步揭示肾脏疾病的发病机制。我们知道在人类的不同组织器官中有15 000~30 000个基因, 所以把基因芯片与生理病理学进行有效地结合最终可以用来检测到那些起协同调节作用的基因组。另外, 可以将基因分析与流行病学研究结合, 这对揭示遗传及环境因素对个体的作用有着不可忽视的作用[8], 同时对揭开儿童先天性肾脏疾病的病因及治疗策略具有非常重要的意义。
3 心血管疾病
2001年哈佛大学心血管研究中心用3种统计方法确定与人类心血管系统相关的基因, 结果发现共有26 000多个, 约占人体基因的75%, 此基因库也是全世界首次建立的, 而且研究发现与心功能衰竭有关系的病态基因共有200多个。心血管系统生理病理改变机制如此复杂, 可以想象与其相关的信号转导系统该是多么复杂, 而传统的单因素研究理论和方法已不能承担如此庞大的工程, 而基因芯片技术可利用高度集成的寡核苷酸或DNA微阵列, 实现大规模、高通量同时检测成千上万种细胞或组织内的基因表达情况, 达到一定程度上的全基因表达图谱的检测[9]。
儿童病毒性心肌炎多由柯萨奇B族病毒感染后引起的, 由于缺乏有效的治疗措施, 少数患者最终出现扩张型心肌病以及充血性心衰, 很大程度上影响日后的生活质量。Taylar等[10]利用c DNA表达谱芯片研究了在病毒感染后的第3、9、30天时宿主心肌细胞基因表达图谱的改变, 结果发现有169个基因在感染后1个或多个时间点发生了显著的差异表达, 对差异表达的基因根据其功能进行分类, 评估病毒性心肌炎的病毒血症期、炎症反应期、愈合期的基因表达的变化, 为病毒性心肌炎不同进展阶段的治疗提供依据。
4 染色体畸变
据统计染色体异常引起的先天畸形约占5%。常见的有21三体综合征、18三体综合征、先天性卵巢发育不全综合征、先天性睾丸发育不全综合征等。染色体微阵列分析是在最近这段时期才出现的一种分子核型分析技术, 其方法是通过对全基因组的拷贝数变异 (copy number variants, CNVs) 进行高通量、更高分辨率的分析, 其特点是可进行快速、精确地检测基因组不平衡位点, 从而进一步预测其表型或疾病的严重情况[11]。
王华等[12]选取产前诊断G显带染色体核型为新发平衡易位或微小额外标记染色体的4名孕妇, 抽取胎儿脐带血DNA, 最终证明染色体微阵列分析能够在DNA水平上甄别胎儿新发“平衡”易位或微小额外标记染色体的致病性, 在产前诊断中不失为传统染色体核型分析的重要补充。李璃等[13]同样用染色体微阵列分析对1例染色体不平衡易位先天性缺陷胎儿进行检测, 分析胎儿基因型和表型的相关性, 得出结论:del (14) (q32.33→qter) 部分单体可能是胎儿心脏病发病的遗传学病因。廖灿等[14]应用微阵列比较基因组杂交技术探讨Dandy-Walker综合征的遗传学病因, 确定了染色体7p21.3区DNA拷贝数的异常改变是Dandy-Walker综合征的病因之一, 且其发病机制可能与NDUFA4和PHFl4基因的表达异常有关。另外符芳等[15]选取32例经产前超声检查, 发现染色体1q21.1区带DNA拷贝数改变是导致儿童先天性泌尿系统畸形的病因之一, 其致病机制可能与PDZK基因的异常表达有关。利用基因芯片技术可筛查儿童的染色体异常情况并建立档案, 为其将来生育健康的后代提供指导。
5 造血系统疾病
众所周知, 儿童阶段是急性白血病的好发时期, 所以白血病细胞准确分型对其诊断和治疗有着至关重要的作用。运用微阵列芯片技术对白血病肿瘤细胞能进行准确的分型, 可以解决白血病细胞由于其分化的高度异质性和复杂性为细胞形态学给疾病诊断带来的困难, 进一步为白血病的诊断和治疗提供有效的工具。例如Golub等[16]设计了一种用于白血病分型的基因芯片, 它包含了6817个人类基因, 这就为白血病的快捷准确诊断提供了便利。另外运用微阵列技术筛选出的靶基因可以作为评价白血病预后的指标, 从而可以用来指导患者药物的选择和后续治疗方案的选择。其中Raponi等[17]运用包含22 001条基因的Affymetirx U133A芯片对58例复发且难治的急性髓系白血病患者骨髓标本进行检测, 最终获得了8个基因标志, 它们能够准确地预测患者对法尼基转移酶抑制剂的敏感度。于此同时Winter等[18]也运用AffymetrixU133芯片对50例白血病初发患者进行了分析, 最终筛选出了116个基因, 并用这些基因把其中5例取得缓解的患者和其他6例诱导缓解治疗失败区分开。此外骨髓增生异常综合征 (MDS) 又被临床称为“前白血病”, 它与急粒细胞白血病有许多在临床表现和细胞分型上有相似。国外文献关于应用微阵列芯片对白血病进行的报道很多[19], 它们得出的结论能够指导相关学者今后在关于MDS的靶向基因科研工作以及对两者进行鉴别诊断。
上述研究表明微阵列芯片技术在筛选儿童畸形疾病相关基因方面具有效率高、靶向性强和信息容量大等优点。虽然在过去的几年中微阵列芯片技术已经在各个疾病系统研究领域得到了应用, 但应用还不普遍, 其原因包括重复性不好、疾病例数难以筛选等。此外微阵列芯片技术仍有一些关键的技术问题没有得到解决, 如降低芯片成本、提高其灵敏度等。以上问题如果能够得到很好的解决, 那么把微阵列芯片技术从实验室研究推向临床应用就不再是空想[20]。
组织微阵列技术 篇2
1 CMA的特点及进展
染色体微阵列技术 (CMA) , 也叫分子核型分析技术 (molecular karyotyping) , 代表所有以微阵列为技术基础的基因组拷贝数分析技术, 包括基于比较基因组杂交的微阵列 (array-based comparative genomic hybridization, aCGH) 和基于单核苷酸多态性的微阵列 (single nucleotide polymorphism arrays, SNP arrays) 。aCGH是最先发展、也是目前仍然最为广泛应用的微阵列技术。其次是SNP arrays技术, 它在对人类基因组变异检测的基础上增加了单核苷酸多态性的信息数据。但以细菌人工染色体BAC (bacterial artificial chromosomes, BACs) 为探针的aCGH的缺点之一是它无法对小于其探针长度即100~150 kb的CNVs进行检测, 而且, 它容易造成对CNVs片段长度的高估, 例如CNV仅占BAC探针长度的50%, 而检测时系统会误认为CNVs覆盖了BAC探针全长。最近, 用寡核苷酸序列 (35~60 bp寡核苷酸) 取代BACs的aCGH已经被研发出来, 其克服了分辨率的局限性。相比SNP arrays, 寡核苷酸的aCGH的优势在于客户可以设计并制作自己的芯片, 可以针对特定的区域设计高密度的探针以增加在该区域检测的灵敏度和准确性, 其分辨水平可以到达对特定基因外显子缺失的检测。与aCGH相似, SNP arrays通过高密度的探针增加了检测的分辨率。二者不同之处在于在方法学上, SNP arrays无须将对照样本和待测样本分别标记, 仅需将待测样本进行杂交;患者的DNA不是与对照DNA进行竞争性杂交, 而是计算机将每个探针荧光信号强度的数字信息与一个参考生物信息文件的信息进行比较计算。也就是说SNP arrays避免了aCGH如何选择合适的参照样本的问题。另外SNP arrays上的探针除了带有拷贝数信息外, 还带有SNP分型的信息, 可以用以检测杂合缺失 (loss of heterozygosity, LOH) , 而临床上利用LOH的信息可以对部分隐性遗传病及印记基因疾病进行检测。
目前, aCGH在临床上应用相对较为成熟, 而针对临床检测设计的SNP arrays还缺少多中心、大样本的临床应用报告。但可同时提供拷贝数信息和SNP分型的信息的SNP arrays由于具有可操作性强、信息强的优势, 并能设计成针对单基因病的基因芯片, 因此更有可能成为未来临床应用行业中的标准。
2 CMA在产前诊断领域的应用与研究现状
2004年以来, 在医学遗传学实验室CMA做为产后评估的一种方法开始应用, 并且对怀疑基因组异常的个体进行了检测。2008年, CMA开始被用于对产前诊断实验室中未培养的羊水细胞进行试验性检测。随着研究病例的积累, CMA的研究应用正逐步从“产后”走向“产前”。
从CMA对大量智力低下患者的检测分析数据中, 可以发现这些患者在细胞遗传学上的共性事件是微缺失/微重复。目前, 在检测不明原因神经发育延迟、智力残疾、自闭症和 (或) 具有多种先天性异常的个体, aCGH已经取代常规染色体核型分析作为一线的检测方法[1]。一部分微缺失综合征已经被证实与CNVs相关, 包括17q21.31微缺失、16p11.2微缺失和1q21微缺失综合征等。在某些情况下, 一个特定的基因组异常可能对应与一个特定的表型 (如产前胎儿超声异常) , 借助于这些综合征的共同临床表现的研究数据, 可以研究基因的功能及疾病发生的机制。在对微缺失/微重复综合征患儿双亲的CMA检测中, 发现携带微缺失/微重复而表型正常的双亲。目前, 微缺失/微重复综合征可能存在的其他影响遗传表现的因素还有待确认。
3 CMA在产前诊断领域的应用优势
在过去的30多年, G显带核型分析一直被认为是检测染色体异常的金标准。它可以在一次实验中检查全基因组染色体的数目异常和大的结构异常。然而众所周知, 这项技术耗时、需培养细胞、分辨率有限, 且无法发现小于5 Mb的染色体异常。为了进一步识别小于5 Mb的染色体不平衡改变, 结合细胞遗传学和分子生物学的方法被研发出来。荧光原位杂交技术 (FISH) 和多重连接探针扩增技术 (MLPA) 可以发现小于1 Mb的染色体不平衡的改变, 但这些技术在一次实验中仅能发现有限的染色体异常的区域, 检测前必须对所检测的疾病有预知性和针对性。尽管在中期核染色体上进行的比较基因组杂交技术允许在全基因组水平进行检测, 但它的分辨水平仅在2~3 Mb。 CMA的发展大大提高了中期核染色体比较基因组杂交技术的分辨水平[2]。
在产前诊断领域, CMA能够像核型分析那样对全基因组水平进行检测, 无需细胞培养, 大大缩短患者等待结果的时间。尽管理想的检测模式还在探索阶段, 但它的优势逐渐显现。
例如CMA对分析产前超声发现胎儿结构畸形但染色体核型正常的病例发挥了突出作用。在一个前瞻性研究中, Shaffer等[3]用aCGH分析了2858个产前超声异常而核型正常的样本, 结果提示有6.5%的阳性率, 其阳性率与畸形的数量和发生部位有关。另外在对常规染色体G显带水平上无法确定其来源的标记染色体的分析, CMA技术可以在分子水平确定标记染色体中包含的基因, 并进一步查找基因功能的信息, 可以极大地解决遗传咨询中解读和分析胎儿标记染色体的难题。对于产前诊断中染色体核型检查发现的新发胎儿染色体平衡易位的情况, CMA技术可以进一步明确该易位是否打断编码基因、是否为基因组分子水平的平衡改变、是否在断裂点附近存在小片段的缺失或重复, 这些都有助于明确该新发的胎儿染色体平衡易位是否具有病理性质, 有利于遗传咨询及胎儿预后评估。
4 CMA在产前诊断中面临的挑战及前景
在过去10年里, CMA的临床应用价值得到了广泛的肯定。CMA技术的应用大大提高了对已知疾病的检测水平及对未知染色体微缺失或微重复综合征的发现率, 促进了临床诊断和遗传咨询水平的提高。在CMA临床应用研究初期, 许多学者预测CMA极有可能取代现有的细胞遗传学分析方法, 但需明白CMA只能发现目标基因组相对正常基因组平均拷贝数的变化, 不能检测平衡性易位、倒位、插入及其他拷贝数没有变化的染色体畸变、基因重组和点突变。近几年的研究倾向认为CMA在产前诊断中始终不能取代常规核型分析。但在产前诊断某些特殊情况下, CMA可以做为首选的检测方法。2010年, 加拿大医学遗传学 (CCMG) 细胞遗传学委员会提出CMA做为一线产前诊断检测方法应具备以下指征:产前超声或MRI检查提示胎儿结构异常或其他发育异常、具有遗传自亲代的染色体平衡重排, 且该胎儿先天性发育异常、G显带核型分析发现新发的染色体平衡重组、CCMG学会成员或同等水平医学遗传学家在遗传咨询过程中认为需要产前或产后检测的病例。之后, 欧洲医学遗传学管理委员会也出台相关的临床应用指南。针对CMA无法检测真正的染色体平衡重排 (如染色体平衡易位) 的局限性, 最近的数据[4]表明, 新一代测序 (new-generation sequencing, NGS) 技术可用于对染色体平衡重排、基因突变及CNVs进行遗传研究和临床诊断。NGS的临床应用也有待于其技术成本的降低和生物信息学及临床遗传学数据库的发展。
目前, 一个可能限制CMA技术临床产前诊断应用的原因是检测结果的临床意义不明 (variant of uncertain significance, VOUS) 。由于技术的局限性, CMA发现的基因组异常可能未知临床意义。在产前诊断中, 可能需对胎儿或双亲进行进一步检测 (如:FISH、MLPA、QF-PCR等) 以评估VOUS对胎儿的影响, 势必增加双亲的经济负担及不必要的担忧。同时, 家系调查并不总能提供足够的信息, 因为在父母双方及兄弟姐妹间特定的遗传学改变可能对表型有不同影响;在基因组中, 其他基因的独立畸变也会对结果的解释造成困扰。但VOUS并非仅在CMA检测中出现, 常规染色体检测中的标记染色体现象或超声检查中的胎儿染色体非整倍体“软指标”异常, 其临床意义都类似于VOUS, 需要进一步分析确定其病理意义或排除可疑。因此VOUS不应成为阻碍CMA临床应用的主要因素。相比之下, 基因芯片成本较高和高额的技术成本, 使得其在发展中国家的应用难以推进, 而临床产前诊断中又亟需应用CMA技术, 将引起不少医学、技术、经济等方面的问题。但我们相信, 随着技术的进一步提高和应用成本的逐渐降低, CMA技术的应用空间和临床意义将会越来越令人欣喜。
关于CMA结果的判断和解释, 如何确定良性CNVs或可能良性CNVs、病理性CNVs或可能病理性CNVs、VOUS, 可以参考各个临床检测中心的病例报道、病例分析、病例对照分析等资料, 更可查阅共享的公共数据库, 如国际公共病理性CNVs数据库 (database of chromosomal imbalance and phenotype in humans using ensembl resources, DECIPHER) 、国际公共良性CNVs数据库 (database of genomic variants, DGVs) 、人类遗传学细胞遗传学微阵列委员会在线数据库 (international standard cytogenomic array consortium, ISCA) 、人类孟德尔遗传数据库 (online mendelian inheritance in man, OMIM) 等, 这些不断完善的数据库对规范和明确CMA结果的解释及遗传咨询起着重要作用。目前这些数据库尚缺乏统一的质量监管, 如个别学者在数据上传中出现错误操作、参考人群不一致、对疾病表型描述的偏差等都可能影响数据的有效应用。另外, 由于对CNVs的基础研究还在继续和深化, 对CNVs的临床解释可能随着科学研究的深入而改变, 原本认为良性的CNVs可能在一定时间后被认为是致病性的。类似这样的问题, 在产前诊断中很可能导致法律的纠纷, 因此, CMA检测前患者充分的知情同意将是重要的检测前步骤[5]。
CMA技术的发展, 提高了人类对部分遗传性疾病的认识水平。虽然CMA的优势有目共睹, 然而其在临床开展和推广存在一定的技术难度, 一方面, 对临床医务工作者提出了更高业务要求:必须具备临床医学、分子遗传学、细胞遗传学、信息生物学, 统计学等知识, 如何建立有效体制进行CMA技术人员的培训和人才的储备将是关系到这一技术能否良性发展的前提。另一方面, 如何实现实验室结果和临床信息的有效衔接将是决定CMA检测平台能否顺利建立和开展的关键[5]。
总而言之, 在分子细胞遗传学水平上, 尽管CMA存在一定的缺点和局限性, 但因其具有其他技术不可比拟的优势, 应用前景良好。虽然, CMA在临床产前诊断的应用中会遇到一系列的问题, 然而, 随着研究的深入及研究人员对这类问题的关注, 特别是芯片成本的降低, CMA的产前检测也将规范化和模式化。
参考文献
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组织微阵列技术 篇3
现在由帝国理工研究人员研制的新型两维微阵列发光二极管技术 (a2-dimensional (2D) microarray of light emitting diodes (LEDs) ) , 可以取代价格贵、组装成本较高的扫描激光束技术, 从而使显微镜具有轻便、小型化、可移动性、电耗小等特点。
该技术可以广泛应用在医学器械、三维指纹识别、条形码、内窥镜、半导体材料质量检查等领域。
技术成熟度:小规模生产
组织微阵列技术 篇4
集成成像因其具有连续视差、不需要助视设备、无立体观看视疲劳等优势,是最有希望实现3D电视的真3D显示方法之一[1]。到目前为止,研究人员解决了集成成像3D分辨率低[2,3]和景深小[4,5,6]等问题[7,8,9,10,11]。如何让集成成像3D显示被众多家庭用户所接受,成为了亟待解决的问题。在传统集成成像的拍摄和显示过程中,所使用的微透镜阵列参数相同,而在实际的电视系统中,我们无法让所有的家庭用户的集成成像3D显示器都具有相同的参数,同样地,广播电视系统也不可能为每一种参数的集成成像3D显示器都拍摄一组与之对应的3D显示片源。因此,只有让微图像阵列与不同参数的集成成像3D显示系统兼容,才能实现理想的集成成像3D电视播放。本文提出基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像阵列生成方法,该方法能实现不同参数的微图像阵列与微透镜阵列间的兼容,且重建的3D图像不会产生图像缩放和图像畸变。
1原理
本文提出的集成成像方法的原理示意图如图1所示,在拍摄过程中,微透镜阵列1包含M1×N1 个透镜元,其节距和焦距分别为p1和f1,三维场景的3D信息被微透镜阵列1记录在其焦平面上,获得微图像阵列1;在显示过程中,微透镜阵列2包含M2×N2 个透镜元,其节距和焦距分别为p2和f2,因此拍摄过程中的微透镜阵列1和微图像阵列1与显示过程中的微透镜阵列2和微图像阵列2具有不同的参数。本文推导出像素映射算法将拍摄获得的微图像阵列1生成显示时所需的微图像阵列2,由微透镜阵列2和微图像阵列2重建的3D图像没有发生图像畸变,且保持原 三维场景 的尺寸大 小和空间位置。
图2所示为推导的像素映射算法,包含虚拟显示和虚拟拍摄两个步骤。在虚拟显示步骤中,微图像阵列1和微透镜阵列1重建出三维场景深度反转的3D图像。在虚拟拍摄过程中,微透镜阵列1和2的间距为L,微透镜阵列2与图1(b)显示过程中的微透镜阵列2参数相同,微图像阵列1和2的图像元分辨率都为r×r。如图2所示,微图像阵列1上第m列n行的图像元中第i列j行的像素记为I1(m,n)i,j,该像素发出的光线被微透镜阵列1和2折射,到达微图像阵列2上第m′列n′行的图像元中第i′列j′行的像素位置上,该像素记为I2(m′,n′)i′,j′。因此像素I1(m,n)i,j与像素I2(m′,n′)i′,j′之间存在如下关系:
式中,round(·)函数代表四舍五入取整数。当计算出的i′和j′值大于图像元分辨率r时,应舍弃该像素以避免相邻图像元间的串扰。这样,将m从1到M1循环取值,n从1到N1循环取值,i从1到r循环取值,j从1到r循环取值,就能将微图像阵列1中的所有像素映射到微透镜阵列2的焦平面上,生成显示过程所需的与微图像阵列1参数不同的微图像阵列2。
图2中,微透镜阵列1和2的间距L决定了再现3D图像的深度。设在拍摄过程中,3D物体到微透镜阵列1的距离为la,在显示过程中,重建的3D图像的深度为
当la=L时,3D图像显示在微透镜阵列2上;当la>L时,3D图像显示在微透镜阵列2之后;当la<L时,3D图像显示在微透镜阵列2之前。
在像素映射过程中,当微图像阵列1中相邻图像元的像素发出的光线被微透镜阵列1和2折射后,到达微图像阵列2中,将产生如图3所示的串扰像素,因此微透镜阵列1和2的焦距和节距应满足式(7)的关系,以避免串扰像素的出现。
当在微图像阵列1中找不到像素与微图像阵列2中的像素I2(m′,n′)i′,j′对应时,微图像阵列2中就产生了无信息像素,如图4所示。因此微图像阵列1、2和微透镜阵列1、2的单元数量M1×N1和M2×N2 应满足式(8)和式(9),以避免无信息像素的出现:
式中ceil(·)函数表示向上取整数。
2实验及验证
实验中,3D场景由三个位于不同深度的平面图像组成,如图5所示,相机阵列模拟微透镜阵列1对3D场景进行拍摄。Z轴表示不同平面图像与相机阵列的距离,分别是60 mm,100 mm和150 mm。我们对本文提出的方法、无参数改变的传统方法、以及文献[11]所述的直接缩放方法进行了实验比较,所用的器件参数如表1所示,其中本文提出的方法中微透镜阵列1和2的参数满足公式(7)~(9),生成的三幅微图像阵列2如图6(a)~(c)所示。
我们采用基于深度平面的计算机重建实验来产生三种方法重建的3D图像在纵向的截面图,该方法可以很容易的获得重建3D图像的纵向放大率。因为微透镜阵列1和2的间距为L=100mm,因此无参数改变的传统方法重建的无畸变3D图像的深度应分别为-50mm,0mm和40mm。图7(a)和(b)分别为本文提出的方法和传统方法重建的3D图像,它们分别在-50mm,0mm和40mm的深度上能清晰成像,说明其纵向放大率为1。图7(c)所示为直接缩放方法重建的3D图像,分别在 -42.8mm,0mm和34.3mm处清晰成像,说明该方法重建的3D图像的纵向放大率约为0.86。
同样,我们进行了集成成像光学3D显示实验来验证重建3D图像的横向放大率。因为三幅微图像阵列2的分辨率较高,我们采用爱普生高分辨率彩色打印机将三幅微图像阵列2打印出来,并与相应参数的微透镜阵列2进行精密耦合,获得的三幅集成成像3D画如图8所示。图中直尺用来测量再现3D图像“II”的横向尺寸,如图8(a)和(b)所示,本文提出的方法和传统方法重建的3D图像“II”的横向尺寸都为67.5mm,因此它们的横向放大率为1,而图8(c)所示的直接缩放法重建的3D图像“II”的横向尺寸变为43.5mm,因此其横向放大率约为0.644。因此上述实验验证了本文提出的方法能生成不同参数的微图像阵列2,且重建的3D图像没有发生图像缩放和图像畸变。
3结论