一種基于復(fù)原效率的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小選取方法
【專利摘要】一種基于復(fù)原效率的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小選取方法，包括如下步驟：采用直徑不同的不同空間大小序列三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行圖像復(fù)原仿真實(shí)驗(yàn)，獲得不同空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)與圖像復(fù)原效果和復(fù)原時(shí)間之間的關(guān)系，以此計(jì)算復(fù)原效率，繪制復(fù)原效率曲線，計(jì)算二階導(dǎo)數(shù)，獲得曲線拐點(diǎn)，確定可選最小空間三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，并按照一般觀察瀏覽和分析測量的不同需要，作出三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)相應(yīng)空間大小的選取。
【專利說明】一種基于復(fù)原效率的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小選取方法
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于復(fù)原效率的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小選取方法，該方法是數(shù)字共焦顯微技術(shù)中三維生物顯微圖像復(fù)原處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，屬于數(shù)字圖像復(fù)原處理【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法的應(yīng)用，可按照一般觀察瀏覽和分析測量的不同需要，結(jié)合復(fù)原效果和處理時(shí)間的綜合權(quán)衡考慮，作出三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)不同空間大小的選取。
二、【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字共焦顯微技術(shù)以普通生物光學(xué)顯微鏡為基礎(chǔ)，配置圖像探測器、精密移動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和電腦，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)采集的生物樣本顯微圖像進(jìn)行復(fù)原處理，消除焦面以外的散焦的影響，以提高細(xì)胞圖像的分辨率。
[0003]數(shù)字共焦顯微技術(shù)中的復(fù)原處理，采用的是三維顯微圖像去卷積復(fù)原方法。表征顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，直接決定著去卷積復(fù)原處理的效果。三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)越準(zhǔn)確地反映顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的能量分布，復(fù)原效果越好。在此基礎(chǔ)上，三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的空間大小選取越大，復(fù)原效果越好，同時(shí)處理時(shí)間越長，空間大小極限為樣本體積的2倍。三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為對(duì)頂雙漏斗結(jié)構(gòu)，如圖1所示，絕大部分能量集中在中部的雙漏斗對(duì)頂處。進(jìn)行圖像復(fù)原處理時(shí)，以該處為原點(diǎn)選取鄰域一定空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行處理。研究表明，隨著空間大小的逐漸增大，復(fù)原效果提升逐步趨緩，而處理時(shí)間卻迅速增加，復(fù)原效率下降。因此，如何根據(jù)觀察瀏覽和分析測量的不同需要，綜合和權(quán)衡考慮復(fù)原效果和處理時(shí)間，選取不同空間大小三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行復(fù)原處理，是數(shù)字共焦技術(shù)中三維顯微圖像去卷積復(fù)原處理需 要解決的重要問題。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于復(fù)原效率的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小選取方法，該方法能夠根據(jù)觀察瀏覽和分析測量的不同需要，綜合和權(quán)衡考慮復(fù)原效果和處理時(shí)間，選取相應(yīng)空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對(duì)采集的序列顯微切片圖像進(jìn)行復(fù)原處理。
[0005]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案達(dá)到上述目的:一種基于復(fù)原效率的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小選取方法，三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)以下簡寫為3D-PSF。包括如下步驟:
[0006](I)用一幅清晰高信噪比細(xì)胞圖像作為初始二維樣本，制作序列相互關(guān)聯(lián)的二維圖像，構(gòu)建一個(gè)清晰仿真三維圖像f ;
[0007](2)按照顯微鏡物鏡放大倍數(shù)、數(shù)值孔徑等參數(shù)、光源波長、相機(jī)靶面大小和分辨率參數(shù)，并設(shè)定一個(gè)光學(xué)切片層距，制作用于卷積的顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)仿真三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)h，由小到大制作用于復(fù)原的不同直徑的不同空間大小序列三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)Iii (hp h2、…、hi)；
[0008](3)用h與f卷積得到模糊仿真三維圖像g ；
[0009](4)用不同空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)Iii分別對(duì)模糊仿真三維圖像g進(jìn)行去卷積復(fù)原處理，復(fù)原算法采用最大似然法，同時(shí)記錄復(fù)原效果和處理時(shí)間；[0010](5)去卷積復(fù)原處理的復(fù)原效果的評(píng)價(jià)，采用改善信噪比ISNR，處理時(shí)間采用秒，并以最小的空間大小三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)Ii1的處理時(shí)間為基數(shù)進(jìn)行時(shí)間歸一化，計(jì)算不同空間大小三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)h對(duì)模糊仿真三維圖像g進(jìn)行復(fù)原處理的復(fù)原效率:q = ISNR/t,其中q為圖像復(fù)原效率，t為歸一化圖像復(fù)原處理時(shí)間；
[0011](6)對(duì)各空間大小三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的復(fù)原效率q與由小到大不同直徑M的不同空間大小序列三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)比的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到q_M關(guān)系曲線，求q對(duì)M的二階導(dǎo)數(shù)d2q/dM2，設(shè)二階導(dǎo)數(shù)為零找出曲線拐點(diǎn)，將直角坐標(biāo)橫軸上與拐點(diǎn)最接近的直徑M的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，確定為可選最小空間三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；
[0012](7)三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小的選取，如果復(fù)原圖像用于一般觀察瀏覽，對(duì)復(fù)原效果要求不太高，可以選取“可選最小空間三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)”或稍大的空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行圖像復(fù)原，以減少復(fù)原處理時(shí)間，如果復(fù)原圖像用于研究、分析測量，則選取較大空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，以獲得更精確的復(fù)原效果，對(duì)復(fù)原圖像的效果要求越高，選取越大空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。
[0013]圖像復(fù)原仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟如下:
[0014]I)采用直徑不同的不同空間大小的序列三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對(duì)三維仿真細(xì)胞圖像復(fù)原進(jìn)行復(fù)原實(shí)驗(yàn)，獲得圖像復(fù)原效果和復(fù)原時(shí)間與不同空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)之間的關(guān)系數(shù)據(jù)。
[0015]2)復(fù)原效率的計(jì)算:根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算復(fù)原效率并繪制出曲線，找出曲線拐點(diǎn)，確定三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)選取的最小空間。
[0016]3)空間大小選取:按照一般觀察瀏覽，或分析測量的不同需要，復(fù)原效果和處理時(shí)間的綜合考慮，作出三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)相應(yīng)空間大小的選取。
[0017]本發(fā)明的突出效果在于:
[0018]三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的空間大小的不同選取，直接決定著數(shù)字共焦技術(shù)中三維顯微圖像去卷積復(fù)原效果和處理時(shí)間。如何選取，一直是數(shù)字共焦顯微技術(shù)待解決的問題。本發(fā)明通過圖像復(fù)原仿真實(shí)驗(yàn)和復(fù)原效率及其曲線拐點(diǎn)的計(jì)算，確定了三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)最小選取空間大小，提出了根據(jù)觀察瀏覽和分析測量的不同需要，選取不同空間大小三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的方法，為數(shù)字共焦技術(shù)的三維顯微圖像去卷積復(fù)原處理提供了一種有效的選取三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小的方法。
四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對(duì)頂雙漏斗結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖1中顯示三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)對(duì)頂?shù)穆┒坊蛘咦刁w構(gòu)成。
[0021]圖2為實(shí)驗(yàn)的清晰圖像和仿真模糊圖像。
[0022]圖3為復(fù)原效率q與3D-PSF直徑M的擬合關(guān)系曲線。
[0023]圖4為各空間大小3D-PSF復(fù)原結(jié)果。
五、【具體實(shí)施方式】
[0024]以下通過附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0025]如圖1至圖4所示，本發(fā)明所述的基于數(shù)字共焦顯微技術(shù)的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小選取方法，包括如下步驟:
[0026]1.三維仿真樣本圖像的制作
[0027]以圖1(a)所示的清晰作為初始2D樣本，該圖像大小為151 X 151，256灰度級(jí)。通過旋轉(zhuǎn)、放大和縮小的方法制作401幅相互關(guān)聯(lián)的二維圖像，并將這401幅圖像構(gòu)建成仿真三維圖像f，三維空間大小為151X151X401。
[0028]2.3D-PSF 的制作
[0029]設(shè)顯微鏡物鏡參數(shù):放大倍數(shù)為40倍；數(shù)值孔徑為0.65 ;物鏡機(jī)械鏡筒長度為160mm ;光源波長為550nm ;CCD的參數(shù)為1/4 ;分辨率為640X480。
[0030]I)顯微鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)3D-PSF的制作
[0031]制作一個(gè)直徑為71，即二維空間大小為71 X 71、軸向采樣間隔為0.05 μ m、層數(shù)為71的光學(xué)系統(tǒng)3D-PSF:h，三維空間大小為71X71X71。
[0032]2) 一組7個(gè)用于復(fù)原處理的3D-PSF的制作
[0033]設(shè)定用于復(fù)原的7個(gè)3D-PSF層數(shù)m為11、層距Λζ = 0.2μπι。即ζ軸上的空間大小是2.0 μ m。x_y徑向大小為MXM，設(shè)M為直徑，分別取為3、5、7、9、11、13和15像素，得到7個(gè)層數(shù)和層距相同、直徑M不同的3D-PSFh3、h5、h7、h9、hn、h13和h15，下標(biāo)為直徑值。這代表7個(gè)不同空間大小的3D-PSF。
[0034]3.用于復(fù)原的細(xì)胞仿真切片圖像的制作
[0035]用h與f卷積得到三維仿真切片圖像gQ，大小為151 X 151 X 401，層距為0.05 μ m，圖1 (b)為Stl的中間一幅圖像。Wz = O為中心，向ζ軸兩側(cè)每隔3層抽取一層，得到大小為151 X 151 X 67，層距Λ ζ為0.2 μ m的樣本切片g。
[0036]4.圖像復(fù)原
[0037]分別用7個(gè)不同直徑M的3D-PSF h3、h5、h7、h9、hn、h13和h15對(duì)模糊樣本切片g進(jìn)行去卷積復(fù)原處理，復(fù)原算法采用最大似然法，設(shè)置迭代次數(shù)為600次。7個(gè)復(fù)原結(jié)果圖像
表示為/3、%、/7、/9、Jn、j;3 和 Z15,大小均為 151X151X67。
[0038]5.復(fù)原結(jié)果圖像的計(jì)算
[0039]采用改善信噪比ISNR對(duì)圖像復(fù)原效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種基于復(fù)原效率的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小選取方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)用一幅清晰高信噪比細(xì)胞圖像作為初始二維樣本，制作序列相互關(guān)聯(lián)的二維圖像，構(gòu)建一個(gè)清晰仿真三維圖像f; (2)按照顯微鏡物鏡放大倍數(shù)、數(shù)值孔徑參數(shù)、光源波長、相機(jī)靶面大小和分辨率參數(shù)，并設(shè)定一個(gè)光學(xué)切片層距，制作用于卷積的顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)仿真三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)h，由小到大制作用于復(fù)原的不同直徑的 不同空間大小序列三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)比(hp h2、…、比)； (3)用h與f卷積得到模糊仿真三維圖像g； (4)用不同空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)Iii分別對(duì)模糊仿真三維圖像g進(jìn)行去卷積復(fù)原處理，復(fù)原算法采用最大似然法，同時(shí)記錄復(fù)原效果和處理時(shí)間； (5)去卷積復(fù)原處理的復(fù)原效果的評(píng)價(jià)，采用改善信噪比ISNR，處理時(shí)間采用秒，并以最小的空間大小三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)Ii1的處理時(shí)間為基數(shù)進(jìn)行時(shí)間歸一化，計(jì)算不同空間大小三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)4對(duì)模糊仿真三維圖像g進(jìn)行復(fù)原處理的復(fù)原效率:q= ISNR/t，其中q為圖像復(fù)原效率，t為歸一化圖像復(fù)原處理時(shí)間； (6)對(duì)各空間大小三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的復(fù)原效率q與由小到大不同直徑M的不同空間大小序列三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)比的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到q_M關(guān)系曲線，求q對(duì)M的二階導(dǎo)數(shù)d2q/dM2，設(shè)二階導(dǎo)數(shù)為零找出曲線拐點(diǎn)，將直角坐標(biāo)橫軸上與拐點(diǎn)最接近的直徑M的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，確定為可選最小空間三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)； (7)三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)空間大小的選取，如果復(fù)原圖像用于一般觀察瀏覽，對(duì)復(fù)原效果要求不太高，選取最小空間三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)或稍大的空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行圖像復(fù)原，以減少復(fù)原處理時(shí)間，如果復(fù)原圖像用于研究、分析測量，則選取較大空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，以獲得更精確的復(fù)原效果，對(duì)復(fù)原圖像的效果要求越高，選取越大空間大小的三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06T5/00GK103942765SQ201410196043
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】陳華, 楊鳳娟, 蔡熠, 梁日柳 申請(qǐng)人:廣西大學(xué)