电子断层图像对位中的图像匹配及胶体金点链生成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及结构生物学电子断层成像技术领域，具体地说，本发明涉及一种电子断层图像对位中的图像匹配及胶体金点链生成方法。
【背景技术】
[0002]电子显微镜(简称电镜)三维重构技术，利用电子显微镜拍摄的生物大分子投影图像序列进行三维重构得到生物大分子的三维密度结构，是结构生物学研究中的一种主流的技术支持手段。
[0003]根据投影的不同特点和分子样品的适用范围，电镜三维重构技术可分为:电子晶体学、单颗粒分析和电子断层成像技术。其中电子断层成像技术能够重构出不具有全同性且不需要结晶的细胞及亚细胞超微结构，具有其他技术不可替代的优势。受一系列机器及人工误差的影响，投影图像序列可能出现一系列的偏移旋转，且样品在空间中也会发生单纯的投影图像序列操作无法修复的运动，这极大地影响了重构结果精度，为了得到更高分辨率的三维重构结果，需要在进行三维重构之前对投影图像序列进行对位及空间参数标定。
[0004]基于胶体金的对位方法是目前最常用且对位精度最高的方法，该方法通过在样品中植入胶体金作为标记点对每幅样品投影图像进行对位。然而，为了获得高质量的对位结果，基于胶体金的对位一般需要较多的人工干预，从而使得对位的效率较低，且对人工的依赖大。
[0005]目前有很多关于胶体金自动对位的研究，一般存在两个难题:第一个是胶体金的提取，因胶体金的提取不在本案的讨论范围，故不再做过多描述；第二个是胶体金的追踪，即生成穿过各个电镜图像的胶体金点链，该胶体金点链中的各个点分别是所拍摄样品中同一胶体金点在各个电镜图像中的投影。传统的方法根据胶体金与周围胶体金的关系计算胶体金的对应关系，进而生成胶体金点链。这种算法在一些情况下是有效的，但是在周围胶体金数目较多时往往会发生匹配错误。因为这类算法只考虑一个胶体金与周围一定区域胶体金的位置关系，是基于局部几何信息的匹配，局部几何信息不能保证全局一致，因此当电镜图像中的胶体金识别不全或者电镜图像之间的图像偏移较大时，往往会出现匹配错误。而如果基于现有的对位算法，根据全局几何信息对各个电镜图像进行对位，则计算复杂度会极大地增加，并且这种计算复杂度的增加是海量的，往往会导致算法无法实现。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的任务是克服上述现有技术的不足，提供一种电子断层图像对位中的图像匹配及生成胶体金点链的解决方案。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种电子断层图像对位中的图像匹配方法，包括下列步骤:
[0008]I)对于待匹配的第一电镜图像和第二电镜图像，找出第一图像胶体金点集S和第二图像胶体金点集M中的四点仿射组；
[0009]2)随机选取第二图像胶体金点集M中的四点仿射组，找出一致性比例与该第二图像胶体金点集M中的四点仿射组接近的第一图像胶体金点集S中的四点仿射组作为映射的四点仿射组，基于映射的四点仿射组估计第一图像至第二图像的仿射变换T(.);
[0010]3)将第一图像的胶体金点代入步骤2)所得的仿射变换Τ(.)，计算仿射变换后的第一图像的胶体金点与第二图像的近似点的数目；
[0011]4)重复执行步骤2)、3)直至得出最优仿射变换，所述最优仿射变换是使得所述近似点的数目最多的仿射变换T (.);
[0012]5)基于步骤4)所得的最优仿射变换得到第一电镜图像和第二电镜图像中的匹配的胶体金点集对。
[0013]其中，所述步骤2)中，四点仿射组的一致性比例包括比例A和比例r 2，其中，假设四点仿射组S1由a, b, c, d四个点组成，ab与cd的交点是e，则比例!T1= | | a_e | / | a_b | |，r2= I c-e I/I c-d |。
[0014]其中，所述步骤3)中，第一图像仿射变换后与第二图像的近似点根据两点之间距离是否小于预设的距离误差阈值来确定。
[0015]其中，所述步骤3)中，所述距离误差阈值包括:第一阈值和小于第一阈值的第二阈值，所述步骤3)包括下列子步骤:
[0016]31)将第一图像的胶体金点代入步骤2)所得的仿射变换T(.)，基于第一阈值得到对应于仿射变换后的第一图像的胶体金点的第二图像的近似点；
[0017]32)基于预设的近似点数目阈值，根据步骤31)所得的近似点的数目，初步筛选出满足仿射变换的候选点集对；
[0018]33)对于步骤32)筛选出的满足仿射转换的候选点集对，重新估计仿射变换T (.)，然后再用第二阈值重新得出第一图像与第二图像的近似点的数目。
[0019]其中，所述步骤4)包括下列子步骤:
[0020]41)基于步骤33)所得的候选点集对，计算匹配点相对于第一电镜图像和第二电镜图像的原始胶体金点集的覆盖率，根据所述覆盖率更新最大迭代次数；
[0021]42)回到步骤2)，再次随机选取第二图像胶体金点集M中的另一个四点仿射组，直至执行步骤2)的次数达到所述最大迭代次数，或者第二图像胶体金点集M中的四点仿射组已经遍历完毕。
[0022]根据本发明的另一个方面，还提供了一种电子断层图像对位中的胶体金点链的生成方法，其特征在于，包括下列步骤:
[0023]a)对于电子断层图像序列中的任一电镜图像，将该电镜图像与相邻电镜图像组合，根据前文所述的图像匹配方法进行两两匹配，得出该电镜图像与相邻电镜图像之间匹配的胶体金点集对；
[0024]b)通过遍历图像序列，基于各个电镜图像与其相邻图像的匹配结果，进行胶体金点链的补全及生长。
[0025]其中，所述步骤a)还包括:对于电子断层图像序列中的任一电镜图像，将该电镜图像的前一张电镜图像和后两张电镜图像分别视为所述相邻电镜图像，并分别得出该电镜图像与三张所述相邻电镜图像之间匹配的胶体金点集对。
[0026]其中，所述步骤b)还包括:基于步骤a)得出的所述胶体金点集对，将其中所有两两匹配的胶体金点均填入一个三维结构生成胶体金点链。
[0027]其中，所述步骤b)中，所述三维结构使用存储序列化的坐标信息的平衡二叉树做为同一图像的特征点的存储集合，通过各链接二叉树结点表述胶体金点间的串联关系。
[0028]与现有技术相比，本发明具有下列技术效果:
[0029]1、本发明能够实现基于全局几何信息的胶体金点匹配，能够有效地减少甚至消除错误匹配，从而提高电子断层图像对位的准确度。
[0030]2、本发明能够以相对较低的计算复杂度实现基于全局几何信息的胶体金点链生成。
[0031 ] 3、本发明能够获得信息更加完整的胶体金点链。
[0032]4、本发明特别适合应用于电镜图像中的胶体金识别不全或者电镜图像之间的图像偏移较大的情形。
【附图说明】
[0033]以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中:
[0034]图1示出了本发明一个实施例的胶体金点链的生成方法的整体流程图；
[0035]图2示出了四点仿射变换示例图；
[0036]图3示出了测试数据A在O度角下的投影的电镜图像；
[0037]图4示出了测试数据B在O度角下的投影的电镜图像；
[0038]图5示出了采用本发明一个实施例的方法在测试数据A中所匹配跟踪生成的胶体金链的长度的统计，其中横坐标表示:胶体金链的长度，纵坐标表示:长度为横坐标值的胶体金链的数量；
[0039]图6示出了采用RAPTOR算法在测试数据A中所匹配跟踪生成的胶体金链的长度的统计；
[0040]图7示出了采用本发明一个实施例的方法在测试数据B中所匹配跟踪生成的胶体金链的长度的统计；
[0041]图8示出了采用RAPTOR算法在测试数据B中所匹配跟踪生成的胶体金链的长度的统计；
[0042]图9示出了在测试数据A中采用本发明一个实施例的方法所得到的覆盖所有图像的点链的坐标的置加；
[0043]图10示出了在测试数据B中采用本发明一个实施例的方法所得到的覆盖所有图像的点链的坐标的叠加；
[0044]图11示出了在测试数据A中采用本发明一个实施例的方法所得到的覆盖所有图像的点链的坐标在校正后的叠加；
[0045]图12示出了在测试数据B中采用本发明一个实施例的方法所得到的覆盖所有图像的点链的坐标在校正后的叠加。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
[0047]图1示出了本发明一个实施例的胶体金点链的生成方法的整体流程图，包括下列步骤:
[0048]步骤