一种电子断层图像序列对位方法
【专利摘要】本发明提供一种电子断层图像序列对位方法，包括下列步骤：1）采用能够保留图像仿射变换信息的特征提取算法，从每幅电子断层投影图像中提取特征点；2）对不同电子断层投影图像的特征点进行匹配，获得多幅电子断层投影图像的特征点之间的对应关系；3）基于仿射模型，根据步骤2）所获得的多幅电子断层投影图像的特征点之间的对应关系，估计各电子断层投影图像所对应的对位参数。本发明不依赖胶体金标记，且能够提高对位准确度。
【专利说明】一种电子断层图像序列对位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子断层成像【技术领域】，具体地说，本发明涉及一种电子断层图像序列对位方法。
【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]传统电子断层图像对位技术中，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，胶体金的植入增加了噪声，对最终重构结果的分辨率有不利影响。另外，某些样品无法植入胶体金，因此传统电子断层图像对位技术的适用范围受限。
[0005]近年来，人们提出了一种无胶体金标记对位技术，目前主要可分为二大类。第一类是通过互相关方法求出图像之间偏移旋转参数后进行对位；第二类是通过虚拟特征点方法求出图像空间参数后对位。第一类方法大部分只能在二维图像平面内纠正图像平移和旋转，而基于样品三维重构-再投影的互相关改进方法则能求出少量空间参数，但非常耗时。第二类方法计算量适中，且通过引入计算机视觉的方法，理论上可估计样品的三维空间参数，恢复更多的对位参数，但实践上该方法估计的对位参数的准确度往往难以达到应用要求。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的任务是克服现有技术的不足，提供一种准确度高的不依赖胶体金标记的电子断层图像对位解决方案。
[0007]为实现上述发明目的，本发明提供了一种电子断层图像序列对位方法，包括下列步骤:
[0008]I)采用能够保留图像仿射变换信息的特征提取算法，从每幅电子断层投影图像中提取特征点；
[0009]2)对不同电子断层投影图像的特征点进行匹配，获得多幅电子断层投影图像的特征点之间的对应关系；
[0010]3)基于仿射模型，根据步骤2)所获得的多幅电子断层投影图像的特征点之间的对应关系，估计各电子断层投影图像所对应的对位参数。
[0011]其中，所述步骤I)中，采用SIFT算子或者SURF算法从每幅电子断层投影图像中提取特征点。
[0012]其中，所述步骤2)包括下列子步骤:
[0013]21)采用局部搜索法，对每幅电子断层投影图像，将其与其它电子断层投影图像进行两幅电子断层投影图像之间的特征点匹配；
[0014]22)将步骤21)中所匹配的特征点匹配对串联，得到对应于被投影样品相同特征区块的各个不同角度的电子断层投影图像的特征点组成的特征链。
[0015]其中，所述步骤21)中，采用随机抽样一致原则，基于二极几何去除错误匹配对。
[0016]其中，所述步骤21)中，每幅所述电子断层投影图像仅与邻近的电子断层投影图像进行特征点匹配。
[0017]其中，所述步骤3)中，各电子断层投影图像所对应的对位参数包括:每幅电子断层投影图像所对应的相机空间旋转参数、每幅电子断层投影图像所对应的样品在空间中的偏移参数以及各特征点所对应的样品原始特征点空间坐标。
[0018]其中，所述步骤3)包括下列子步骤:
[0019]31)根据穿过图像的特征链数目选取两张图像做为初始待估计序列；
[0020]32)设置初始待估计序列的对位参数的初值，所述对位参数包括图像所对应的相机空间旋转矩阵R、样品在空间中的偏移t、以及对应于图像中匹配特征点的样品空间点(X，Y，Z，I)τ，其中，R的初值通过初始旋转角度确定，t的初值通过投影图像对应的相机旋转角度和相机深度共同确定，根据待估计序列中各特征点的值，基于R、t的初值进行反投影，获得所对应的每一个空间点(X，Y, Z, 1)τ的初值；
[0021]对当前待估计序列中的每幅图像，寻找使得效用函数E最小的参数R、t，
[0022]
【权利要求】
1.一种电子断层图像序列对位方法，包括下列步骤: 1)从每幅电子断层投影图像中提取特征点，所述特征点能够保留图像仿射变换信息； 2)对不同电子断层投影图像的特征点进行匹配，获得多幅电子断层投影图像的特征点之间的对应关系；所述对应关系是对应于同一实际样品特征区块的不同角度电子断层投影图像中的特征点之间的关联关系； 3)基于仿射模型，根据步骤2)所获得的多幅电子断层投影图像的特征点之间的对应关系，估计各电子断层投影图像所对应的对位参数。
2.根据权利要求1所述的电子断层图像序列对位方法，其特征在于，所述步骤I)中，采用SIFT算子或者SURF算法从每幅电子断层投影图像中提取特征点。
3.根据权利要求1所述的电子断层图像序列对位方法，其特征在于，所述步骤2)包括下列子步骤: 21)采用局部搜索法，对每幅电子断层投影图像，将其与其它电子断层投影图像进行两幅电子断层投影图像之间的特征点匹配； 22)将步骤21)中所匹配的特征点匹配对串联，得到对应于被投影样品相同特征区块的各个不同角度的电子断层投影图像的特征点组成的特征链。
4.根据权利要求3所述的电子断层图像序列对位方法，其特征在于，所述步骤21)中，采用随机抽样一致原则，基于二极几何去除错误匹配对。
5.根据权利要求3所述的电子断层图像序列对位方法，其特征在于，所述步骤21)中，每幅所述电子断层投影图像仅与邻近的电子断层投影图像进行特征点匹配。`
6.根据权利要求4所述的电子断层图像序列对位方法，其特征在于，所述步骤3)中，各电子断层投影图像所对应的对位参数包括:每幅电子断层投影图像所对应的相机空间旋转参数、每幅电子断层投影图像所对应的样品在空间中的偏移参数以及各特征点所对应的样品原始特征点空间坐标。
7.根据权利要求6所述的电子断层图像序列对位方法，其特征在于，所述步骤3)中，首先选取电子断层投影图像序列中的部分图像，根据已知的电子断层投影图像的特征点之间的对应关系，基于误差最小原则对当前所选取的图像的所述对位参数进行估计；然后再加入新的图像，根据前一步所估计的所述对位参数以及已知的电子断层投影图像的特征点之间的对应关系，基于误差最小原则对加入新的图像后的当前所选取的图像的所述对位参数进行估计和更新；不断重复直至所有图像均被加入且获得所有图像的所述对位参数。
8.根据权利要求7所述的电子断层图像序列对位方法，其特征在于，所述步骤3)中采用稀疏捆绑调整技术估计所述对位参数。
9.根据权利要求6所述的电子断层图像序列对位方法，其特征在于，所述步骤3)包括下列子步骤: 31)根据穿过图像的特征链数目选取两张图像做为初始待估计序列； 32)设置初始待估计序列的对位参数的初值，所述对位参数包括图像所对应的相机空间旋转矩阵R、样品在空间中的偏移t、以及对应于图像中匹配特征点的样品空间点(X，Y，Z，I)τ，其中，R的初值通过初始旋转角度确定，t的初值通过投影图像对应的相机旋转角度和相机深度共同确定，根据待估计序列中各特征点的值，基于R、t的初值进行反投影，获得所对应的每一个空间点(X，Y, Z, 1)τ的初值；对当前待估计序列中的每幅图像，寻找使得效用函数E最小的参数R、t，
10.根据权利要求9所述的电子断层图像序列对位方法，其特征在于，所述步骤32)、35)中，采用稀疏捆绑调整技术来求解使得所述效用函数E最小的参数R、t。
11.根据权利要求10所述的电子断层图像序列对位方法，其特征在于，所述步骤35)包括下列子步骤: 351)输入当前待估计序列中所有测量得到的特征点xi;j及初始化的对位参数变量； 352)求解使得所述效用函数E最小的每幅图像的对位参数并用所求得的对位参数替换对位参数变量的初值； 353)根据所得的对位参数进行重投影；354)计算重投影的估计值与实际测量值的残差
【文档编号】G06T7/00GK103824294SQ201410073170
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】韩仁敏, 张法, 储琪 申请人:中国科学院计算技术研究所