一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法
【专利摘要】一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法，包括如下步骤：采用直径不同的不同空间大小序列三维点扩散函数进行图像复原仿真实验，获得不同空间大小的三维点扩散函数与图像复原效果和复原时间之间的关系，以此计算复原效率，绘制复原效率曲线，计算二阶导数，获得曲线拐点，确定可选最小空间三维点扩散函数，并按照一般观察浏览和分析测量的不同需要，作出三维点扩散函数相应空间大小的选取。
【专利说明】一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法
一、【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法，该方法是数字共焦显微技术中三维生物显微图像复原处理的一个重要环节，属于数字图像复原处理【技术领域】。该方法的应用，可按照一般观察浏览和分析测量的不同需要，结合复原效果和处理时间的综合权衡考虑，作出三维点扩散函数不同空间大小的选取。
二、【背景技术】
[0002]数字共焦显微技术以普通生物光学显微镜为基础，配置图像探测器、精密移动控制机构和电脑，采用数字图像处理技术，对采集的生物样本显微图像进行复原处理，消除焦面以外的散焦的影响，以提高细胞图像的分辨率。
[0003]数字共焦显微技术中的复原处理，采用的是三维显微图像去卷积复原方法。表征显微镜光学系统的三维点扩散函数，直接决定着去卷积复原处理的效果。三维点扩散函数越准确地反映显微镜光学系统的能量分布，复原效果越好。在此基础上，三维点扩散函数的空间大小选取越大，复原效果越好，同时处理时间越长，空间大小极限为样本体积的2倍。三维点扩散函数为对顶双漏斗结构，如图1所示，绝大部分能量集中在中部的双漏斗对顶处。进行图像复原处理时，以该处为原点选取邻域一定空间大小的三维点扩散函数进行处理。研究表明，随着空间大小的逐渐增大，复原效果提升逐步趋缓，而处理时间却迅速增加，复原效率下降。因此，如何根据观察浏览和分析测量的不同需要，综合和权衡考虑复原效果和处理时间，选取不同空间大小三维点扩散函数进行复原处理，是数字共焦技术中三维显微图像去卷积复原处理需 要解决的重要问题。
三、
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法，该方法能够根据观察浏览和分析测量的不同需要，综合和权衡考虑复原效果和处理时间，选取相应空间大小的三维点扩散函数对采集的序列显微切片图像进行复原处理。
[0005]本发明通过以下技术方案达到上述目的:一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法，三维点扩散函数以下简写为3D-PSF。包括如下步骤:
[0006](I)用一幅清晰高信噪比细胞图像作为初始二维样本，制作序列相互关联的二维图像，构建一个清晰仿真三维图像f ;
[0007](2)按照显微镜物镜放大倍数、数值孔径等参数、光源波长、相机靶面大小和分辨率参数，并设定一个光学切片层距，制作用于卷积的显微镜光学系统仿真三维点扩散函数h，由小到大制作用于复原的不同直径的不同空间大小序列三维点扩散函数Iii (hp h2、…、hi)；
[0008](3)用h与f卷积得到模糊仿真三维图像g ；
[0009](4)用不同空间大小的三维点扩散函数Iii分别对模糊仿真三维图像g进行去卷积复原处理，复原算法采用最大似然法，同时记录复原效果和处理时间；[0010](5)去卷积复原处理的复原效果的评价，采用改善信噪比ISNR，处理时间采用秒，并以最小的空间大小三维点扩散函数Ii1的处理时间为基数进行时间归一化，计算不同空间大小三维点扩散函数h对模糊仿真三维图像g进行复原处理的复原效率:q = ISNR/t,其中q为图像复原效率，t为归一化图像复原处理时间；
[0011](6)对各空间大小三维点扩散函数的复原效率q与由小到大不同直径M的不同空间大小序列三维点扩散函数比的数据进行拟合，得到q_M关系曲线，求q对M的二阶导数d2q/dM2，设二阶导数为零找出曲线拐点，将直角坐标横轴上与拐点最接近的直径M的三维点扩散函数，确定为可选最小空间三维点扩散函数；
[0012](7)三维点扩散函数空间大小的选取，如果复原图像用于一般观察浏览，对复原效果要求不太高，可以选取“可选最小空间三维点扩散函数”或稍大的空间大小的三维点扩散函数进行图像复原，以减少复原处理时间，如果复原图像用于研究、分析测量，则选取较大空间大小的三维点扩散函数，以获得更精确的复原效果，对复原图像的效果要求越高，选取越大空间大小的三维点扩散函数。
[0013]图像复原仿真实验，实验步骤如下:
[0014]I)采用直径不同的不同空间大小的序列三维点扩散函数对三维仿真细胞图像复原进行复原实验，获得图像复原效果和复原时间与不同空间大小的三维点扩散函数之间的关系数据。
[0015]2)复原效率的计算:根据得到的实验数据，计算复原效率并绘制出曲线，找出曲线拐点，确定三维点扩散函数选取的最小空间。
[0016]3)空间大小选取:按照一般观察浏览，或分析测量的不同需要，复原效果和处理时间的综合考虑，作出三维点扩散函数相应空间大小的选取。
[0017]本发明的突出效果在于:
[0018]三维点扩散函数的空间大小的不同选取，直接决定着数字共焦技术中三维显微图像去卷积复原效果和处理时间。如何选取，一直是数字共焦显微技术待解决的问题。本发明通过图像复原仿真实验和复原效率及其曲线拐点的计算，确定了三维点扩散函数最小选取空间大小，提出了根据观察浏览和分析测量的不同需要，选取不同空间大小三维点扩散函数的方法，为数字共焦技术的三维显微图像去卷积复原处理提供了一种有效的选取三维点扩散函数空间大小的方法。
四、【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为三维点扩散函数对顶双漏斗结构示意图。
[0020]图1中显示三维点扩散函数的结构由两个对顶的漏斗或者椎体构成。
[0021]图2为实验的清晰图像和仿真模糊图像。
[0022]图3为复原效率q与3D-PSF直径M的拟合关系曲线。
[0023]图4为各空间大小3D-PSF复原结果。
五、【具体实施方式】
[0024]以下通过附图和实例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
[0025]如图1至图4所示，本发明所述的基于数字共焦显微技术的三维点扩散函数空间大小选取方法，包括如下步骤:
[0026]1.三维仿真样本图像的制作
[0027]以图1(a)所示的清晰作为初始2D样本，该图像大小为151 X 151，256灰度级。通过旋转、放大和缩小的方法制作401幅相互关联的二维图像，并将这401幅图像构建成仿真三维图像f，三维空间大小为151X151X401。
[0028]2.3D-PSF 的制作
[0029]设显微镜物镜参数:放大倍数为40倍；数值孔径为0.65 ;物镜机械镜筒长度为160mm ;光源波长为550nm ;CCD的参数为1/4 ;分辨率为640X480。
[0030]I)显微镜物镜光学系统3D-PSF的制作
[0031]制作一个直径为71，即二维空间大小为71 X 71、轴向采样间隔为0.05 μ m、层数为71的光学系统3D-PSF:h，三维空间大小为71X71X71。
[0032]2) 一组7个用于复原处理的3D-PSF的制作
[0033]设定用于复原的7个3D-PSF层数m为11、层距Λζ = 0.2μπι。即ζ轴上的空间大小是2.0 μ m。x_y径向大小为MXM，设M为直径，分别取为3、5、7、9、11、13和15像素，得到7个层数和层距相同、直径M不同的3D-PSFh3、h5、h7、h9、hn、h13和h15，下标为直径值。这代表7个不同空间大小的3D-PSF。
[0034]3.用于复原的细胞仿真切片图像的制作
[0035]用h与f卷积得到三维仿真切片图像gQ，大小为151 X 151 X 401，层距为0.05 μ m，图1 (b)为Stl的中间一幅图像。Wz = O为中心，向ζ轴两侧每隔3层抽取一层，得到大小为151 X 151 X 67，层距Λ ζ为0.2 μ m的样本切片g。
[0036]4.图像复原
[0037]分别用7个不同直径M的3D-PSF h3、h5、h7、h9、hn、h13和h15对模糊样本切片g进行去卷积复原处理，复原算法采用最大似然法，设置迭代次数为600次。7个复原结果图像
表示为/3、%、/7、/9、Jn、j;3 和 Z15,大小均为 151X151X67。
[0038]5.复原结果图像的计算
[0039]采用改善信噪比ISNR对图像复原效果进行评价，计算公式为
[0040]
【权利要求】
1.一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)用一幅清晰高信噪比细胞图像作为初始二维样本，制作序列相互关联的二维图像，构建一个清晰仿真三维图像f; (2)按照显微镜物镜放大倍数、数值孔径参数、光源波长、相机靶面大小和分辨率参数，并设定一个光学切片层距，制作用于卷积的显微镜光学系统仿真三维点扩散函数h，由小到大制作用于复原的不同直径的 不同空间大小序列三维点扩散函数比(hp h2、…、比)； (3)用h与f卷积得到模糊仿真三维图像g； (4)用不同空间大小的三维点扩散函数Iii分别对模糊仿真三维图像g进行去卷积复原处理，复原算法采用最大似然法，同时记录复原效果和处理时间； (5)去卷积复原处理的复原效果的评价，采用改善信噪比ISNR，处理时间采用秒，并以最小的空间大小三维点扩散函数Ii1的处理时间为基数进行时间归一化，计算不同空间大小三维点扩散函数4对模糊仿真三维图像g进行复原处理的复原效率:q= ISNR/t，其中q为图像复原效率，t为归一化图像复原处理时间； (6)对各空间大小三维点扩散函数的复原效率q与由小到大不同直径M的不同空间大小序列三维点扩散函数比的数据进行拟合，得到q_M关系曲线，求q对M的二阶导数d2q/dM2，设二阶导数为零找出曲线拐点，将直角坐标横轴上与拐点最接近的直径M的三维点扩散函数，确定为可选最小空间三维点扩散函数； (7)三维点扩散函数空间大小的选取，如果复原图像用于一般观察浏览，对复原效果要求不太高，选取最小空间三维点扩散函数或稍大的空间大小的三维点扩散函数进行图像复原，以减少复原处理时间，如果复原图像用于研究、分析测量，则选取较大空间大小的三维点扩散函数，以获得更精确的复原效果，对复原图像的效果要求越高，选取越大空间大小的三维点扩散函数。
【文档编号】G06T5/00GK103942765SQ201410196043
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】陈华, 杨凤娟, 蔡熠, 梁日柳 申请人:广西大学