一种基于数字全息显微成像技术的离焦像噪声抑制方法

1.本发明涉及基于数字全息显微成像技术的三维成像领域，特别涉及一种离焦像噪声抑制方法。


背景技术：

2.数字全息显微成像技术能够将目标的全部光波场信息记录在一张二维全息图中，通过数值重建算法逐层得到目标的再现图像切片，并通过求取这些切片的灰度等值面重构目标的空间分布或者三维图像。然而，数字全息显微成像技术仅适用于微小简单粒子的空间分布或者透明粒子的三维成像，例如，latychevskaia等
1.通过三维去卷积算法获得了模拟的直径为4μm的球形粒子的空间分布。对于形态复杂、尺寸较大的不透明目标(如10-100μm的浮游生物)，由于再现图像切片存在严重的离焦像噪声，很难获得目标的三维成像。eom等
2.利用数字全息显微成像技术对一肾脏组织进行三维成像，只能获得一些空间分布的点，无法构成完整的三维形貌。
3.数字全息显微成像技术的再现图像切片中的离焦像主要来源于再现图像切片之间的串扰，即目标的某一部分在其中一张再现图像切片中清晰成像，但通过数值重建算法传播至其他的再现图像切片时却是离焦的模糊像，反之亦然。这种串扰使得在每一张再现图像切片中，不仅有目标的某一部分的清晰成像，还包含着目标其他部分的离焦像，导致原本应该清晰成像的部分的边缘变得难以识别。因此有必要研究一种抑制再现图像切片之间串扰的方法，使目标的各个部分在再现图像切片中均能清晰成像，清楚地辨认其边缘，从而实现目标的三维成像。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于数字全息显微成像技术的离焦像噪声抑制方法，该方法能够有效地去除全息图经过数值重建后的再现图像切片之间的串扰，使再现图像切片中目标的轮廓清晰，从而实现从一张全息图中获取完整、准确的目标的三维图像。
5.本发明采用的具体技术方案如下：
6.一种基于数字全息显微成像技术的离焦像噪声抑制方法，包括步骤：
7.(1)获取目标的全息图，并通过与相邻的不含目标的全息图进行相减扣除背景噪声；
8.采用单模激光器增大相干长度，并采用0.2mm的比色皿将目标成像的深度限定在相干长度范围内，确保整个目标均能够通过全息图的数值重建恢复出来。
9.由于全息图的本质是干涉图样，含有大量的相干噪声和高频条纹。为了消除这些背景噪声，选取一张邻近时刻拍摄的不含目标的全息图作为背景进行扣除。
10.(2)对经过步骤(1)降噪后的全息图进行数值重建，得到一系列原始再现图像切片，使整个目标均能成像于这些切片中；
11.(3)沿远离物镜焦平面的方向，先后在距离焦平面0mm、0.5mm、1mm和1.5mm处放置
一个直径为1μm的针孔，拍摄针孔的全息图，通过三维去卷积算法得到去除离焦像噪声的再现图像切片；
12.由于三维去卷积算法需要再现像空间的三维点扩散函数分布，为此在物镜的焦平面附近等间隔地放置一个直径为1μm的针孔，以针孔代替一个物点。分别拍摄针孔打开和关闭时的全息图，按照步骤(1)中全息图相减的方法获得针孔的全息图，并通过数值重建得到再现像空间的针孔三维成像，即三维点扩散函数。
13.(4)检测步骤(3)所述的再现图像切片中目标的边缘，将其中的目标分割去除，得到不含目标的背景再现图像切片；
14.实验发现，再现图像切片之间的串扰主要来自于相邻切片中的背景。因此，通过检测再现图像切片中目标的边缘，提取不含目标的背景，用于抑制切片之间的串扰。
15.(5)利用步骤(4)所述的背景再现图像切片，通过再现图像切片串扰抑制方法进一步去除步骤(3)中所述的再现图像切片中的离焦像噪声，得到最终的再现图像切片。实施过程中根据目标的中线将再现图像切片分为前后两个半部分，由于前后两个半部分的处理过程类似，以前半部分为例，具体过程包括：
16.5-1、从目标中线处的再现图像切片开始，向前每隔m张再现图像切片取1张，一共取3张，作为标准再现图像切片，依次记作p0、p2和p1，其中p0为目标中线处的再现图像切片，p1为最前面的再现图像切片，三者的重建距离分别为l0'、l2'和l1'，l0'》l2'》l1'。在p1前面连续向前取m张再现图像切片作为待处理再现图像切片，记作p
di
,i＝1,2,
…
,m,它们的重建距离依次为：
17.l
′
di
＝l
′
1-i
×
dl
′
(i＝1,2,
…
,m)
ꢀꢀꢀ
(1)
18.其中dl'为相邻两张再现图像切片之间的重建距离间隔；
19.5-2、对标准再现图像切片p0、p2和p1进行目标边缘检测，并分割去除目标获得相应的背景再现图像切片p0'、p2'和p1'；
20.5-3、利用数值重建算法对步骤(2)所述的背景再现图像切片p0'、p2'和p1'进行前向传播，传播至待处理的再现图像切片p
di
处，传播距离分别为l0'-l
di
'、l2'-l
di
'、l1'-l
di
'，得到p0"、p2"和p1"。按照下式去除p0'、p2'和p1'对p
di
产生的串扰：
[0021][0022]
其中p
di
(x,y)、p0"(x,y)、p2"(x,y)和p1"(x,y)分别为p
di
、p0"、p2"和p1"的复振幅分布。由于前向传播的距离越远，离焦图像噪声发散得越厉害，从而产生的串扰越小。为此，对p0"(x,y)、p2"(x,y)和p1"(x,y)设置了权重因子，由小到大。令i＝i+1，重复步骤5-2和5-3，去除所有m张待处理的再现图像切片与标准再现图像切片之间的串扰；
[0023]
5-4、向前平移m张再现图像切片，得到新的标准再现图像切片p0、p2和p1(此时p0为原来的p2，p2为原来的p1，p1为原来的p
d4
)，并重新选取m张待处理再现图像切片。重复步骤5-2至5-4，完成下一个循环的m张待处理再现图像切片与标准再现图像切片之间串扰的抑制，循环的次数为：
[0024][0025]
其中l1'为第一次循环时p1的重建距离，l
min
'为最前面一张再现图像切片的重建距离，
‘
[]’为取整运算符。
[0026]
本发明的有益效果：
[0027]
本发明通过检测再现图像切片中目标的边缘，提取其中不含目标的背景，利用背景去除再现图像切片之间的串扰。并通过从目标的中间向头尾两端分批依次处理提升离焦噪声抑制效果；
[0028]
本发明的基于数字全息显微成像技术的离焦像噪声抑制方法有效地降低了再现图像切片中的离焦像噪声，获得了整个目标的清晰轮廓。本发明能够通过一张全息图获得目标的三维成像，使数字全息显微成像技术在现场监测中具有更为广阔的应用前景。
附图说明
[0029]
图1为基于数字全息显微成像技术的离焦像噪声抑制方法的示意图。
[0030]
图2为包含目标的全息图。
[0031]
图3为不含目标的全息图。
[0032]
图4为扣除背景的全息图。
[0033]
图5为原始再现图像切片。
[0034]
图6为针孔的再现图像。
[0035]
图7为初步去除了离焦像噪声的再现图像切片。
[0036]
图8为再现图像切片中目标的边缘。
[0037]
图9为不含目标的背景再现图像切片。
[0038]
图10为再现图像切片之间串扰抑制的示意图。
[0039]
图11为最终再现图像切片。
[0040]
图12为通过等值面连接重构的赤潮异湾藻(hazj)的三维图像。
具体实施方式
[0041]
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
[0042]
本实施例中，重建再现图像切片所需的全息图通过实验室搭建的基于马赫-曾德尔干涉仪结构的同轴光路拍摄得到。所有算法均在matlab2018a的环境中编写，算法运行的硬件条件为core i5处理器，主频2.6ghz，内存4gb。
[0043]
本实施例的基于数字全息显微成像技术的离焦像噪声抑制方法的示意图如图1所示，包括以下步骤：
[0044]
(1)通过数字全息显微成像光学系统(含单模激光器和0.2mm厚比色皿)连续拍摄目标(本例为赤潮异湾藻，hazj)的全息图，选取其中时间相近的两张分别包含目标和不含目标的全息图，如图2和3所示。将两张全息图进行相减，获得扣除背景的全息图，如图4所示；
[0045]
(2)在重建距离范围(11.1mm≤l'≤56.5mm)内等间隔地选取41个重建距离对所述全息图进行数值重建，得到41张原始再现图像切片，如图5所示，使整个目标均能成像于这
些切片中；
[0046]
(3)沿远离物镜焦平面的方向，先后在距离焦平面0mm、0.5mm、1mm和1.5mm处放置一个直径为1μm的针孔，依次拍摄针孔的全息图并通过数值重建算法获得相应的针孔的再现图像，如图6所示。按照就近原则确定每张原始再现图像切片对应的针孔的再现图像(即点扩散函数)，获得再现像空间的三维点扩散函数分布。最后通过三维去卷积算法得到初步去除了离焦像噪声的再现图像切片，如图7所示；
[0047]
(4)检测步骤(3)所述的再现图像切片中目标的边缘，如图8所示。将其中的目标分割去除，得到不含目标的背景再现图像切片，如图9所示；
[0048]
(5)利用步骤(4)所述的背景再现图像切片，通过再现图像切片串扰抑制方法进一步去除步骤(3)所述的再现图像切片中的离焦像噪声，得到最终的再现图像切片。实施过程中根据目标的中线将再现图像切片分为前后两个半部分，以前半部分为例，具体过程包括：
[0049]
5-1、从目标中线处的再现图像切片开始，向前每隔m(本例m＝4)张再现图像切片取1张，一共取3张，作为标准再现图像切片，依次记作p0、p2和p1，其中p0为目标中线处的再现图像切片，p1为最前面的再现图像切片，三者的重建距离分别为l0'、l2'和l1'(l0'》l2'》l1')，如图10所示。在p1前面连续向前取m张再现图像切片作为待处理的再现图像切片，记作p
di
,i＝1,2,
…
,m,它们的重建距离依次为：
[0050]
l
′
di
＝l
′
1-i
×
dl
′
(i＝1,2,
…
,m)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0051]
其中dl'为相邻两张再现图像切片之间的重建距离间隔；
[0052]
5-2、对标准再现图像切片p0、p2和p1进行目标边缘检测，并分割去除目标获得相应的背景再现图像切片p0'、p2'和p1'；
[0053]
5-3、利用数值重建算法对步骤(2)所述的背景再现图像切片p0'、p2'和p1'进行前向传播，传播至待处理的再现图像切片p
di
处，传播距离分别为l0'-l
di
'、l2'-l
di
'、l1'-l
di
'，得到p0"、p2"和p1"。按照下式去除p0'、p2'和p1'对p
di
产生的串扰：
[0054][0055]
其中p
di
(x,y)、p0"(x,y)、p2"(x,y)和p1"(x,y)分别为p
di
、p0"、p2"和p1"的复振幅分布。由于前向传播的距离越远，离焦图像噪声发散得越厉害，从而产生的串扰越小。为此，对p0"(x,y)、p2"(x,y)和p1"(x,y)设置了权重因子，由小到大。令i＝i+1，重复步骤5-2和5-3，去除所有m张待处理的再现图像切片与标准再现图像切片之间的串扰；
[0056]
5-4、向前平移m张再现图像切片，得到新的标准再现图像切片p0、p2和p1(此时p0为原来的p2，p2为原来的p1，p1为原来的p
d4
)，并重新选取m张待处理再现图像切片。重复步骤(2)至(4)，完成下一个循环的m张待处理再现图像切片与标准再现图像切片之间串扰的抑制，循环的次数为：
[0057][0058]
其中l1'为第一次循环时p1的重建距离，l
min
'为最前面一张再现图像切片的重建距
离，
‘
[]’为取整运算符。
[0059]
图11给出了使用本发明的基于数字全息显微成像技术的离焦像噪声抑制方法的赤潮异湾藻(hazj)的最终再现图像切片。可以看到，与图7对比，使用本发明的方法后离焦像噪声得到了很好的抑制。通过等值面连接重构的赤潮异湾藻(hazj)的三维图像如图12所示，获得了完整的空间轮廓。
[0060]
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。