三维显微图像复原中点扩展函数研究.pdfVIP

江苏省工程热物理学会第六届学术会议 1-21 三维显微图像复原中点扩展函数的研究 1 2 1 1 1 张龙 ， 周宾 ，陈永平 ，施明恒 ，禹法文 （1 东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096 ） （2 东南大学空间科学与技术研究院，江苏 南京 210096 ） 摘要 点扩展函数是影响图像复原结果的重要因素，其空间大小是决定反卷积计算量和计算时间 的主要原因。本文通过数值模拟分析了理论点扩展函数的空间构形及其光强分布特性，分析比较 了点扩展函数空间大小对反卷积过程所需计算量和计算时间的影响。研究结果表明随着点扩展函 数空间大小的增大图像复原效果趋于稳定，但复原计算量和计算时间却大幅度增加。因而在三维 显微图像复原过程中应权衡考虑图像复原效果和复原所需时间，在保证复原效果的基础上尽量减 少点扩展函数的空间大小，以节省计算时间。 关键词 点扩展函数 计算时间 反卷积 信号误差率 1 引言 光学显微镜是微尺度研究领域常用工具，在进行微通道流场和温度场的三维测 试测量中具有重要作用。然而在利用显微镜观测微通道流场和温度场过程中存在显 微成像的三维光学效应：只有聚焦平面或其附近的结构才是可见的，刚好位于焦平 面外一点的结构虽然可见但是已经变模糊，远离焦平面的结构虽然不可见但它们对 记录下来的图像有影响。这就给传统光学显微镜图像分析提出了问题，为解决这种 三维效应 Kenneth R. Castleman 等提出了计算光学分层显微切片(Computational Optical Sectioning Microscopy, COSM)技术[1] 。 COSM 技术基于傅立叶光学和成像光学理论，其认为三维连续的空间物体可以 看成是若干平行的二维断层的组合，通过将显微镜聚焦在样本的不同平面来获取二 维序列图像，并进而借助计算机合成被研究样品的三维图像。但是，利用 COSM 技 术所得到的图像不仅包含本层的聚焦信息还包含其它层面的离焦模糊信息[2]，可认为 是三维物体与点扩展函数(point spread function PSF)卷积结果，如图 1 所示。因此需 使用数学算法对得到的图像序列进行去卷积复原处理[3]，将所得二维图像序列中焦平 面外的光信息和焦平面上的光信息分离开来，从而获得原物体的正确三维形态。 然而三维模糊图像去卷积运算是一个计算量巨大的过程，离焦模糊信息加入后 使计算更加复杂。对于三维厚样本的成像由于切片数量较多，在聚焦层面上所包含 的其它层面的离焦模糊信息也相应的增加，去卷积过程运算时间和计算量大大增加。 在去卷积的各种算法中除了盲去卷积外，其它算法均需要知道点扩展函数[4]，PSF 的 [5] 空间大小决定了去卷积过程所用时间的多少以及去卷积后图像复原的效果 。本文通 过数值模拟首先分析了三维显微图像复原过程中点扩展函数的光强分布特性。然后 作者简介：张龙(1988-)，男，硕士研究生； 研究方向：流动与传热测试测量 联系人：陈永平，E-mail ：ypchen@seu.edu.cn 144 研究了点扩展函数的空间大小对三维显微图像复原结果的影响以及在保证复原 效果的基础上通过减少 PSF 的空间大小，达到减少计算量、节省计算时间的目的。 图 1 三维样本 COSM 成像示意图 2 点扩展函数的构造 点扩散函数是描述光学系统对点源解析能力的函数，其可以认为是物空间中一 [6] 个理想点所成的像。目前三维 PSF 的获取有两种方式 ：一是实验方法，即自制点 光源，用一个粒径很小的荧光粒子的成像模型来近似表示显微镜光学系统的点扩展 函数。二是理论方法，即建立数学模型，从基尔霍夫衍射公式出发，推导估算显微 镜系统的三维点扩展函数。