计算光学切片显微三维成像技术研究-光学专业论文.docx

II II 四川大学博士学位论文 计算光学切片显微三维成像技术研究 光学专业 博士生陶青川 指导教师陈建国教授 摘 要 目前三维显徽成像主要有激光扫描共焦显微术(LscM)和计算光学切片显 微术(COSM)两种。相比之下，后者具有信噪比高、对样本不产生漂白现象、 价格便宜等优势，但也有速度较慢的弱点。可随着计算机技术、图象处理等迅 速发展，COSM将有广阔的应用前景。目前国外一些研究者已开始深入研究 COSM，取得了一些进展，主要有不需要迭代运算的最近邻、深度预测、逆滤 波算法和需要迭代运算的最大似然、最大期望、参数盲解卷积，盲解卷积算法。 前者计算速度较快，但复原效果不理想；后者的复原质量要好一些，但运算速 度较慢。 COSM处理的问题是：在样本深度方向上的模糊序列图象已知，而成像系 统的噪声模型和点扩展函数未知的情况下．怎样运用信号处理、图象复原、信 息光学等，真实快速地恢复出样本的三维图象来。由于模糊序列图象数据量大， 要作多幅图象的反卷积、三维重建以及显示，所以COSM除研究好的去模糊方 法外，提高运算速度也是一个亟待解决的问题。本文在全面总结COSM相关研 究的基础上，开展了以下工作： 1、成像系统的点扩展函数分析。点扩展函数在图象复原中具有重要作用。故 本文从基尔霍夫衍射公式出发，详细推导工理想显微系统的三维点扩展函数， 讨论、模拟了点扩展函数的横向、轴向的光强分布，以及系统的横向和轴向频 响特性，与共焦显微方式进行了详细比较，还根据采样定律，确定了z轴方向 的切片间隔表达式，且根据理想点扩展函数的特点，提出了具有实用价值的三 维高斯型点扩展函数模型，它的光强分布和频响特性与理想点扩展函数相近， 中文摘要 中文摘要 且具有参数少、计算简便的优势，有利于加快图象复原速度a 2、点扩展函数的估计研究。实际应用中，系统的点扩展函数往往是未知的， 这种情况将导致图象复原运算量大，收敛速度慢，结果的唯一性难以得到保证。 因此，点扩展函数估计是图象复原研究的重要内容，但目前还没有比较精确的 估计方法。由于离焦系统的点扩展函数可用高斯函数近似，故本文对高斯点扩 展函数的估计进行了深入研究。根据小波理论，找到了不同尺度下小波模极大 值、李氏指数、高斯函数的方差三者之间的关系，提出了一种新的精确估计高 斯点扩展函数的方法。实验结果表明，新估计算法的精度高，达到了95％左右， 可用于各向异性的扩展函数的估算，也可用于随时间或空间变化的点扩展函数 的估算，具有应用价值。 3、最近邻法复原研究。在三维成像分析中，每个聚焦层面的图象，不仅包含 本层面的信息，还包含其它层面的离焦模糊信息。最近邻法的原理就是用当前 层面图象与相邻层面模糊后的图象的差值，作为当前层面的复原结果。它的优 点是计算量小，复原速度快；缺点是复原效果有的区域好，而有的区域差。由 于实际应用中，层间点扩展函数常常无法准确获得，故大多数复原中的层间点 扩展函数用平滑函数代替，这也是效果不理想的主要原因。因此，本文在商斯 点扩展函数的估计算法基础上，提出了一种新的基于小波的层问点扩展函数预 测算法．该算法先分别估算出当前层面和相邻层面中各点的高斯点扩展函数， 然后根据高斯函数的卷积性质得到相邻两层间的点扩展函数；在此基础上，还 提出了改进的分块最近邻法，它克服了原算法的缺点，能够很好消去层间模糊 干扰。对模拟样本和实际样本，均取得了较好的实验结果。 4、基于频域的深度预测算法的研究。根据三维显微镜成像的特点，详细分析 了己有的基于傅立叶变换的频域预测深度的算法，算法的缺点是只能预测深度 变化较小的单目标。与傅立叶变换不同的是，由于小波变换在时域和频域同时 具有良好的局部化特性，从而可以聚焦到分析对象的细节。故本文提出了基于 小波分解的逐点计算深度的改进频域预测算法，改进算法可以预测深度变化较 大的多个目标。 5、逆滤波复原研究。由于实际的三维显微成像系统，样本函数的频谱可以用 逆滤波方式得到。它的优势在于计算量较小，缺点在于点扩展函数的频谱的零 值处会产生噪声放大现象。于是在二维维纳滤波的原理基础上，提出了根据频 Iv Iv 四川大学博士学位论文 率变换自动修改信嗓比的改进三维维纳滤波算法和三维增量维纳滤波复原算 法。实验表明，改进的算法复原性能优于常规维纳滤波和逆滤波。 6、基于统计成像模型的复原研究。由于成像过程可以看作随机过程，因此国 外研究者提出了基于泊松分布统计成像模型的最大似然法三维显微复原算法， 该算法虽然能够补偿一些缺失的频率，取得了较好的复原效果，但容易丢失较 暗的细节。本文在分析统计成像模型的基础上，对最大似然法进行了详细的推 导，提出了抑制对比度的改进复原算法。目前较新的参数盲解卷积PBD由于运 算量和数据量均很大，实际系统很难达到要求，本文在推