KR102410380B1 - Apparatus and method for reconstructing noiseless phase image from garbor hologram based on deep-learning - Google Patents

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Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 장치의 위상 영상 생성 방법은 프로세서가 각 단계의 적어도 일부를 수행하는 위상 영상 생성 방법으로서, 가보 홀로그램(Garbor hologram)을 제공 받는 단계 및 가보 홀로그램으로부터 복원된 제1 위상 영상(phase image)을 머신 러닝(Machine Learning) 기반의 학습 모델에 입력하여 노이즈가 제거된 제2 위상 영상을 생성하는 단계를 포함하고, 학습 모델은 비 광축 디지털 홀로그램(off-axis digital hologram)으로부터 복원되고 노이즈가 제거된 위상 영상을 레이블(label)로 하여 조건부 생성적 적대 신경망(conditional generative adversarial network: cGAN)에 기반하여 학습된 생성 모델을 포함할 수 있다. A method of generating a phase image of a computing device according to an embodiment of the present disclosure is a method of generating a phase image in which a processor performs at least a part of each step. and generating a second phase image from which noise has been removed by inputting a phase image into a machine learning-based learning model, wherein the learning model is an off-axis digital hologram. It is possible to include a generative model learned based on a conditional generative adversarial network (cGAN) by using a phase image restored from and noise-removed as a label.

Description

딥 러닝에 기반하여 가보 홀로그램으로부터 노이즈 없는 위상 영상을 복원하는 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR RECONSTRUCTING NOISELESS PHASE IMAGE FROM GARBOR HOLOGRAM BASED ON DEEP-LEARNING}Apparatus and method for reconstructing noise-free phase images from heirlooms based on deep learning {APPARATUS AND METHOD FOR RECONSTRUCTING NOISELESS PHASE IMAGE FROM GARBOR HOLOGRAM BASED ON DEEP-LEARNING}

본 개시는 디지털 홀로그램(hologram), 특히 가보(Garbor) 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈를 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to an apparatus and method for removing noise from a phase image reconstructed from a digital hologram, in particular, a Garbor hologram.

대부분의 세포들은 투명 또는 반 투명하여, 광 현미경 기술에 기반한 2차원 고해상도 라이브 세포(live cell) 영상을 획득하는 것은 여전히 과제로 남아 있다. 하지만, 비 광축(off-axis) 정량적 위상 디지털 홀로그래픽 현미경(quantitative phase digital holographic microscopy: QP-DHM)을 포함한 정량적 위상 영상 기술은 비 침습적인 방법으로 세포의 정확하고 정량적인 시각화 및 동역학적 정보를 제공할 수 있다.Most cells are transparent or semi-transparent, so it remains a challenge to acquire a two-dimensional high-resolution live cell image based on light microscopy technology. However, quantitative phase imaging techniques, including off-axis quantitative phase digital holographic microscopy (QP-DHM), provide accurate and quantitative visualization and kinetic information of cells in a non-invasive manner. can provide

즉, 비 광축 디지털 홀로그래픽 현미경은 관찰하고자 하는 샘플의 형태와 내용에 대한 정량적인 비표지(marker-free) 정보를 제공 할 수 있는 기술 중 하나다. 사용자는 간섭(coherent) 또는 준 간섭(semi- coherent) 기준파(reference wave)와 라이브 세포를 통과하는 물체파(object wave)사이의 공간적 간섭 패턴을 기록함으로써 정량적 위상 영상을 획득할 수 있다.That is, the non-optical digital holographic microscope is one of the technologies that can provide quantitative marker-free information on the shape and content of the sample to be observed. A user can acquire a quantitative phase image by recording the spatial interference pattern between a coherent or semi-coherent reference wave and an object wave passing through live cells.

비 광축 디지털 홀로그래픽 현미경은 물체파와 기준파가 동일한 광축에 정확히 위치하지 않는 방식으로서, 물체파와 기준파 사이에 작은 각도(tilt)을 삽입하여 스펙트럼 영역에서 공간적인 필터링을 통해 트윈 영상(twin-image)과 실상 영상(real image)의 분리를 가능하게 한다. 하지만, 비 광축 디지털 홀로그래픽 현미경은 샘플의 형태 및 정보에 대해 정량적 위상 영상을 정확히 얻기 위해서 물체파와 기준파의 광학적 경로 길이 일치 및 광학 요소들의 정밀한 조절을 필요로 하는 어려움이 있다. 또한, 비 광축 디지털 홀로그래픽 현미경은 트윈 영상과 실상 영상이 서로 다른 주파수 영역에 기록되므로 카메라의 전체 대역을 사용하기 불가능하고 가격이 비싼 문제점이 있다.The non-optical digital holographic microscope is a method in which the object wave and the reference wave are not located exactly on the same optical axis, and a small angle (tilt) is inserted between the object wave and the reference wave through spatial filtering in the spectral region to form a twin-image (twin-image). ) and the real image. However, the non-optical digital holographic microscope has a difficulty in that it requires the optical path length matching between the object wave and the reference wave and precise control of optical elements in order to accurately obtain a quantitative phase image with respect to the shape and information of the sample. In addition, since the non-optical axis digital holographic microscope records twin images and real images in different frequency domains, it is impossible to use the entire band of the camera and has high price.

종래 비 광축 디지털 홀로그래픽 현미경과 달리 동일한 광축을 이용하는 가보 홀로그래픽 현미경(Garbor holographic microscopy)이 존재한다. 가보 홀로그래픽 현미경은 정밀한 셋업이 필요하지 않고 경제적으로 유용하지만, 단점으로서 인 포커스(in-focus)의 실상과 언 포커스(unfocused)의 트윈 영상이 중첩되는 문제점이 있다.Unlike the conventional non-optical digital holographic microscope, there is a Garbor holographic microscopy using the same optical axis. The heirloom holographic microscope does not require precise setup and is economically useful, but as a disadvantage, there is a problem in that an in-focus real image and an unfocused twin image overlap.

이러한 가보 홀로그램의 문제점을 해결하기 위한 종래 기술로서 특정 광학 요소들을 추가하여 위상 이동(phase shifting)을 수행하는 기구적 접근 방식(선행기술 1)이 있으나 여러 장의 홀로그램을 촬영해야 하는 문제점이 있다. 또한, 다른 위상 복원 방식으로서 서로 다른 거리에서 추가적인 인텐시티(intensity) 정보를 기록하는 방식(선행기술 2)이 존재하지만, 장비가 고정된 채로 유지되어야 하거나 광학 셋업에 작은 진동이 생겨도 결과가 저해되는 문제점이 있다. 이 외 방식들도 실제 환경에서 실행하기 어려운 등 다양한 문제점들이 존재하는 실정이다.As a prior art for solving the problem of such heirloom holograms, there is a mechanical approach (prior art 1) that performs phase shifting by adding specific optical elements, but there is a problem in that several holograms need to be photographed. In addition, as another phase recovery method, a method of recording additional intensity information at different distances (prior art 2) exists, but the result is hindered even if the equipment must be kept stationary or small vibrations occur in the optical setup There is this. Other methods also have various problems, such as being difficult to implement in a real environment.

따라서, 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상영상에서 트윈 영상 등의 노이즈를 용이하면서도 정확하게 해결할 수 있는 기술이 필요하다.Therefore, there is a need for a technology capable of easily and accurately resolving noise such as twin images in a phase image reconstructed from an heirloom hologram.

선행기술 1: J. Barton, "Removing multiple scattering and twin images from holographic images", Phys. Rev. Lett. Vol. 67 No. 22(1991. 11. 25 발행) Prior Art 1: J. Barton, "Removing multiple scattering and twin images from holographic images", Phys. Rev. Lett. Vol. 67 No. 22 (published on November 25, 1991) 선행기술 2: Y. Zhang 등, "Reconstruction of in-line digital holograms from two intensity measurements", Opt. Lett. Vol. 29 No. 15, (2004.8.1 발행)Prior Art 2: Y. Zhang et al., "Reconstruction of in-line digital holograms from two intensity measurements", Opt. Lett. Vol. 29 No. 15, (issued on April 1, 2004)

본 개시의 다른 실시 예는 실시간으로 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈를 효율적이고 정확하게 제거하는 장치 및 방법을 제공한다.Another embodiment of the present disclosure provides an apparatus and method for efficiently and accurately removing noise from a phase image reconstructed from a heirloom hologram in real time.

본 개시의 다른 실시 예는 적은 연산량으로 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈를 효율적으로 제거하는 장치 및 방법을 제공한다.Another embodiment of the present disclosure provides an apparatus and method for efficiently removing noise from a phase image reconstructed from a heirloom hologram with a small amount of computation.

본 개시의 다른 실시 예는 딥 러닝(deep learning)에 기반하여 정확한 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈를 제거하는 장치 및 방법을 제공한다.Another embodiment of the present disclosure provides an apparatus and method for removing noise from a phase image reconstructed from an accurate heirloom hologram based on deep learning.

본 개시의 다른 실시 예는 딥 러닝(deep learning)에 기반하여 정확한 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈를 제거하기 위한 학습 모델을 훈련하는 장치 및 방법을 제공한다.Another embodiment of the present disclosure provides an apparatus and method for training a learning model for removing noise of a phase image reconstructed from an accurate heirloom hologram based on deep learning.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 알 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other objects and advantages of the present invention that are not mentioned may be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. It will also be appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by means of the instrumentalities and combinations thereof indicated in the claims.

본 개시의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 장치의 위상 영상 생성 방법 은 프로세서가 각 단계의 적어도 일부를 수행하는 위상 영상 생성 방법으로서, 가보 홀로그램(Garbor hologram)을 제공 받는 단계 및 가보 홀로그램으로부터 복원된 제1 위상 영상(phase image)을 머신 러닝(Machine Learning) 기반의 학습 모델에 입력하여 노이즈가 제거된 제2 위상 영상을 생성하는 단계를 포함하고, 학습 모델은 비 광축 디지털 홀로그램(off-axis digital hologram)으로부터 복원되고 노이즈가 제거된 위상 영상을 레이블(label)로 하여 조건부 생성적 적대 신경망(conditional generative adversarial network: cGAN)에 기반하여 학습된 생성 모델을 포함할 수 있다. A method of generating a phase image of a computing device according to an embodiment of the present disclosure is a method of generating a phase image in which a processor performs at least a part of each step. and generating a second phase image from which noise has been removed by inputting a phase image into a machine learning-based learning model, wherein the learning model is an off-axis digital hologram. It is possible to include a generative model learned based on a conditional generative adversarial network (cGAN) by using a phase image restored from and noise-removed as a label.

본 개시의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 장치는 프로세서 및 프로세서와 전기적으로 연결되고, 프로세서에서 수행되는 적어도 하나의 코드(code)가 저장되는 메모리를 포함하고, 메모리는 프로세서를 통해 실행될 때 프로세서가, 가보 홀로그램(Garbor hologram)을 제공 받고, 가보 홀로그램으로부터 복원된 제1 위상 영상(phase image)을 머신 러닝(Machine Learning) 기반의 학습 모델에 입력하여 노이즈가 제거된 제2 위상 영상을 생성하도록 야기하는 코드를 저장하고, 학습 모델은 비 광축 디지털 홀로그램(off-axis digital hologram)으로부터 복원되고 노이즈가 제거된 위상 영상을 레이블(label)로 하여 조건부 생성적 적대 신경망(conditional generative adversarial network: cGAN)에 기반하여 학습된 생성 모델을 포함할 수 있다.A computing device according to an embodiment of the present disclosure includes a processor and a memory electrically connected to the processor and storing at least one code executed by the processor, and the memory is when the processor is executed through the processor Code for receiving a hologram (Garbor hologram) and inputting the first phase image restored from the heirloom hologram into a machine learning-based learning model to generate a second phase image from which noise has been removed , and the learning model is based on a conditional generative adversarial network (cGAN) with a phase image restored from an off-axis digital hologram and removed from noise as a label. It may include a learned generative model.

본 개시의 일 실시 예에 따른 학습 모델 훈련 장치는 프로세서 및 프로세서와 전기적으로 연결되고, 프로세서에서 수행되는 적어도 하나의 코드(code)가 저장되는 메모리를 포함하고, 메모리는 프로세서를 통해 실행될 때 프로세서가 조건부 생성적 적대 신경망(conditional generative adversarial network: cGAN)에 기반하여 생성 모델 및 판별 모델을 포함하는 학습 모델을 훈련하고, 가보 홀로그램(Garbor hologram)으로부터 복원된 제1 위상 영상(phase image)으로부터 노이즈가 제거된 제2 위상 영상을 생성하도록 훈련되는 생성 모델 및 생성된 제2 위상 영상이 실제 위상 영상인지 생성된 위상 영상인지 판별 하도록 훈련되는 판별 모델이 서로 적대적으로 경쟁하여 훈련되도록 야기하는 코드를 저장할 수 있다.The learning model training apparatus according to an embodiment of the present disclosure includes a processor and a memory that is electrically connected to the processor, and stores at least one code executed by the processor, and when the memory is executed through the processor, the processor A learning model including a generative model and a discriminant model is trained based on a conditional generative adversarial network (cGAN), and noise from a first phase image reconstructed from a Garbor hologram is code that causes the generative model trained to generate the removed second phase image and the discriminant model trained to discriminate whether the generated second phase image is a real phase image or a generated phase image, competing adversarially with each other to be trained have.

본 개시의 실시 예에 따른 위상 영상의 노이즈를 제거하는 장치 및 방법은 연산량이 적은 노이즈 제거를 수행 가능하게 하여, 노이즈 제거를 수행하는 장치에 요구되는 하드웨어의 사양을 낮추면서 실시간으로 노이즈 제거를 수행할 수 있다.An apparatus and method for removing noise from a phase image according to an embodiment of the present disclosure enable noise removal with a small amount of computation to be performed, thereby reducing hardware specifications required for an apparatus for performing noise removal and performing noise removal in real time can do.

본 개시의 실시 예에 따른 위상 영상의 노이즈를 제거하는 장치 및 방법은 종래의 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거가 제대로 수행되지 않는 문제점을 해결하여, 위상 영상의 품질을 향상시킬 수 있다.The apparatus and method for removing noise from a phase image according to an embodiment of the present disclosure can improve the quality of a phase image by solving a problem that noise removal of a phase image reconstructed from a conventional heirloom hologram is not properly performed.

본 개시의 실시 예에 따른 위상 영상의 노이즈를 제거하는 장치 및 방법은 정확하고 효율적으로 트윈 영상 및 제로 오더 파트의 노이즈 제거를 수행할 수 있다. The apparatus and method for removing noise from a phase image according to an embodiment of the present disclosure may accurately and efficiently remove noise from a twin image and a zero-order part.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 학습 모델의 평가를 위한 가보 홀로그램을 획득하도록 비 광축 디지털 홀로그램 획득 장치를 설정 변경한 구성 일 부분을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 장치가 구동하기 위한 환경을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 개시의 다른 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 장치가 구동하기 위한 환경을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 장치의 학습 모델의 입력 및 출력을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하기 위한 학습 모델을 훈련하는 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하기 위한 학습 모델의 생성 모델을 훈련하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하기 위한 학습 모델의 판별 모델을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 학습 모델의 훈련 데이터를 생성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 학습 모델의 훈련 결과를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하기 위한 방법을 설명하는 순서도이다.
1 is a diagram illustrating a configuration in which a non-optical-axis digital hologram acquisition device is set and changed to acquire an heirloom hologram for evaluation of a learning model according to an embodiment of the present disclosure.
2 is a diagram illustrating an environment in which an apparatus for removing noise on a phase image reconstructed from a heirloom hologram according to an embodiment of the present disclosure is driven.
3 is a diagram illustrating an environment in which an apparatus for removing noise on a phase image reconstructed from a heirloom hologram according to another embodiment of the present disclosure is driven.
4 is a diagram illustrating a configuration of an apparatus for removing noise on a phase image reconstructed from a heirloom hologram according to an embodiment of the present disclosure.
5 is a view for explaining input and output of a learning model of an apparatus for removing noise on a phase image reconstructed from a heirloom hologram according to an embodiment of the present disclosure.
6 is a diagram illustrating a configuration of an apparatus for training a learning model for performing noise removal on a phase image reconstructed from a heirloom hologram according to an embodiment of the present disclosure.
7 is a diagram illustrating a method of training a model for generating a learning model for denoising a phase image reconstructed from a heirloom hologram according to an embodiment of the present disclosure.
8 is a view for explaining a discrimination model of a learning model for performing noise removal on a phase image reconstructed from a heirloom hologram according to an embodiment of the present disclosure.
9 is a view for explaining a method of generating training data of a learning model for performing noise removal on a phase image reconstructed from a heirloom hologram according to an embodiment of the present disclosure.
10 is a view for explaining a training result of a learning model for performing noise removal on a phase image reconstructed from a heirloom hologram according to an embodiment of the present disclosure.
11 is a flowchart illustrating a method for performing noise removal on a phase image reconstructed from a heirloom hologram according to an embodiment of the present disclosure.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the embodiments disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar components are assigned the same reference numbers regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes "module" and "part" for components used in the following description are given or mixed in consideration of only the ease of writing the specification, and do not have distinct meanings or roles by themselves. In addition, in describing the embodiments disclosed in the present specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical idea disclosed herein is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present invention , should be understood to include equivalents or substitutes.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including an ordinal number such as 1st, 2nd, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When an element is referred to as being “connected” or “connected” to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.

도 1을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에서 학습 모델의 훈련 결과 평가에 사용된 가보 홀로그램을 획득하는 디지털 홀로그래픽 현미경(quantitative phase digital holographic microscopy: QP-DHM)의 구성을 설명한다. 도 1의 구성은 비 광축 디지털 홀로그래픽 현미경의 기준파 경로에 셔터를 추가함으로써, 물체파만 샘플을 조명하여 가보 홀로그램을 획득 가능하도록 설정한 구성이다.A configuration of a digital holographic microscope (quantitative phase digital holographic microscopy: QP-DHM) for acquiring heirloom holograms used to evaluate a training result of a learning model in an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 1 . 1 is a configuration in which a heirloom hologram can be obtained by illuminating only the object wave sample by adding a shutter to the reference wave path of the non-optical axis digital holographic microscope.

디지털 홀로그래픽 현미경은 세포와 같은 대상체의 위상 정보(phase information)를 획득할 수 있다. 디지털 홀로그래픽 현미경은 마하 젠더 간섭계(Mach- Zender interferometer)를 기반으로 동작될 수 있다. 디지털 홀로그래픽 현미경의 간섭성 레이저 소스는 두 개의 빔 사이의 작은 경사각을 가진 빔 스플리터(beam splitter)를 사용하여 광 소스를 대상 파(object wave)와 기준 파(reference wave)로 분할할 수 있다. 대상 파는 표본(specimen)을 조명하고 대상 파면(object wave front)을 생성할 수 있다. 현미경 대물 렌즈(MO)는 대상 파면을 확대하고, 대상 및 기준 파면은 간섭계(interferometer)의 출구에서 빔 콜렉터에 의해 결합되어 홀로그램을 생성할 수 있다. 생성된 홀로그램은 디지털 홀로그래픽 현미경을 제어 하는 컴퓨팅 장치로 전송될 수 있고, 디지털 홀로그래픽 현미경 또는 디지털 홀로그래픽 현미경 제어 컴퓨팅 장치는 홀로그램의 주파수 도메인에서 필터링 처리를 수행하여 원하지 않는 신호들을 제거할 수 있다.The digital holographic microscope may acquire phase information of an object such as a cell. A digital holographic microscope can be operated based on a Mach-Zender interferometer. The coherent laser source of the digital holographic microscope can split the light source into an object wave and a reference wave by using a beam splitter having a small inclination angle between two beams. The object wave may illuminate a specimen and create an object wave front. A microscope objective lens (MO) magnifies the object wavefront, and the object and reference wavefronts may be combined by a beam collector at the exit of an interferometer to generate a hologram. The generated hologram may be transmitted to a computing device controlling the digital holographic microscope, and the digital holographic microscope or digital holographic microscope controlling computing device may perform filtering processing in the frequency domain of the hologram to remove unwanted signals. .

디지털 홀로그래픽 현미경 또는 디지털 홀로그래픽 현미경 제어 컴퓨팅 장치는 기준 파의 복제본을 이용하여 필터링 처리된 홀로그램을 조명(illuminating)하고 Fresnel 근사에 의해 홀로그램을 재건(reconstruction)할 수 있다.The digital holographic microscope or digital holographic microscope control computing device may illuminate the filtered hologram using a replica of the reference wave and reconstruct the hologram by Fresnel approximation.

세포 등의 대상체에 평면파(plane wave)가 전파되고 평면파가 세포를 통과할 때, 세포 등의 대상체의 두께 또는 굴절률에 따라 각기 다른 위상을 갖는 출력파를 출력하고, 입력된 평면파의 위상 대비 출력파의 위상 변화량을 픽셀 값으로 갖는 영상을 위상 영상(phase image)이라 할 수 있다.When a plane wave propagates to an object, such as a cell, and the plane wave passes through the cell, output waves having different phases are output according to the thickness or refractive index of the object, such as a cell, and output wave compared to the phase of the input plane wave An image having the amount of phase change as a pixel value may be referred to as a phase image.

해당 분야의 통상의 기술자들은 디지털 홀로그래픽 이미징 기법을 명확하게 이해할 수 있으므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.Since those skilled in the art can clearly understand the digital holographic imaging technique, further detailed description will be omitted.

도 2를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 장치인 컴퓨팅 장치(100a)를 구동하기 위한 환경을 설명한다.An environment for driving the computing device 100a, which is a device for removing noise on a phase image reconstructed from a heirloom hologram, according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 2 .

본 개시의 실시 예에 따른 노이즈 제거를 수행하는 컴퓨팅 장치(100a)를 구동하기 위한 환경은 디지털 홀로그램 획득 장치(200) 및 학습 모델 훈련 장치(300a)를 포함할 수 있다.An environment for driving the computing device 100a that performs noise removal according to an embodiment of the present disclosure may include the digital hologram acquisition device 200 and the learning model training device 300a.

디지털 홀로그램 획득 장치(200)는 가보 홀로그래픽 현미경 장치일 수 있다.The digital hologram acquisition device 200 may be a heirloom holographic microscope device.

컴퓨팅 장치(100a)는 디지털 홀로그램 획득 장치(200)에서 전송 받은 홀로그램을 재건(복원)하여 위상 영상을 생성하고, 노이즈가 포함된 위상 영상을 머신 러닝(Machine Learning) 기반의 학습 모델에 입력하여 노이즈가 제거된 위상 영상을 생성할 수 있다. The computing device 100a reconstructs (restores) the hologram received from the digital hologram acquisition device 200 to generate a phase image, and inputs the phase image including noise into a machine learning-based learning model to generate noise. A phase image from which is removed may be generated.

본 명세서에서는 노이즈가 포함된 위상 영상을 입력으로 하여 노이즈가 제거된 위상 영상을 출력하는 학습 모델을 실시 예로서 설명하지만, 학습 모델에서 종래 기술인 수치적 방법 등을 통해 홀로그램을 위상 영상으로 재건하거나 위상 영상을 홀로그램으로 복원하는 구현을 일부로 하는 경우, 트윈 영상 및 제로 오더 파트가 주파수 영역에서 실상 영역에 겹쳐지는 노이즈가 포함된 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상을 입력으로 하여 트윈 영상 및 제로 오더 파트가 제거된 위상 영상을 출력하는 학습 모델로 구현 가능함을 통상의 기술자는 명확하게 알 수 있다.In this specification, a learning model that outputs a phase image from which noise has been removed by inputting a phase image containing noise as an example is described. When the image is restored to a hologram as part of the implementation, the twin image and the zero order part are removed from the phase image restored from the hologram containing noise that overlaps the real image region in the frequency domain as input. Those skilled in the art can clearly see that it can be implemented as a learning model that outputs a phase image.

노이즈가 제거된 위상 영상은 홀로그램으로부터 재건된 위상 영상에서 주파수 영역의 트윈 영상(트윈 영상, twin part, 예를 들면 도 9의 twin part) 및 제로 오더(zero order, 예를 들면 도 9의 zero-order part) 파트가 제거된 위상 영상일 수 있다. 아래의 설명에서 트윈 영상 및 제로 오더 파트는 위상 영상의 주파수 영역에서 확인되는 노이즈를 의미한다.The phase image from which the noise has been removed is a frequency domain twin image (twin image, twin part, for example, twin part in FIG. 9) and zero order (for example, zero- in FIG. 9) in the phase image reconstructed from the hologram. order part) may be a phase image from which parts have been removed. In the description below, the twin image and the zero-order part mean noise identified in the frequency domain of the phase image.

다른 실시 예에서, 컴퓨팅 장치(100a)는 홀로그램을 재건한 위상 영상을 수신하고, 트윈 영상 및 제로 오더 파트의 노이즈가 포함된 위상 영상을 머신 러닝 기반의 학습 모델에 입력하여 노이즈가 제거된 위상 영상을 생성할 수 있다.In another embodiment, the computing device 100a receives the phase image from which the hologram is reconstructed, and inputs the phase image including the twin image and the noise of the zero-order part into the machine learning-based learning model to remove the noise. can create

본 실시 예에서는 컴퓨팅 장치(100a)가 디지털 홀로그램 획득 장치(200)와 별개로 구현된 것을 가정하여 설명하지만, 컴퓨팅 장치(100a)는 디지털 홀로그램 획득 장치(200)의 일부로서도 구현 가능하다.In this embodiment, it is assumed that the computing device 100a is implemented separately from the digital hologram acquiring device 200 , but the computing device 100a can be implemented as a part of the digital hologram acquiring device 200 .

즉, 디지털 홀로그램 획득 장치(200)는 디지털 홀로그래픽 현미경이거나 또는 디지털 홀로그래픽 현미경을 제어하는 장치일 수 있다. 다른 실시 예에서, 디지털 홀로그램 획득 장치(200)는 디지털 홀로그래픽 현미경과 디지털 홀로그래픽 현미경을 제어하는 장치가 결합된 단일의 장치이거나 복수의 장치로 구성된 시스템일 수 있다. 디지털 홀로그래픽 현미경을 제어하는 장치는 프로세서, 메모리, 비 일시적 저장 매체 등을 포함하는 컴퓨팅 장치로서 PC(personal computer), 랩탑, 태블릿 컴퓨터, 서버 장치일 수 있으며 디지털 홀로그래픽 현미경과 연결되어 디지털 홀로그래픽 현미경의 촬영 및 홀로그램 생성을 제어할 수 있다. 또한, 디지털 홀로그램을 재건하거나 위상 영상을 생성할 수 있다. That is, the digital hologram acquisition device 200 may be a digital holographic microscope or a device for controlling the digital holographic microscope. In another embodiment, the digital hologram acquiring device 200 may be a single device in which a digital holographic microscope and a device for controlling the digital holographic microscope are combined or a system consisting of a plurality of devices. The device for controlling the digital holographic microscope is a computing device including a processor, a memory, a non-transitory storage medium, and the like, and may be a personal computer (PC), a laptop, a tablet computer, or a server device. You can control the imaging of the microscope and the generation of holograms. In addition, a digital hologram can be reconstructed or a phase image can be generated.

홀로그램이 생성된 후, 디지털 홀로그램의 재건 또는 위상 영상 생성은 디지털 홀로그램 획득 장치(200), 컴퓨팅 장치(100a) 또는 기계 학습 모델 훈련 장치(300a)에서 수행될 수 있으며 특별히 그 주체를 한정하지 않는다.After the hologram is generated, reconstruction of the digital hologram or generation of a phase image may be performed in the digital hologram acquisition device 200, the computing device 100a, or the machine learning model training device 300a, and the subject is not particularly limited.

컴퓨팅 장치(100a)는 네트워크(400)를 통하여 노이즈 제거를 수행하기 위한 학습 모델을 학습 모델 훈련 장치(300a)로부터 수신할 수 있다. The computing device 100a may receive a learning model for performing noise removal from the learning model training device 300a through the network 400 .

일 실시 예에서, 학습 모델 훈련 장치(300a)는 비 광축 디지털 홀로그래픽 현미경으로부터 획득된 디지털 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상(위상 영상 중 주파수 영역의 트윈 영상 및 제로 오더 파트가 제거되어 실상(real part) 영역만 포함된 위상 영상일 수 있다)을 레이블(label)로 하고, 해당 영상이 획득된 동일한 샘플로부터 획득된 노이즈(트윈 영상 및 제로 오더 파트)가 포함된 위상 영상을 입력으로 하는 훈련 데이터로 학습 모델을 훈련 시킬 수 있다. 훈련 데이터의 구성은 아래에서 자세히 설명한다.In one embodiment, the learning model training apparatus 300a is a phase image restored from a digital hologram obtained from a non-optical-axis digital holographic microscope (a twin image and a zero-order part of a frequency domain are removed from a phase image to form a real part) Learning with training data using a phase image containing only a region as a label and a phase image containing noise (twin images and zero-order parts) acquired from the same sample from which the image was acquired as input You can train the model. The construction of the training data is described in detail below.

트윈 영상 및 제로 오더 파트 등의 노이즈가 제거된 위상 영상을 생성하는 학습 모델은 도 7과 같은 조건부 생성적 적대 신경망(conditional generative adversarial network: cGAN)에 기반한 학습 모델이고, 노이즈가 제거된 위상 영상을 생성하도록 훈련된 생성 모델 및 생성된 위상 영상이 실제 위상 영상인지 생성된 위상 영상인지 판별 하도록 훈련된 판별 모델을 포함할 수 있다. 노이즈 제거는 그 중 위상 영상을 생성하도록 훈련된 생성 모델에 기반하여 수행될 수 있고, 컴퓨팅 장치(100a)는 학습 모델 훈련 장치(300a)로부터 생성 모델 만을 수신할 수도 있다. 생성 모델과 판별 모델은 서로 적대적으로 경쟁하도록 훈련될 수 있다. 학습 모델의 구조는 도 7을 참조하여 아래에서 자세히 설명한다.A learning model that generates a phase image from which noise such as twin images and zero-order parts have been removed is a learning model based on a conditional generative adversarial network (cGAN) as shown in FIG. It may include a generative model trained to generate and a discriminant model trained to determine whether the generated phase image is an actual phase image or a generated phase image. The noise removal may be performed based on a generative model trained to generate a phase image among them, and the computing device 100a may receive only the generative model from the learning model training apparatus 300a. Generative and discriminant models can be trained to compete adversarially with each other. The structure of the learning model will be described in detail below with reference to FIG. 7 .

도 3을 참조하여 본 개시의 다른 일 실시 예에 따른 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 장치인 컴퓨팅 장치(100b)를 구동하기 위한 환경을 설명한다.An environment for driving the computing device 100b, which is a device for removing noise on a phase image according to another embodiment of the present disclosure, will be described with reference to FIG. 3 .

컴퓨팅 장치(100b)는 트윈 영상 및 제로 오더 파트 등의 노이즈가 실상 영역과 동일한 주파수 영역에 겹쳐져(overwrapped) 포함된 위상 영상을 입력으로 하여 노이즈가 제거된 위상 영상을 생성하도록 훈련된 학습 모델인 생성 모델을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 컴퓨팅 장치(100b)는 상기 생성 모델 및 생성된 위상 영상이 실제 위상 영상인지 생성된 위상 영상인지 판별 하도록 훈련된 판별 모델을 포함하는 조건부 생성적 적대 신경망에 기반한 학습 모델을 포함할 수 있다.The computing device 100b is a learning model trained to generate a phase image from which noise has been removed by inputting a phase image in which noise such as twin images and zero-order parts are overwrapped in the same frequency region as the real image region as input Models can be included. In an embodiment, the computing device 100b includes a learning model based on a conditional generative adversarial neural network including the generation model and a discrimination model trained to determine whether the generated phase image is an actual phase image or a generated phase image. can

일 실시 예에서, 컴퓨팅 장치(100b)는 외부 장치(500)로부터 네트워크(400)를 통해 노이즈가 포함된 위상 영상을 수신하고, 수신한 위상 영상을 학습 모델에 입력하여 생성된 위상 영상을 해당 외부 장치 또는 별개의 외부 장치로 전송할 수 있다. In an embodiment, the computing device 100b receives a phase image including noise from the external device 500 through the network 400 , inputs the received phase image to a learning model, and outputs the generated phase image to the corresponding external device. It can be transmitted to the device or to a separate external device.

일 실시 예에서, 컴퓨팅 장치(100b)는 트윈 영상 및 제로 오더 파트 등의 노이즈가 실상 영역과 동일한 주파수 영역에 겹쳐져 포함된 위상 영상의 입력 데이터 및 노이즈가 제거된 위상 영상이 레이블로 구성된 훈련 데이터로 학습 모델을 훈련 시키거나, 네트워크(400)를 통하여 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하기 위한 학습 모델을 별도의 외부 장치로부터 수신할 수 있다.In an embodiment, the computing device 100b is configured such that the input data of the phase image including the twin image and the zero-order part overlapping the same frequency region as the real image region and the noise-removed phase image are training data composed of labels. A training model for training a learning model or a learning model for performing noise removal of a phase image through the network 400 may be received from a separate external device.

도 4를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 장치인 컴퓨팅 장치(100)의 구성을 설명한다. A configuration of the computing device 100 as an apparatus for removing noise on a phase image according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 4 .

컴퓨팅 장치(100)는 M2M(machine to machine) 통신, D2D(device to device) 통신 등을 지원하는 통신부를 포함할 수 있고, 통신부는 무선 통신부 또는 유선 통신부를 포함할 수 있다.The computing device 100 may include a communication unit supporting machine to machine (M2M) communication, device to device (D2D) communication, and the like, and the communication unit may include a wireless communication unit or a wired communication unit.

무선 통신부는, 이동통신 모듈, 무선 인터넷 모듈, 근거리 통신 모듈, 위치정보 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The wireless communication unit may include at least one of a mobile communication module, a wireless Internet module, a short-range communication module, and a location information module.

이동통신 모듈은, 이동통신을 위한 기술표준들 또는 통신방식(예를 들어, GSM(Global System for Mobile communication), CDMA(Code Division Multi Access), CDMA2000(Code Division Multi Access 2000), EV-DO(Enhanced Voice-Data Optimized or Enhanced Voice-Data Only), WCDMA(Wideband CDMA), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 등)에 따라 구축된 이동 통신망 상에서 기지국, 외부의 단말, 서버 중 적어도 하나와 무선 신호를 송수신한다. The mobile communication module includes technical standards or communication methods for mobile communication (eg, GSM (Global System for Mobile communication), CDMA (Code Division Multi Access), CDMA2000 (Code Division Multi Access 2000)), EV-DO ( Enhanced Voice-Data Optimized or Enhanced Voice-Data Only), Wideband CDMA (WCDMA), High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), Long Term Evolution (LTE), Long Term (LTE-A) Evolution-Advanced), etc.), transmits and receives radio signals to and from at least one of a base station, an external terminal, and a server on a mobile communication network.

무선 인터넷 기술로는, 예를 들어 WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi(Wireless Fidelity) Direct, DLNA(Digital Living Network Alliance), WiBro(Wireless Broadband), WiMAX(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 등이 있다.As wireless Internet technology, for example, WLAN (Wireless LAN), Wi-Fi (Wireless-Fidelity), Wi-Fi (Wireless Fidelity) Direct, DLNA (Digital Living Network Alliance), WiBro (Wireless Broadband), WiMAX (World Interoperability for Microwave Access), High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), Long Term Evolution (LTE), Long Term Evolution-Advanced (LTE-A), and the like.

근거리 통신 모듈은 근거리 통신(Short range communication)을 위한 것으로서, 블루투스(Bluetooth™), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus) 기술 중 적어도 하나를 이용하여, 근거리 통신을 지원할 수 있다.The short-range communication module is for short-range communication, and includes Bluetooth™, Radio Frequency Identification (RFID), Infrared Data Association (IrDA), Ultra Wideband (UWB), ZigBee, and Near Field (NFC). Communication), Wi-Fi (Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, and Wireless USB (Wireless Universal Serial Bus) technology may be used to support short-distance communication.

컴퓨팅 장치(100)는 예를 들어, 개인용 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿, 데스크탑 컴퓨터, NAS(Network Attached Storage) 등 특정 종류에 고정되지 않는 연산 디바이스가 될 수 있고, 고정형 기기 및 이동 가능한 기기 등으로 구현될 수 있다.The computing device 100 may be, for example, a computing device that is not fixed to a specific type, such as a personal computer, a smart phone, a tablet, a desktop computer, and a NAS (Network Attached Storage), and is implemented as a fixed device and a movable device. can be

프로세서(130)는 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치, 예를 들어 MCU, GPU, AI 가속기(AI accelerator chip)를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. The processor 130 may include all kinds of devices capable of processing data, for example, an MCU, a GPU, and an AI accelerator chip. Here, the 'processor' may refer to, for example, a data processing device embedded in hardware having a physically structured circuit to perform a function expressed as a code or command included in a program.

이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.As an example of the data processing apparatus embedded in the hardware as described above, a microprocessor, a central processing unit (CPU), a processor core, a multiprocessor, an application-specific integrated (ASIC) circuit) and a processing device such as a field programmable gate array (FPGA), but the scope of the present disclosure is not limited thereto.

컴퓨팅 장치(100)는 노이즈가 포함된 위상 영상을 입력으로 하여 트윈 영상 및 제로 오더 파트가 제거된 위상 영상을 생성하도록 조건부 생성적 적대 신경망에 기반하여 훈련된 학습 모델(150) 또는 상기 학습 모델의 일부로서 학습된 생성 모델(150)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 컴퓨팅 장치(100)는 상기 생성 모델 및 생성된 위상 영상이 실제 위상 영상인지 생성된 위상 영상인지 판별 하도록 훈련된 판별 모델을 포함하는 조건부 생성적 적대 신경망에 기반한 학습 모델을 포함할 수 있다. 다른 실시 예에서, 컴퓨팅 장치(100)는 상기 학습 모델을 훈련시킬 수 있고, 러닝 프로세서(140)를 학습 모델에 이용할 수 있다. The computing device 100 receives a phase image containing noise as an input to generate a twin image and a phase image from which zero-order parts are removed. It may include a trained generative model 150 as part of it. In an embodiment, the computing device 100 includes a learning model based on a conditional generative adversarial neural network including the generation model and a discrimination model trained to determine whether the generated phase image is an actual phase image or a generated phase image. can In another embodiment, the computing device 100 may train the learning model, and may use the learning processor 140 for the learning model.

프로세서(130)는 노이즈가 포함된 위상 영상을 조건부 생성적 적대 신경망에 기반하여 학습된 학습 모델 또는 상기 학습 모델의 생성 모델에 입력하여 노이즈가 제거된 위상 영상을 생성하기 위한 처리를 수행할 수 있다. The processor 130 may perform a process for generating a noise-removed phase image by inputting a phase image including noise into a learning model trained based on a conditional generative adversarial neural network or a generation model of the learning model. .

본 명세서에서는 훈련 데이터를 이용하여 학습됨으로써 파라미터가 추정된 인공 신경망을 학습 모델 또는 학습된 모델(a trained model)이라 칭할 수 있다.In the present specification, an artificial neural network whose parameters are estimated by being trained using training data may be referred to as a learning model or a trained model.

학습 모델(150)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있으며, 학습 모델의 일부 또는 전부가 소프트웨어로 구현되는 경우 학습 모델을 구성하는 하나 이상의 명령어(코드, code) 및 파라미터를 포함하는 데이터는 메모리(120)에 저장될 수 있다. 메모리(120)는 RAM, ROM, EEPROM, EPROM, 플래시 메모리 디바이스들, 자기 디스크들 등과 같은 하나 이상의 일시적(transitory) 또는 비-일시적(non-transitory) 저장 매체를 포함할 수 있다. The learning model 150 may be implemented in hardware, software, or a combination of hardware and software, and includes one or more instructions (code, code) and parameters constituting the learning model when a part or all of the learning model is implemented in software. data may be stored in the memory 120 . Memory 120 may include one or more transitory or non-transitory storage media such as RAM, ROM, EEPROM, EPROM, flash memory devices, magnetic disks, and the like.

컴퓨팅 장치(100)는 일 실시 예에서, 학습 모델(150)에 기반하여 생성된 노이즈가 제거된 위상 영상을 디스플레이(170)에 표시하거나, 통신부(110)를 통하여 외부 장치로 전송할 수 있다.The computing device 100 may display, on the display 170 , the noise-removed phase image generated based on the learning model 150 , or transmit it to an external device through the communication unit 110 .

또한, 컴퓨팅 장치(100)는 인터페이스(160)를 포함해 사용자로부터 명령들을 입력 받을 수 있고, 출력 정보를 사용자에게 전달할 수도 있다. 인터페이스(160)는 키보드, 마우스, 터치 스크린, 마이크, 카메라 등의 다양한 입력 수단과 모니터, 스피커, 디스플레이 등의 다양한 출력 수단을 포함할 수 있다. 인터페이스(160)는 유/무선 데이터 포트(port), 메모리 카드(memory card) 포트, 오디오 또는 비디오 I/O(Input/Output) 포트(port) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(100)에서는 인터페이스에 외부 기기가 연결되는 것에 대응하여, 연결된 외부 기기와 관련된 적절할 제어를 수행할 수 있다.In addition, the computing device 100 may receive commands from the user including the interface 160 , and may transmit output information to the user. The interface 160 may include various input means such as a keyboard, a mouse, a touch screen, a microphone, and a camera, and various output means such as a monitor, a speaker, and a display. The interface 160 may include at least one of a wired/wireless data port, a memory card port, and an audio or video input/output (I/O) port. In response to the connection of the external device to the interface, the computing device 100 may perform appropriate control related to the connected external device.

도 5를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 장치의 학습 모델에 대한 입력 및 출력을 설명한다. An input and output of a learning model of an apparatus for removing noise on a phase image according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 5 .

학습 모델의 입력은 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상(510)일 수 있고, 상기 위상 영상(510)은 트윈 영상 및 제로 오더 파트의 노이즈가 실상 영역과 동일한 주파수 영역에 겹쳐져 있는 위상 영상일 수 있다.The input of the learning model may be a phase image 510 reconstructed from a heirloom hologram, and the phase image 510 may be a phase image in which noise of a twin image and a zero-order part is overlapped in the same frequency region as the real image region.

학습 모델은 주파수 영역에서 실상 영역과 겹쳐진 트윈 영상 및 제로 오더 파트의 노이즈가 제거된 위상 영상(520)을 출력할 수 있다. .The learning model may output the twin image overlapping the real image region in the frequency domain and the phase image 520 in which noise of the zero-order part is removed. .

도 6을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 위상 영상의 노이즈 제거를 위한 학습 모델을 훈련하는 장치인 학습 모델 훈련 장치(300)의 구성을 설명한다. A configuration of the learning model training apparatus 300, which is an apparatus for training a learning model for noise removal of a phase image, according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 6 .

학습 모델 훈련 장치(300)의 프로세서(330)는 주파수 영역에서의 트윈 영상 및 제로 오더 노이즈 파트가 실상 영역에 겹쳐져 있는 가보 홀로그램으로부터 복원된 노이즈가 포함된 위상 영상으로부터 노이즈 및 트윈 영상이 없는 위상 영상을 얻기 위해, 동일한 샘플의 비 광축 홀로그램의 주파수 영역에서의 실상 영역만 필터링한 후 복원시킨 위상 영상을 레이블로 구성된 훈련 데이터를 사용하여 학습 모델을 조건부 생성적 적대 신경망에 기반하여 훈련 시킬 수 있다. 일 실시 예에서, 기계 학습에 적합하게 구현된 머신 러닝 기반의 러닝 프로세서(340)을 이용하여 학습 모델을 훈련시킬 수 있다. 훈련 데이터의 구성은 아래에서 자세히 설명한다. The processor 330 of the training model training apparatus 300 generates a phase image without noise and twin images from a phase image containing noise restored from a heirloom hologram in which a twin image and a zero-order noise part in the frequency domain are superimposed on the real region. In order to obtain , the learning model can be trained based on the conditional generative adversarial neural network using training data composed of labels with the phase image restored after filtering only the real image region in the frequency domain of the non-optical hologram of the same sample. In an embodiment, the learning model may be trained using the machine learning-based learning processor 340 implemented suitable for machine learning. The construction of the training data is described in detail below.

학습 모델 훈련 장치(300)는 훈련 데이터를 통신부(310)를 통해 수신하거나, 메모리(320)의 데이터베이스에서 훈련 데이터를 로딩(loading)하여 학습 모델을 훈련시킬 수 있다.The learning model training apparatus 300 may train the learning model by receiving the training data through the communication unit 310 or by loading the training data from the database of the memory 320 .

학습 모델 훈련 장치(300)는 조건부 생성적 적대 신경망에 기반하여 훈련된 학습 모델을 외부 장치로 전송하거나, 학습 모델의 일 부분으로서 훈련된 생성 모델을 외부 장치로 전송할 수 있다.The learning model training apparatus 300 may transmit a training model trained based on the conditional generative adversarial neural network to an external device, or may transmit a trained generative model as a part of the learning model to an external device.

학습 모델은 인공 신경망에 기반할 수 있고, 인공 신경망은 시냅스(synapse)의 결합으로 네트워크를 형성한 인공 뉴런(노드)이 학습을 통해 시냅스의 결합 세기를 변화시켜, 문제 해결 능력을 가지는 모델 전반을 의미할 수 있다.The learning model can be based on an artificial neural network, and in the artificial neural network, artificial neurons (nodes) that form a network through the combination of synapses change the strength of synaptic bonds through learning, thereby providing an overall model with problem-solving ability. can mean

인공 신경망은 복수의 레이어(layer)를 포함할 수 있고, 레이어들 각각은 복수의 뉴런(neuron)을 포함할 수 있다. 또한 인공신경망은 뉴런과 뉴런을 연결하는 시냅스를 포함할 수 있다.The artificial neural network may include a plurality of layers, and each of the layers may include a plurality of neurons. Also, the artificial neural network may include neurons and synapses connecting neurons.

다층으로 구성된 인공 신경망은 입력층(Input Layer)과 하나 이상의 은닉층(Hidden Layer), 출력층(Output Layer)으로 구성된다. 은닉층은 복수일 수 있다.A multi-layered artificial neural network consists of an input layer, one or more hidden layers, and an output layer. The hidden layer may be plural.

입력층은 외부의 자료들을 받아들이는 층으로서, 입력층의 뉴런 수는 입력되는 변수의 수와 동일하며, 은닉층은 입력층과 출력층 사이에 위치하며 입력층으로부터 신호를 받아 특성을 추출하여 출력층으로 전달한다. 출력층은 은닉층으로부터 신호를 받고, 수신한 신호에 기반한 출력 값을 출력한다. 뉴런간의 입력신호는 각각의 연결강도(가중치)와 곱해진 후 합산되며 이 합이 뉴런의 임계치보다 크면 뉴런이 활성화되어 활성화 함수를 통하여 획득한 출력값을 출력한다. The input layer is a layer that receives external data. The number of neurons in the input layer is the same as the number of input variables, and the hidden layer is located between the input layer and the output layer. do. The output layer receives a signal from the hidden layer and outputs an output value based on the received signal. The input signal between neurons is multiplied by each connection strength (weight) and then summed. If the sum is greater than the neuron threshold, the neuron is activated and the output value obtained through the activation function is output.

생성적 적대 신경망은 생성 모델(generator)와 판별 모델(discriminator), 두 개의 서로 다른 인공지능이 경쟁하며 성능을 개선하는 머신 러닝 방법이다.A generative adversarial neural network is a machine learning method in which two different artificial intelligences, a generator and a discriminator, compete to improve performance.

이 경우 생성 모델은 새로운 데이터를 창조하는 모형으로, 원본 데이터를 기반으로 새로운 데이터를 생성할 수 있고, 판별 모델은 데이터의 패턴을 인식하는 모형으로, 입력된 데이터가 원본 데이터인지 또는 생성 모델에서 생성한 새로운 데이터인지 여부를 판단하는 역할을 수행할 수 있다. In this case, the generative model is a model that creates new data, and new data can be created based on the original data, and the discriminant model is a model that recognizes patterns in the data. It can play a role in determining whether or not it is new data.

그리고 생성 모델은 판별 모델을 속이지 못한 데이터를 입력 받아 학습하며, 판별 모델은 생성 모델로부터 속은 데이터를 입력 받아 학습할 수 있다. 이에 따라 생성 모델은 판별 모델을 최대한 잘 속이도록 진화할 수 있고, 판별 모델은 원본 데이터와 생성 모델에 의해 생성된 데이터를 잘 구분하도록 서로 경쟁적으로 진화할 수 있다.And the generative model learns by receiving the data that did not deceive the discriminant model, and the discriminant model can learn by receiving the data deceived from the generative model. Accordingly, the generative model can evolve to deceive the discriminant model as best as possible, and the discriminant model can evolve competitively with each other to distinguish the original data and the data generated by the generative model well.

학습 모델은 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있으며, 학습 모델의 일부 또는 전부가 소프트웨어로 구현되는 경우 학습 모델을 구성하는 하나 이상의 명령어는 메모리(320)에 저장될 수 있다.The learning model may be implemented in hardware, software, or a combination of hardware and software, and when a part or all of the learning model is implemented in software, one or more instructions constituting the learning model may be stored in the memory 320 .

도 7을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하기 위한 조건부 생성적 적대 신경망 기반의 학습 모델 중 생성 모델의 구조를 설명한다.A structure of a generative model among conditional generative adversarial neural network-based learning models for performing noise removal on a phase image according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 7 .

본 개시의 일 실시 예에 따른 학습 모델의 도 7과 같은 구조의 생성 모델은 위상 영상의 노이즈 제거를 수행할 수 있다. 생성 모델은 주파수 영역에서의 실상 영역이 트윈 영상 및 제로 오더 파트와 겹쳐진 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상(710)을 입력 받아 노이즈가 제거된 위상 영상(720)을 생성할 수 있고, 도 8과 같은 판별 모델은 생성 모델을 정확하게 훈련시킬 수 있다. 생성된 위상 영상(720) 및 실제 위상 영상은 판별 모델에 입력으로서 공급되며, 이는 입력된 이미지가 생성된 위상 영상인지 실제 위상 영상인지를 결정하도록 훈련된다. 일 실시 예에서, 생성 모델과 판별 모델은 일정한 크기의 필터 맵을 가진 컨벌루션(convolution) 레이어, BatchNorm 레이어, ReLU 활성층 레이어를 포함하는 다층의 레이어들로 구성될 수 있다. 생성 모델은 다수의 다운 샘플링 레이어 및 업 샘플링 레이어들을 포함할 수 있다. A generation model having a structure as shown in FIG. 7 of a learning model according to an embodiment of the present disclosure may perform noise removal of a phase image. The generative model receives the phase image 710 restored from the heirloom hologram in which the real image region in the frequency domain overlaps the twin image and the zero-order part, and generates a phase image 720 from which noise has been removed, as shown in FIG. Discriminant models can train generative models accurately. The generated phase image 720 and the actual phase image are fed as inputs to the discriminant model, which is trained to determine whether the input image is a generated phase image or a real phase image. In an embodiment, the generative model and the discriminant model may be composed of multi-layered layers including a convolution layer having a filter map of a certain size, a BatchNorm layer, and a ReLU active layer layer. A generative model may include multiple down-sampling layers and up-sampling layers.

일 실시 예에서, 생성 모델은 스킵 연결(skip connection)로 고 주파수 영역의 정보를 입력 패스에서 출력 패스로 전달할 수 있다. In an embodiment, the generative model may transfer information in the high frequency domain from an input path to an output path through a skip connection.

일반적으로 업 샘플링 전에 다운 샘플링을 수행하면 원본 이미지의 많은 정보가 손실되어 출력이 흐려질 수(blurred) 있으므로, 일 실시 예에서, 스킵(skip) 연결을 사용하여 고주파 성분의 정보를 공유할 수 있다. 예를 들어, 입력과 출력 사이의 스킵 연결은 다운 샘플링 프로세스의 i번째 계층의 정보를 업 샘플링 프로세스의 n-i번째 계층의 정보와 U-net의 일반적인 형태로 연결함으로써 생성된 이미지의 흐릿한 효과를 감소시킬 수 있다. 일 실시 예에서, 판별 모델은 256x256 입력 영상을 입력 받아 4개의 컨벌루션 레이어를 통과하며 16x16 크기의 영상을 유도할 수 있다. 도 8의 판별 모델은 실제 패치와 가짜 패치를 구별하는 법을 배우도록 훈련될 수 있고, 입력되는 위상 영상의 일 부분 형태인 패치 형태의 영상을 평가하도록 훈련될 수 있다. 일 실시 예로서, 적응 운동량과

Figure 112021041399104-pat00001
1 = 0.5 및
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2 = 0.999의 파라미터들과 적응적 모멘텀을 가진 최적화 프로세스로서 Adam 솔버가 훈련에 사용될 수 있다.In general, if downsampling is performed before upsampling, a lot of information of the original image may be lost and the output may be blurred. For example, the skip connection between input and output reduces the blurring effect of the image generated by connecting the information of the ith layer of the downsampling process with the information of the nith layer of the upsampling process in the general form of U-net. can In an embodiment, the discrimination model may receive a 256x256 input image, pass through four convolutional layers, and derive a 16x16 sized image. The discrimination model of FIG. 8 may be trained to learn to distinguish a real patch from a fake patch, and may be trained to evaluate an image in the form of a patch, which is a partial form of an input phase image. In one embodiment, the adaptive momentum and
Figure 112021041399104-pat00001
1 = 0.5 and
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As an optimization process with parameters of 2 = 0.999 and adaptive momentum, the Adam solver can be used for training.

도 9를 참조하여 본 개시의 일 실시 예인 가보 홀로그램의 위상 영상에 포함된 노이즈를 제거하도록 훈련된 조건부 생성적 적대 신경망 기반 학습 모델의 훈련 데이터를 설명한다.Training data of a conditionally generative adversarial neural network-based learning model trained to remove noise included in a phase image of a heirloom hologram, which is an embodiment of the present disclosure, will be described with reference to FIG. 9 .

학습 모델은 입력된 이미지에 대한 레이블(label)이 주어진 상태에서 학습될 수 있고, 여기서 레이블이란 입력 이미지가 학습 모델의 인공 신경망에 입력되는 경우 인공 신경망이 추론해 내야 하는 정답(또는 결과 값)을 의미할 수 있다.The learning model can be trained in a state where a label for an input image is given, where the label is the correct answer (or result value) that the artificial neural network must infer when the input image is input to the artificial neural network of the learning model. can mean

본 발명은 학습 모델을 훈련시키기 위해 고유한 훈련 데이터를 이용한다.The present invention uses unique training data to train a learning model.

종래의 학습 모델을 훈련시키기 위해서는 생물체로부터 획득된 동일한 샘플(세포 또는 조직일 수 있다)의 노이즈가 포함된 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상 및 노이즈가 제거된 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상이 필요하다. 하지만, 앞서 설명한 것처럼 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈를 제거하기 위한 학습 모델을 훈련시킬 경우, 노이즈가 제거된 위상 영상을 획득하기 위해 가보 홀로그램을 획득한 동일한 샘플에 대해 다시 비 광축 홀로그램 영상을 획득하여야 하지만, 홀로그램 획득 시간의 차이로 인한 세포 이동 등으로 인해 동일한 샘플이라 할지라도 레이블로 활용하기 어려운 문제점이 있다. In order to train a conventional learning model, a phase image reconstructed from a noise-containing hologram of the same sample (which may be a cell or tissue) obtained from an organism and a phase image reconstructed from a noise-removed hologram are required. However, as described above, when training a learning model to remove the noise of the phase image restored from the heirloom hologram, the non-optical axis hologram image is again applied to the same sample from which the heirloom hologram is acquired to obtain the phase image from which the noise has been removed. However, there is a problem in that even the same sample cannot be used as a label due to cell migration due to a difference in hologram acquisition time.

이를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예로서 학습 모델을 훈련시키기 위해 고유한 훈련 데이터를 설명한다.In order to solve this problem, unique training data for training a learning model will be described as an embodiment of the present invention.

입력 데이터는 비 광축 홀로그램(910) 영상을 주파수 영역으로 변환한 후(FFT: Fast Fourier Transform)(920), 주파수 영역에서 트윈 영상 및 실상 파트를 제로 오더 파트로 주파수 이동(FS: frequency shifting)시킨 후 이를 다시 공간 영역으로 변환하여 결합시킨 홀로그램(940) 또는 상기 홀로그램(940)으로부터 프레즈넬 전파(Fresnel propagation) 및 프레즈넬 근사(Fresnel approximation) 등의 방법으로 생성된 위상 영상일 수 있다.The input data is obtained by transforming the non-optical hologram 910 image into the frequency domain (FFT: Fast Fourier Transform) 920, and then frequency shifting (FS: frequency shifting) the twin image and real image parts to zero order parts in the frequency domain. Then, it may be a hologram 940 that is converted into a spatial domain and combined, or a phase image generated from the hologram 940 by a method such as Fresnel propagation and Fresnel approximation.

즉, 비 광축 홀로그램은 물체파(O) 및 기준파(R)로서 표현하는 경우, 수학식 1과 같이 표현될 수 있고, 여기에서 O* 및 R*는 켤레 복소수(complex conjugates)이다.That is, when the non-optical axis hologram is expressed as an object wave (O) and a reference wave (R), it can be expressed as in Equation 1, where O* and R* are complex conjugates.

Figure 112021041399104-pat00003
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비 광축 홀로그램은 기준파와 물체파의 각도로 인하여 실상 영역과 트윈 영상이 제로 오더 파트와 주파수 영역에서 분리되어 있으므로, 수학식 5를 이용하여 동일한 샘플을 동일한 시간에 가보 홀로그래피 현미경으로 촬영한 가보 홀로그램(940)을 인위적으로 생성함으로써 학습 모델의 입력 데이터를 생성할 수 있다.In the non-optical hologram, since the real image region and the twin image are separated from the zero-order part and the frequency region due to the angle of the reference wave and the object wave, the heirloom hologram ( 940) can be artificially generated to generate the input data of the learning model.

Figure 112021041399104-pat00004
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Figure 112021041399104-pat00007
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여기에서, H1, H2는 각각 비 광축 홀로그램(910)의 주파수 영역(IH)에서 각각 실상 파트 및 트윈 영상만 분리(filtering)한 후 이를 제로 오더 파트의 주파수 영역 위치로 주파수 이동시킨 후(FS), 다시 공간 영역으로 변환한 영상(930)을 의미한다. 이 영상들을 각각 비 광축 홀로그램의 주파수 영역(IH)에서 제로 오더 파트만 분리한 영상을 다시 공간 영역으로 변환한 영상(930)과 결합하여, 가보 홀로그래피에서 동일한 샘플을 획득한 것과 같은 가보 홀로그램 영상(GH)(940)을 획득할 수 있다. 이러한 과정을 통해 생성된 가보 홀로그램 영상(GH) (940)은 주파수 영역에서 트윈 영상, 실상 파트 및 제로 오더 파트가 동일한 영역에 겹쳐 있고, 이를 학습 모델의 입력 데이터로 활용할 수 있다. Here, H1 and H2 are after filtering only the real part and twin images in the frequency domain (IH) of the non-optical axis hologram 910, respectively, and then frequency shifting them to the frequency domain position of the zero order part (FS) , means an image 930 transformed back into the spatial domain. Heirloom holographic image ( GH) 940 can be obtained. In the heirloom holographic image (GH) 940 generated through this process, the twin image, the real part, and the zero-order part are overlapped in the same region in the frequency domain, and this can be used as input data of the learning model.

학습 모델의 생성 모델에서 사용된 훈련 데이터의 레이블은 가보 홀로그램 영상(GH)(940)을 획득하기 위해 사용된 비 광축 홀로그램(910)에서 리얼 파트 영역만 분리하여 복원시킨 위상 영상일 수 있다.The label of the training data used in the generating model of the learning model may be a phase image obtained by separating and reconstructing only the real part region from the non-optical hologram 910 used to obtain the heirloom hologram image (GH) 940 .

도 10을 참조하여, 본 개시의 일 실시 예에 따른 학습 모델에 기반하여 위상 영상의 노이즈 제거를 수행한 실험 결과를 설명한다. An experimental result of performing noise removal on a phase image based on a learning model according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 10 .

도 1과 같은 비 광축 디지털 홀로그래피 현미경 장치에서 획득한 비 광축 홀로그램 및 비 광축 홀로그램을 획득한 동일한 샘플에 대하여 기준파를 차단하여 획득한 가보 홀로그램으로부터 복원된 노이즈 있는 위상 영상을 이용하여 본 개시의 성능을 평가할 수 있다. The performance of the present disclosure using a noisey phase image restored from a heirloom hologram obtained by blocking a reference wave with respect to the non-optical-axis hologram and the non-optical-axis hologram acquired in the non-optical digital holographic microscope device as shown in FIG. 1 . Performance of the present disclosure can be evaluated.

도 10은 비 광축 홀로그램을 획득한 동일한 샘플에 대하여 기준파를 차단하여 획득한 가보 홀로그램을 본 개시의 실시 예에 따른 학습 모델에 입력하여 출력된 위상 영상을 비 광축 홀로그램의 실상 영역을 필터링한 후 복원시킨 위상 영상과 과 비교하여 본 개시의 성능을 평가한 결과들을 도시한다.10 is a diagram illustrating a phase image output by inputting a heirloom hologram obtained by blocking a reference wave for the same sample from which a non-optical axis hologram is obtained to a learning model according to an embodiment of the present disclosure after filtering the real image region of the non-optical axis hologram; The results of evaluating the performance of the present disclosure in comparison with the reconstructed phase image are shown.

도 10(e)는 적혈구 샘플에 대하여 비 광축 홀로그램으로부터 복원된 정량적 위상 영상으로부터 산출한 혈구 내 평균 헤모글로빈 양(mean corpuscular-hemoglobin, MCH)과 본 개시의 실시 예에 따른 학습 모델로부터 출력된 가보 홀로그램으로부터 복원된 노이즈 없는 위상 영상으로부터 측정한 혈구 내 평균 헤모글로빈 양의 상관 관계를 보여준다.10( e ) shows the mean corpuscular-hemoglobin (MCH) in blood cells calculated from quantitative phase images reconstructed from non-optical-axis holograms for a red blood cell sample and heirloom holograms output from the learning model according to an embodiment of the present disclosure; It shows the correlation of the average hemoglobin amount in blood cells measured from the noise-free phase image reconstructed from

도 10(f)는 적혈구 샘플에 대하여 비 광축 홀로그램으로부터 복원된 정량적 위상 영상으로부터 산출한 볼륨(dry mass)과 본 개시의 실시 예에 따른 학습 모델로부터 출력된 가보 홀로그램으로부터 복원된 노이즈 없는 위상 영상으로부터 산출한 볼륨의 상관 관계를 보여준다.10(f) shows a dry mass calculated from a quantitative phase image reconstructed from a non-optical-axis hologram for a red blood cell sample and a noise-free phase image reconstructed from a heirloom hologram output from a learning model according to an embodiment of the present disclosure. It shows the correlation of the calculated volume.

도 10(e) 및 도 10(f)과 아래 표 1의 통계 결과(70개 이상의 샘플에 대해서 수행한 결과)에 따르면, 세포 분석을 위해 비 광축 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상으로부터 산출하는 통계적 지표들이 본 개시의 실시 예에 따른 학습 모델로부터 출력된 가보 홀로그램으로부터 복원된 노이즈 없는 위상 영상으로부터 얻은 결과와 높은 상관 관계 및 유사한 값을 보이는 것을 확인할 수 있고, 따라서 본 개시의 실시 예에 따른 학습 모델로부터 출력된 가보 홀로그램으로부터 복원된 노이즈 없는 위상 영상을 비 광축 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상 대신 사용할 수 있음을 알 수 있다.According to FIGS. 10(e) and 10(f) and the statistical results of Table 1 below (results performed on more than 70 samples), statistical indicators calculated from phase images reconstructed from non-optical holograms for cell analysis are It can be seen that high correlation and similar values to the results obtained from the noise-free phase image restored from the heirloom hologram output from the learning model according to the embodiment of the present disclosure show high correlation and similar values, and thus the output from the learning model according to the embodiment of the present disclosure It can be seen that the noise-free phase image reconstructed from the heirloom hologram can be used instead of the phase image reconstructed from the non-optical axis hologram.

Figure 112021041399104-pat00008
Figure 112021041399104-pat00008

도 11을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 장치의 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈 제거를 수행하는 방법을 설명한다.A method of denoising a phase image reconstructed from a heirloom hologram of a computing device according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 11 .

컴퓨팅 장치는 디지털 홀로그래픽 영상인 가보 홀로그램 또는 가보 홀로그램의 위상 영상을 제공 받고(S110), 트윈 영상 및 제로 오더 파트가 주파수 영역에서 실상과 동일한 영역에 겹쳐진 위상 영상을 조건부 생성적 적대 신경망에 기반하여 학습된 학습 모델에 포함된 생성 모델에 입력하여 노이즈가 제거된 위상 영상을 생성할 수 있다(S120).The computing device receives a digital holographic image heirloom hologram or a phase image of the heirloom hologram (S110), and based on the conditional generative adversarial neural network, the twin image and the zero-order part are superimposed on the same region as the real image in the frequency domain. A phase image from which noise has been removed may be generated by inputting it to a generative model included in the learned learning model (S120).

컴퓨팅 장치의 위상 영상에서 노이즈 제거를 수행하는 방법에서 사용되는 학습 모델의 생성 모델은 비 광축 디지털 홀로그램의 위상 영상의 리얼 파트 및 트윈 영상을 동일한 주파수 영역으로 이동시킨 위상 영상을 입력으로 하고, 비 광축 디지털 홀로그램의 트윈 영상 및 제로 오더 파트를 제거한 위상 영상을 레이블로 할 수 있다. 학습 모델은 생성된 위상 영상이 실제 위상 영상인지 생성된 위상 영상인지 판별 하도록 훈련된 판별 모델을 포함할 수 있다. 생성 모델과 판별 모델은 서로 적대적으로 경쟁하도록 훈련될 수 있다.The generation model of the learning model used in the method of performing noise removal on the phase image of the computing device is the phase image obtained by moving the real part and twin image of the phase image of the non-optical digital hologram to the same frequency domain as input, and the non-optical axis Twin images of digital holograms and phase images with zero order parts removed can be labeled. The learning model may include a discrimination model trained to determine whether the generated phase image is an actual phase image or a generated phase image. Generative and discriminant models can be trained to compete adversarially with each other.

전술한 본 개시는, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 각 장치의 프로세서를 포함할 수도 있다.The present disclosure described above can be implemented as computer-readable code on a medium in which a program is recorded. The computer-readable medium includes all types of recording devices in which data readable by a computer system is stored. Examples of computer-readable media include Hard Disk Drive (HDD), Solid State Disk (SSD), Silicon Disk Drive (SDD), ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc. There is this. In addition, the computer may include a processor of each device.

한편, 상기 프로그램은 본 개시를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.Meanwhile, the program may be specially designed and configured for the present disclosure, or may be known and used by those skilled in the art of computer software. Examples of the program may include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

본 개시의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 개시에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. In the specification of the present disclosure (especially in the claims), the use of the term “above” and similar referential terms may be used in both the singular and the plural. In addition, when a range is described in the present disclosure, each individual value constituting the range is described in the detailed description of the invention as including the invention to which individual values within the range are applied (unless there is a description to the contrary). same as

본 개시에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 개시가 한정되는 것은 아니다. 본 개시에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 개시를 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 개시의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 인자(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.The steps constituting the method according to the present disclosure may be performed in an appropriate order unless the order is explicitly stated or there is no description to the contrary. The present disclosure is not necessarily limited to the order in which the steps are described. The use of all examples or exemplary terminology (eg, etc.) in the present disclosure is merely for the purpose of describing the present disclosure in detail, and the scope of the present disclosure is limited by the examples or exemplary terms unless defined by the claims. it's not going to be In addition, those skilled in the art will appreciate that various modifications, combinations and changes can be made according to design conditions and factors within the scope of the appended claims or their equivalents.

따라서, 본 개시의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 개시의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present disclosure should not be limited to the above-described embodiments, and the scope of the spirit of the present disclosure as well as the claims to be described later are equivalent to or equivalently changed therefrom. will be said to belong to

510, 710:가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상
520, 720:노이즈가 제거된 위상 영상
910:비 광축 홀로그램
920:주파수 영역으로 변환된 비 광축 홀로그램
930:실상 영역, 제로 오더 파트, 트윈 영상의 각각 공간 영역 홀로그램
940:실상 영역, 제로 오더 파트, 트윈 영상이 동일한 공간 영역에 겹쳐진 홀로그램
510, 710: phase image restored from heirloom hologram
520, 720: phase image with noise removed
910: non-optical axis hologram
920: non-optical axis hologram converted to frequency domain
930: Real real area, zero order part, spatial area hologram of twin image
940: A hologram in which the real region, zero order part, and twin image are superimposed on the same spatial region

Claims (18)

컴퓨팅 장치의 프로세서가 각 단계의 적어도 일부를 수행하는 위상 영상 생성 방법으로서,
가보 홀로그램(Garbor hologram)을 제공 받는 단계; 및
상기 가보 홀로그램으로부터 복원된 제1 위상 영상(phase image)을 머신 러닝(Machine Learning) 기반의 학습 모델에 입력하여 노이즈가 제거된 제2 위상 영상을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 학습 모델은 비 광축 디지털 홀로그램(off-axis digital hologram)으로부터 복원되고 노이즈가 제거된 위상 영상을 레이블(label)로 하여 조건부 생성적 적대 신경망(conditional generative adversarial network: cGAN)에 기반하여 학습된 생성 모델을 포함하는,
컴퓨팅 장치의 위상 영상 생성 방법.
A method for generating a phase image in which a processor of a computing device performs at least a portion of each step, the method comprising:
receiving a heirloom hologram (Garbor hologram); and
and generating a second phase image from which noise has been removed by inputting a first phase image restored from the heirloom hologram into a machine learning-based learning model,
The learning model is a generation learned based on a conditional generative adversarial network (cGAN) with a phase image restored from an off-axis digital hologram and noise removed as a label. including the model,
A method of generating a phase image of a computing device.
제1 항에 있어서,
상기 제2 위상 영상은 트윈 영상(twin part) 및 제로 오더(zero order) 파트가 제거된 위상 영상인,
컴퓨팅 장치의 위상 영상 생성 방법.
According to claim 1,
The second phase image is a phase image from which twin parts and zero order parts are removed,
A method of generating a phase image of a computing device.
제1 항에 있어서,
상기 생성 모델은 상기 비 광축 디지털 홀로그램의 위상 영상의 리얼 파트 및 트윈 영상을 동일한 주파수 영역으로 이동시킨 위상 영상을 입력으로 하고,
상기 생성 모델의 레이블은 상기 비 광축 디지털 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 트윈 영상 및 제로 오더 파트를 제거한 위상 영상인,
컴퓨팅 장치의 위상 영상 생성 방법.
According to claim 1,
The generation model receives a phase image obtained by moving the real part and twin images of the phase image of the non-optical axis digital hologram to the same frequency domain as input,
The label of the generative model is a phase image obtained by removing a twin image and a zero-order part of a phase image restored from the non-optical axis digital hologram,
A method of generating a phase image of a computing device.
제1 항에 있어서,
상기 생성 모델은 상기 비 광축 디지털 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈를 동일한 주파수 영역으로 중첩시킨 위상 영상을 입력으로 하여 학습된 생성 모델인,
컴퓨팅 장치의 위상 영상 생성 방법.
According to claim 1,
The generative model is a generative model learned by inputting a phase image obtained by superimposing noise of a phase image restored from the non-optical-axis digital hologram in the same frequency domain as an input,
A method of generating a phase image of a computing device.
제1 항에 있어서,
상기 생성 모델은 상기 비 광축 디지털 홀로그램으로부터 획득된 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상을 입력으로 하여 학습된 생성 모델인,
컴퓨팅 장치의 위상 영상 생성 방법.
According to claim 1,
The generative model is a generative model learned by inputting the phase image restored from the heirloom hologram obtained from the non-optical axis digital hologram as an input,
A method of generating a phase image of a computing device.
제1 항에 있어서,
상기 학습 모델은
가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상으로부터 노이즈가 제거된 위상 영상을 생성하도록 훈련되는 상기 생성 모델 및 상기 생성 모델이 생성한 위상 영상이 실제 위상 영상인지 생성된 위상 영상인지 판별 하도록 훈련되는 판별 모델이 서로 적대적으로 경쟁하여 훈련된 학습 모델인,
컴퓨팅 장치의 위상 영상 생성 방법.
According to claim 1,
The learning model is
The generative model trained to generate a noise-removed phase image from the phase image reconstructed from the heirloom hologram and the discrimination model trained to determine whether the phase image generated by the generative model is an actual phase image or a generated phase image are antagonistic to each other A learning model trained by competing with
A method of generating a phase image of a computing device.
프로세서; 및
상기 프로세서와 전기적으로 연결되고, 상기 프로세서에서 수행되는 적어도 하나의 코드(code)가 저장되는 메모리를 포함하고,
상기 메모리는 상기 프로세서를 통해 실행될 때 상기 프로세서가,
가보 홀로그램(Garbor hologram)을 제공 받고, 상기 가보 홀로그램으로부터 복원된 제1 위상 영상(phase image)을 머신 러닝(Machine Learning) 기반의 학습 모델에 입력하여 노이즈가 제거된 제2 위상 영상을 생성하도록 야기하는 코드를 저장하고,
상기 학습 모델은 비 광축 디지털 홀로그램(off-axis digital hologram)으로부터 복원되고 노이즈가 제거된 위상 영상을 레이블(label)로 하여 조건부 생성적 적대 신경망(conditional generative adversarial network: cGAN)에 기반하여 학습된 생성 모델을 포함하는,
컴퓨팅 장치.
processor; and
It is electrically connected to the processor and includes a memory in which at least one code (code) executed by the processor is stored,
The memory, when executed by the processor, causes the processor to:
A Garbor hologram is provided, and a first phase image restored from the heirloom hologram is input to a machine learning-based learning model to generate a second phase image from which noise has been removed. save the code to
The learning model is a generation learned based on a conditional generative adversarial network (cGAN) with a phase image restored from an off-axis digital hologram and noise removed as a label. including the model,
computing device.
제7 항에 있어서,
상기 제2 위상 영상은 트윈 영상(twin part) 및 제로 오더(zero order) 파트가 제거된 위상 영상인,
컴퓨팅 장치.
8. The method of claim 7,
The second phase image is a phase image from which twin parts and zero order parts are removed,
computing device.
제7 항에 있어서,
상기 생성 모델은 상기 비 광축 디지털 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 리얼 파트 및 트윈 영상을 동일한 주파수 영역으로 이동시킨 위상 영상을 입력으로 하고,
상기 생성 모델의 레이블은 상기 비 광축 디지털 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 트윈 영상 및 제로 오더 파트를 제거한 위상 영상인,
컴퓨팅 장치.
8. The method of claim 7,
The generation model receives a phase image obtained by moving the real part and twin images of the phase image restored from the non-optical digital hologram to the same frequency domain as input,
The label of the generative model is a phase image obtained by removing a twin image and a zero-order part of a phase image restored from the non-optical axis digital hologram,
computing device.
제7 항에 있어서,
상기 생성 모델은 상기 비 광축 디지털 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 노이즈를 동일한 주파수 영역으로 중첩시킨 위상 영상을 입력으로 하여 학습된 생성 모델인,
컴퓨팅 장치.
8. The method of claim 7,
The generative model is a generative model learned by inputting a phase image obtained by superimposing noise of a phase image restored from the non-optical-axis digital hologram in the same frequency domain as an input,
computing device.
제7 항에 있어서,
상기 생성 모델은 상기 비 광축 디지털 홀로그램으로부터 획득된 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상을 입력으로 하여 학습된 생성 모델인,
컴퓨팅 장치.
8. The method of claim 7,
The generative model is a generative model learned by inputting the phase image restored from the heirloom hologram obtained from the non-optical axis digital hologram as an input,
computing device.
제7 항에 있어서,
상기 학습 모델은
가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상으로부터 노이즈가 제거된 위상 영상을 생성하도록 훈련되는 상기 생성 모델 및 상기 생성 모델이 생성한 위상 영상이 실제 위상 영상인지 생성된 위상 영상인지 판별 하도록 훈련되는 판별 모델이 서로 적대적으로 경쟁하여 훈련된 학습 모델인,
컴퓨팅 장치.
8. The method of claim 7,
The learning model is
The generative model trained to generate a noise-removed phase image from the phase image reconstructed from the heirloom hologram and the discrimination model trained to determine whether the phase image generated by the generative model is an actual phase image or a generated phase image are antagonistic to each other A learning model trained by competing with
computing device.
제7 항에 있어서,
상기 메모리는 상기 프로세서를 통해 실행될 때 상기 프로세서가, 제1 외부 장치로부터 네트워크를 통해 상기 제1 위상 영상을 수신하고, 생성된 상기 제2 위상 영상을 상기 제1 외부 장치로 전송하도록 야기하는 코드를 더 저장하는,
컴퓨팅 장치.
8. The method of claim 7,
the memory stores code that, when executed by the processor, causes the processor to receive the first phase image from a first external device over a network, and transmit the generated second phase image to the first external device; to save more,
computing device.
제7 항에 있어서,
상기 메모리는 상기 프로세서를 통해 실행될 때 상기 프로세서가, 상기 생성 모델을 제2 외부 장치로부터 제공 받도록 야기하는 코드를 더 저장하는,
컴퓨팅 장치.
8. The method of claim 7,
wherein the memory further stores code that, when executed by the processor, causes the processor to receive the generation model from a second external device;
computing device.
프로세서; 및
상기 프로세서와 전기적으로 연결되고, 상기 프로세서에서 수행되는 적어도 하나의 코드(code)가 저장되는 메모리를 포함하고,
상기 메모리는 상기 프로세서를 통해 실행될 때 상기 프로세서가 조건부 생성적 적대 신경망(conditional generative adversarial network: cGAN)에 기반하여 생성 모델 및 판별 모델을 포함하는 학습 모델을 훈련하고, 가보 홀로그램(Garbor hologram)으로부터 복원된 제1 위상 영상(phase image)으로부터 노이즈가 제거된 제2 위상 영상을 생성하도록 훈련되는 상기 생성 모델 및 생성된 상기 제2 위상 영상이 실제 위상 영상인지 생성된 위상 영상인지 판별 하도록 훈련되는 상기 판별 모델이 서로 적대적으로 경쟁하여 훈련되도록 야기하는 코드를 저장하는,
학습 모델 훈련 장치.
processor; and
It is electrically connected to the processor and includes a memory in which at least one code (code) executed by the processor is stored,
When the memory is executed through the processor, the processor trains a learning model including a generative model and a discriminant model based on a conditional generative adversarial network (cGAN), and recovers from a Garbor hologram. The generative model is trained to generate a second phase image in which noise is removed from the first phase image, and the discrimination trained to determine whether the generated second phase image is an actual phase image or a generated phase image. stores the code that causes the models to compete against each other to be trained;
Learning model training device.
제15 항에 있어서,
상기 제1 위상 영상은 비 광축 디지털 홀로그램(off-axis digital hologram)으로부터 획득된 가보 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상인,
학습 모델 훈련 장치.
16. The method of claim 15,
The first phase image is a phase image restored from a heirloom hologram obtained from an off-axis digital hologram,
Learning model training device.
제15 항에 있어서,
상기 제1 위상 영상은 비 광축 디지털 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 리얼 파트 및 트윈 영상을 동일한 주파수 영역으로 이동시킨 위상 영상인,
학습 모델 훈련 장치.
16. The method of claim 15,
The first phase image is a phase image obtained by moving the real part and twin images of the phase image restored from the non-optical axis digital hologram to the same frequency domain,
Learning model training device.
제15 항에 있어서,
상기 생성 모델은 비 광축 디지털 홀로그램(off-axis digital hologram)으로부터 복원된 위상 영상의 리얼 파트(real part) 및 트윈 영상(twin part)를 동일한 주파수 영역으로 이동시킨 위상 영상을 입력으로 하고,
상기 생성 모델의 레이블(lable)은 상기 비 광축 디지털 홀로그램으로부터 복원된 위상 영상의 트윈 영상 및 제로 오더 파트를 제거한 위상 영상인,
학습 모델 훈련 장치.
16. The method of claim 15,
The generation model receives a phase image obtained by moving a real part and a twin part of a phase image restored from an off-axis digital hologram to the same frequency domain as input,
The label of the generative model is a phase image obtained by removing a twin image and a zero-order part of a phase image restored from the non-optical axis digital hologram,
Learning model training device.
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WO2020131864A1 (en) * 2018-12-18 2020-06-25 Pathware Inc. Computational microscopy based-system and method for automated imaging and analysis of pathology specimens
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KR102190773B1 (en) * 2019-12-11 2020-12-14 인하대학교 산학협력단 Apparatus and method for speckle removal in hologram using light field conversion and deep learning

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