CN105259155A - 一种快速非侵入式半透明成像方法及装置 - Google Patents

一种快速非侵入式半透明成像方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN105259155A
CN105259155A CN201510786943.6A CN201510786943A CN105259155A CN 105259155 A CN105259155 A CN 105259155A CN 201510786943 A CN201510786943 A CN 201510786943A CN 105259155 A CN105259155 A CN 105259155A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fluorescence intensity
intensity matrix
matrix
translucent
complete
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510786943.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105259155B (zh
Inventor
金欣
魏开运
戴琼海
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Original Assignee
Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Graduate School Tsinghua University filed Critical Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority to CN201510786943.6A priority Critical patent/CN105259155B/zh
Publication of CN105259155A publication Critical patent/CN105259155A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105259155B publication Critical patent/CN105259155B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

本发明公开了一种快速非侵入式半透明成像方法及装置，该方法包括如下步骤：S1、设定完整荧光强度矩阵I的大小；S2、随机控制激光以某个入射角度，穿过半透明散射层到达荧光物体，并获取所述完整荧光强度矩阵I中对应位置的荧光强度信号Ii，j；S3、根据所述步骤S2获取所述完整荧光强度矩阵I中设定数量阈值以上个数的荧光强度信号Ii，j，并确保所述完整荧光强度矩阵I中至少每一行、每一列具有荧光强度信号被获取；S4、根据获取的所有荧光强度信号Ii，j利用矩阵填充的方式重建所述完整荧光强度矩阵：S5、根据所述荧光强度矩阵M，利用相位恢复算法重建所述荧光物体的像。利用本发明能够大大加速非侵入式半透明成像过程，使得该方法更安全。

Description

一种快速非侵入式半透明成像方法及装置
【技术领域】
本发明涉及一种快速非侵入式半透明成像方法及装置。
【背景技术】
非侵入式半透明成像在诸如生命科学，材料科学等领域是一个极具挑战性的课题。由于半透明物体的强散射作用，光线在透过半透明物体之后，光的传播方向以及相位发生了不可预测的变化，这导致传统的几何成像方法失去作用。正常情况下，我们要得到半透明层背后物体的像，需要破坏掉半透明层，在生命科学以及材料科学领域，这往往不是我们想要发生的。无损的得到半透明层背后物体清晰的像是科学家们一直以来奋斗的目标。在这样的大背景下，基于激光扫描的非侵入式半透明成像方法应运而生。
激光束穿过半透明层后会产生激光散斑。激光散斑照射到荧光物体上会激发荧光。科学家利用激光散斑对荧光物体进行扫描，同时采集透过半透明层的由激光散斑照射荧光物体激发出的荧光信号，这样可以得到完整的荧光强度矩阵I(N×N)。根据采集的荧光强度矩阵，利用相位恢复算法可以对荧光物体进行成像。
【发明内容】
上述的现有技术中，采集完整的荧光强度矩阵I(N×N)会使得整个非侵入式半透明成像过程缓慢，同时，长时间的激光散斑照射会损伤荧光样本。
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种快速非侵入式半透明成像方法及装置，以加速非侵入式半透明成像过程，减少对荧光样本的损伤。
一种快速非侵入式半透明成像方法，包括如下步骤：
S1、设定完整荧光强度矩阵I的大小；
S2、随机控制激光以某个入射角度，穿过半透明散射层到达荧光物体，并获取所述完整荧光强度矩阵I中对应位置的荧光强度信号Ii，j；
S3、根据所述步骤S2获取所述完整荧光强度矩阵I中设定数量阈值以上个数的荧光强度信号Ii，j，并确保所述完整荧光强度矩阵I中至少每一行、每一列具有荧光强度信号被获取；
S4、根据获取的所有荧光强度信号Ii，j利用矩阵填充的方式重建所述完整荧光强度矩阵：
minimize||M||*
满足：Mi，j＝Ii，j
其中，M为重建得到的荧光强度矩阵,||M||*表示M的核范数；
S5、根据所述荧光强度矩阵M，利用相位恢复算法重建所述荧光物体的像。
优选地，所述设定数量阈值为所述完整荧光强度矩阵元素数量的40％。
优选地，在步骤S3中所述个数为所述完整荧光强度矩阵元素数量的40％-60％。
优选地，在步骤S4中，通过凸优化的方法，得到所述荧光强度矩阵M。
本发明还提供了一种快速非侵入式半透明成像装置，包括如下单元：
第一处理单元，用于设定完整荧光强度矩阵I的大小；
第二处理单元，用于随机控制激光以某个入射角度，穿过半透明散射层到达荧光物体，并获取所述完整荧光强度矩阵I中对应位置的荧光强度信号Ii，j；
第三处理单元，用于根据所述步骤S2获取所述完整荧光强度矩阵I中设定数量阈值以上个数的荧光强度信号Ii，j，并确保所述完整荧光强度矩阵I中至少每一行、每一列具有荧光强度信号被获取；
第四处理单元，用于根据获取的所有荧光强度信号Ii，j利用矩阵填充的方式重建所述完整荧光强度矩阵：
minimize||M||*
满足：Mi，j＝Ii，j
其中，M为重建得到的荧光强度矩阵,||M||*表示M的核范数；
第五处理单元，用于根据所述荧光强度矩阵M，利用相位恢复算法重建所述荧光物体的像。
优选地，所述设定数量阈值为所述完整荧光强度矩阵元素数量的40％。
优选地，所述个数为所述完整荧光强度矩阵元素数量的40％-60％。
优选地，在第四处理单元中，通过凸优化的方法，得到所述荧光强度矩阵M。
本发明的有益效果是：
本方案中，矩阵填充利用了矩阵的低秩性以及矩阵的少量元素，并利用凸优化的方法，重建完整的荧光强度矩阵。
利用本发明能够大大加速非侵入式半透明成像过程，使得该方法更安全。
【附图说明】
图1是本发明一种实施例的快速非侵入式半透明成像方法的流程图；
图2是本发明一种实施例的快速非侵入式半透明成像装置的示意图。
【具体实施方式】
以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。
如图1和2所示，一种快速非侵入式半透明成像装置的示意图。如图2所示，当激光束垂直穿过第一片半透明散射层1时，会在荧光物体2平面上产生激光散斑，激光散斑会激发荧光物体发出荧光。当激发出的荧光信号透过第二片半透明散射层3时，放置在第二片半透明散射层后的CCD相机4可以成功收集荧光信号。在荧光物体平面上产生的激光散斑记为S(x，y),荧光物体的分布记为O(x，y)，则激光束垂直入射时CCD相机采集到的荧光总量为：
I(0，0)＝∫∫S(x，y)O(x，y)dxdy
由于激光散斑具有“记忆效应”，当激光束旋转一个较小的角度θ＝(θx，θy)时，激光散斑不会发生形变，仅仅只是在荧光物体平面上移动一段距离(Δx，Δy)＝(d1θx，d1θy)(d1为半透明介质与荧光物体平面之间的距离)。此时，CCD相机采集到的荧光总量为：
I(θx，θy)＝∫∫S(x+d1θx，y+d1θy)O(x，y)dxdy
利用CCD相机可以采集不同入射角度下透过半透明介质的荧光信号，得到完整的荧光强度矩阵I(N×N)。荧光物体的信息包含在I(N×N)之中：
I＊I＝(S＊S)*(O＊O)
其中，＊表示自相关符号，*表示卷积符号。因为散斑函数S(x，y)的自相关函数是尖峰函数，因此我们可以很容易得到：
I＊I≈O＊O
由傅里叶变换，可以推出：
因此，根据I(N×N)，我们可以顺利得到O(N×N)的傅里叶频谱的模。根据傅里叶频谱的模，利用相位恢复算法可以重建荧光物体的图像。
虽然基于激光扫描的非侵入式半透明成像方法可以成功地得到荧光物体的像，但是采集完整的荧光强度矩阵I(N×N)会使得整个非侵入式半透明成像过程缓慢，同时，长时间的激光散斑照射会损伤荧光样本。为了加速非侵入式半透明成像过程，减少对荧光样本的损伤，在本实施例中提出了一种快速非侵入式半透明成像方法。
在一些实施例中，一种快速非侵入式半透明成像方法包括以下步骤：
S1、设定完整荧光强度矩阵I的大小，例如完整荧光强度矩阵I的大小为N×N。
S2、随机控制激光以某个入射角度，穿过半透明散射层到达荧光物体，并获取所述完整荧光强度矩阵I中对应位置的荧光强度信号Ii，j，也即对完整荧光强度矩阵I中的元素进行随机采样。
S3、根据所述步骤S2获取所述完整荧光强度矩阵I中设定数量阈值以上个数的荧光强度信号Ii，j，并确保所述完整荧光强度矩阵I中至少每一行、每一列具有荧光强度信号被获取。
S4、根据获取的所有荧光强度信号Ii，j利用矩阵填充的方式来重建完整荧光强度矩阵I(N×N)，其可以表示为如下的优化问题：
minimize||M||*
满足：Mi，j＝Ii，j
其中，M为重建得到的荧光强度矩阵,||M||*表示M的核范数。在一个实施例中，可以通过凸优化(SVT(singularvaluethresholdingalgorithm))的方法，可以得到上述优化问题的解荧光强度矩阵M。SVT是个迭代算法，可以参见一下链接：http://epubs.siam.org/doi/abs/10.1137/080738970
S5、根据所述荧光强度矩阵M，利用相位恢复算法重建所述荧光物体的像。
在一些实施例中，所述设定数量阈值为所述完整荧光强度矩阵元素数量的40％，这样才能保证恢复得到的荧光强度矩阵M更准确、更接近原来的完整荧光强度矩阵I。
在一些实施例中，荧光强度信号Ii，j个数为所述完整荧光强度矩阵元素数量的40％-60％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种快速非侵入式半透明成像方法，其特征是，包括如下步骤：
S1、设定完整荧光强度矩阵I的大小；
S2、随机控制激光以某个入射角度，穿过半透明散射层到达荧光物体，并获取所述完整荧光强度矩阵I中对应位置的荧光强度信号Ii，j；
S3、根据所述步骤S2获取所述完整荧光强度矩阵I中设定数量阈值以上个数的荧光强度信号Ii，j，并确保所述完整荧光强度矩阵I中至少每一行、每一列具有荧光强度信号被获取；
S4、根据获取的所有荧光强度信号Ii，j利用矩阵填充的方式重建所述完整荧光强度矩阵：
minimize||M||*
满足：Mi，j＝Ii，j
其中，M为重建得到的荧光强度矩阵,||M||*表示M的核范数；
S5、根据所述荧光强度矩阵M，利用相位恢复算法重建所述荧光物体的像。
2.如权利要求1所述的快速非侵入式半透明成像方法，其特征是，所述设定数量阈值为所述完整荧光强度矩阵元素数量的40％。
3.如权利要求1所述的快速非侵入式半透明成像方法，其特征是，在步骤S3中所述个数为所述完整荧光强度矩阵元素数量的40％-60％。
4.如权利要求1所述的快速非侵入式半透明成像方法，其特征是，在步骤S4中，通过凸优化的方法，得到所述荧光强度矩阵M。
5.一种快速非侵入式半透明成像装置，其特征是，包括如下单元：
第一处理单元，用于设定完整荧光强度矩阵I的大小；
第二处理单元，用于随机控制激光以某个入射角度，穿过半透明散射层到达荧光物体，并获取所述完整荧光强度矩阵I中对应位置的荧光强度信号Ii，j；
第三处理单元，用于根据所述步骤S2获取所述完整荧光强度矩阵I中设定数量阈值以上个数的荧光强度信号Ii，j，并确保所述完整荧光强度矩阵I中至少每一行、每一列具有荧光强度信号被获取；
第四处理单元，用于根据获取的所有荧光强度信号Ii，j利用矩阵填充的方式重建所述完整荧光强度矩阵：
minimize||M||*
满足：Mi，j＝Ii，j
其中，M为重建得到的荧光强度矩阵,||M||*表示M的核范数；
第五处理单元，用于根据所述荧光强度矩阵M，利用相位恢复算法重建所述荧光物体的像。
6.如权利要求5所述的快速非侵入式半透明成像装置，其特征是，所述设定数量阈值为所述完整荧光强度矩阵元素数量的40％。
7.如权利要求5所述的快速非侵入式半透明成像装置，其特征是，所述个数为所述完整荧光强度矩阵元素数量的40％-60％。
8.如权利要求5所述的快速非侵入式半透明成像装置，其特征是，在第四处理单元中，通过凸优化的方法，得到所述荧光强度矩阵M。
CN201510786943.6A 2015-11-16 2015-11-16 一种快速非侵入式半透明成像方法及装置 Active CN105259155B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510786943.6A CN105259155B (zh) 2015-11-16 2015-11-16 一种快速非侵入式半透明成像方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510786943.6A CN105259155B (zh) 2015-11-16 2015-11-16 一种快速非侵入式半透明成像方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105259155A true CN105259155A (zh) 2016-01-20
CN105259155B CN105259155B (zh) 2017-12-19

Family

ID=55098925

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510786943.6A Active CN105259155B (zh) 2015-11-16 2015-11-16 一种快速非侵入式半透明成像方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105259155B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106290285A (zh) * 2016-09-20 2017-01-04 清华大学深圳研究生院 一种基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法
CN109828371A (zh) * 2019-03-28 2019-05-31 清华大学深圳研究生院 一种基于移动散斑光源的大视场散射成像方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050179903A1 (en) * 2004-02-09 2005-08-18 Olympus Corporation Total internal reflection fluorescence microscope
CN101396262A (zh) * 2008-10-31 2009-04-01 清华大学 一种基于线性关系的荧光分子断层成像重建方法
CN104376538A (zh) * 2014-11-26 2015-02-25 清华大学深圳研究生院 一种图像的稀疏去噪方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050179903A1 (en) * 2004-02-09 2005-08-18 Olympus Corporation Total internal reflection fluorescence microscope
CN101396262A (zh) * 2008-10-31 2009-04-01 清华大学 一种基于线性关系的荧光分子断层成像重建方法
CN104376538A (zh) * 2014-11-26 2015-02-25 清华大学深圳研究生院 一种图像的稀疏去噪方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JACOPO BERTOLOTTI等: "《Non-invasive imaging through opaque scattering layers》", 《NATURE》 *
ROMAN ZEYDE等: "《On Single Image Scale-Up Using Sparse-Representations》", 《CURVES AND SURFACES》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106290285A (zh) * 2016-09-20 2017-01-04 清华大学深圳研究生院 一种基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法
CN106290285B (zh) * 2016-09-20 2019-04-16 清华大学深圳研究生院 一种基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法
CN109828371A (zh) * 2019-03-28 2019-05-31 清华大学深圳研究生院 一种基于移动散斑光源的大视场散射成像方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105259155B (zh) 2017-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ancuti et al. Ntire 2018 challenge on image dehazing: Methods and results
CN105704371B (zh) 一种光场重聚焦方法
CN107133627A (zh) 红外光斑中心点提取方法及装置
CN101909525A (zh) 图像处理方法、装置以及断层摄影装置
CN104469183B (zh) 一种x射线闪烁体成像系统的光场捕捉和后处理方法
JP2011050049A5 (zh)
JP5615247B2 (ja) 撮像装置、検出装置および撮像方法
CN111325748A (zh) 一种基于卷积神经网络的红外热像无损检测方法
CN109903282B (zh) 一种细胞计数方法、系统、装置和存储介质
CN103308452A (zh) 一种基于景深融合的光学投影断层成像图像获取方法
RU2018113713A (ru) Представление данных светового поля
CN105388135B (zh) 一种非侵入式激光扫描成像方法
CN102878934A (zh) 基于信息融合技术的立木综合检测装置
CN106646511A (zh) 一种激光反射层析成像投影数据的重构处理方法
CN105259155A (zh) 一种快速非侵入式半透明成像方法及装置
Chandramouli et al. A bit too much? High speed imaging from sparse photon counts
CN108665484A (zh) 一种基于深度学习的危险源识别方法与系统
CN110634165B (zh) 一种基于rgb三通道信息融合的光场图像去散射方法
CN103004322B (zh) 一种玉米果穗性状检测装置
CN110827375B (zh) 一种基于微光图像的红外图像真彩着色方法及系统
CN111881803A (zh) 一种基于改进YOLOv3的畜脸识别方法
TW201531282A (zh) 穿透式輻射成像之方法、系統及光源
CN104599246B (zh) 一种星敏感器行像元噪声自适应滤除方法
CN102739948A (zh) 基于数据削减的超分辨定位成像系统及方法
CN104062272B (zh) 一种适用于高速连续超分辨定位成像方法及系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant