CN106067166A - 一种显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集方法 - Google Patents
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Abstract
一种显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集方法，包括如下步骤：根据显微成像系统的成像模型和图像采集的参数，生成大空间三维点扩散函数，以其中心进行对称截取，得到一系列不同空间大小的三维点扩散函数；计算各三维点扩散函数归一化能量，构成三维点扩散函数空间大小和相应能量数据集；设定序列能量区域，获取相应区域的最小空间三维点扩散函数，实现显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集。该方法能够在确定三维点扩散函数能量大小的基础上，获得最小的三维点扩散函数空间大小，在相同算法的情况下获得最短的图像去卷积复原处理时间，提高复原效率。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种基于能量的显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集方法，该方法是数字共焦显微技术中三维生物显微图像复原处理中三维点扩散函数选取的一个重要环节，属于数字图像复原处理技术领域。该方法的应用，可按照一般观察浏览和分析测量的不同需要，结合复原效果和处理时间的综合权衡考虑，在作出三维点扩散函数不同能量大小选取的基础上，获得最小的三维点扩散函数空间大小。
背景技术
数字共焦显微技术以普通生物光学显微镜为基础，配置图像探测器、精密移动控制机构和电脑，采用数字图像处理技术，对采集的生物样本显微图像进行复原处理，消除焦面以外的散焦的影响，以提高细胞图像的分辨率。
数字共焦显微技术中的复原处理，采用的是三维显微图像去卷积复原方法。表征显微镜光学系统的三维点扩散函数，直接决定着去卷积复原处理的效果。三维点扩散函数越准确地反映显微镜光学系统的能量分布，复原效果越好。在此基础上，三维点扩散函数能量越大，复原效果越好。但在相同能量的情况下，三维点扩散函数有多种不同的结构，以致有多种不同的空间大小。空间大小越小，图像去卷积复原处理的时间越短，速度越快，复原效率越高。因此，在确定了三维点扩散函数能量之后，如何获得尽可能小的空间大小三维点扩散函数，是数字共焦技术中三维显微图像去卷积复原处理中需要解决的一个重要问题。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集方法。该方法能够在确定三维点扩散函数能量大小的基础上，获得最小的三维点扩散函数空间大小，在相同算法的情况下获得最短的图像去卷积复原处理时间，提高复原效率。
本发明通过以下技术方案达到上述目的：一种显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集方法，包括如下步骤：
1)根据显微成像系统的成像模型和图像采集的参数，生成大空间三维点扩散函数h(M,N,L)，对大空间三维点扩散函数h(M,N,L)以其中心进行对称截取，得到一系列不同空间大小的三维点扩散函数h(m,n,l)；
2)计算大空间三维点扩散函数h(M,N,L)和各三维点扩散函数h(m,n,l)的能量，并以大空间三维点扩散函数h(M,N,L)的能量值为基准进行能量归一化，构成各三维点扩散函数h(m,n,l)空间大小和相应能量数据集；
3)在能量值0至1的范围内，设定序列能量区域，在每个能量区域范围遍历三维点扩散函数数据集，获取空间区域大小最小的三维点扩散函数，实现显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集。
所述的大空间三维点扩散函数h(M,N,L)，是根据显微成像系统的成像模型和图像采集的参数，包括显微镜物镜放大倍数、数值孔径参数、光源波长、相机靶面大小和分辨率以及切片层距参数，生成相应大空间M×N×L三维矩阵形式的三维点扩散函数，其中M＝N，为较大的整数奇数，L为一个较大的奇数，L＝M或者L≠M。
所述的大空间三维点扩散函数h(M,N,L)以其中心进行对称截取，是以大空间三维点扩散函数h(M,N,L)中心为对称点向三维点扩散函数径向x、y和三维点扩散函数轴向z方向进行所有矩阵元素组合的对称截取，得到一系列空间大小为3×3×3、3×3×5、…、3×3×L、5×5×3、5×5×5、…、5×5×L、…、M×N×L的三维点扩散函数h(m,n,l)，其中m＝n。
所述的在能量值0至1的范围内，设定序列能量区域是指将能量值0至1的范围，划分N等份，得到的N个能量值区域。
所述的空间区域大小最小的三维点扩散函数是指在某一个能量值区域内，所有相应的三维点扩散函数h(m,n,l)中，其三维矩阵空间最小，矩阵元素最少。
本发明的突出效果在于：
数字共焦显微技术中的复原处理，采用的是三维显微图像去卷积复原方法。表征显微镜光学系统的三维点扩散函数，直接决定着去卷积复原处理的效果和时间。在三维点扩散函数准确反映显微镜光学系统的能量分布、以及根据不同复原效果需要确定三维点扩散函数能量大小的基础上，三维点扩散函数空间大小越小，图像去卷积复原处理的时间越短，速度越快，复原效率越高。本发明能够在确定三维点扩散函数能量大小的基础上，获得最小的三维点扩散函数空间大小，在相同算法的情况下获得最短的图像去卷积复原处理时间，提高复原效率。
四、附图说明
图1大空间三维点扩散函数h(M,N,L)。
图2对大空间三维点扩散函数h(M,N,L)以其中心进行对称截取。
图3不同空间大小的三维点扩散函数h(m,n,l)。
五、具体实施方式
以下通过实例对本发明的技术方案进一步详细描述。
本发明所述的显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集方法，包括以下步骤：
(1)大空间三维点扩散函数h(21,21,21)生成
设显微成像系统图像采集的参数，显微镜物镜放大倍数40倍、数值孔径为0.6、光源波长550nm、CCD相机靶面大小1/3英寸，分辨率640×480，切片层距0.3215μm，生成M×N×L为21×21×21的大空间三维点扩散函数h(M,N,L)，其中M＝N＝21，L＝21；
(2)不同空间大小三维点扩散函数h(m,n,l)的截取
设置一个离散直角坐标系A(m,n,l)，大空间三维点扩散函数h(M,N,L)的中心与直角坐标原点重合。对大空间三维点扩散函数h(M,N,L)，自其中心原点向坐标系m,n,l各轴分别对称截取大小m＝n＝3、5、7、…、21，l为3、5、7、…、21，得到一系列不同空间大小为3×3×3、3×3×5、…、3×3×21、5×5×3、5×5×5、…、5×5×21、…、21×21×21的三维点扩散函数h(m,n,l)。
(3)建立三维点扩散函数能量数据集
以h2(m,n,l)计算各不同空间大小三维点扩散函数h(m,n,l)中各坐标点的能量值，累计相加得到各三维点扩散函数h(m,n,l)的能量。以大空间三维点扩散函数h(M,N,L)的能量为基准，对各三维点扩散函数h(m,n,l)进行能量归一化，得到各点扩散函数h(m,n,l)的能量比，获得的各不同空间大小三维点扩散函数归一化能量数据集，如表1所示。
表1.各不同空间大小三维点扩散函数归一化能量数据集(40x)
(4)在归一化能量值0至1的范围内，划分N等份，得到N个能量间隔点，每个能量间隔为ΔE＝1/N。设定间隔点的能量偏差Δe。
(5)以能量值0为起点，以能量间隔ΔE为步进距离，以能量值1为终点进行步进，每步进所达到的能量值为i×ΔE，其中i＝1，2，…，N。
(6)在每一步进所达到的能量值范围i×ΔE±Δe内，遍历三维点扩散函数能量数据集，获取相应能量值范围的空间区域大小最小的三维点扩散函数。
(7)由能量值0至1完成各步进，实现显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集，如表2所示。
表.2三维点扩散函数最小空间集(40x)
| 能量范围 | 三维点扩散函数 | 空间大小 | 能量大小 |
| 0.25-0.35 | h3_3_3 | 27 | 0.343 |
| 0.3-0.4 | h5_5_3 | 75 | 0.394 |
| 0.35-0.45 | h7_7_3 | 147 | 0.415 |
| 0.45-0.55 | h3_3_5 | 45 | 0.510 |
| 0.55-0.65 | h3_3_7 | 63 | 0.619 |
| 0.6-0.7 | h3_3_9 | 81 | 0.682 |
| 0.65-0.75 | h3_3_11 | 99 | 0.711 |
| 0.7-0.8 | h5_5_9 | 225 | 0.781 |
| 0.75-0.85 | h5_5_11 | 275 | 0.819 |
| 0.8-0.9 | h7_7_11 | 539 | 0.859 |
| 0.85-0.95 | h7_7_17 | 833 | 0.908 |
| 0.9-1 | h9_9_19 | 1539 | 0.953 |
| —— | h21_21_21 | 9261 | 1 |
Claims (4)
1.一种显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据显微成像系统的成像模型和图像采集的参数，生成大空间三维点扩散函数h(M,N,L)，对大空间三维点扩散函数h(M,N,L)以其中心进行对称截取，得到一系列不同空间大小的三维点扩散函数h(m,n,l)；
2)计算大空间三维点扩散函数h(M,N,L)和各三维点扩散函数h(m,n,l)的能量，并以大空间三维点扩散函数h(M,N,L)的能量值为基准进行能量归一化，构成各三维点扩散函数h(m,n,l)空间大小和相应能量数据集；
3)在能量值0至1的范围内，设定序列能量区域，在每个能量区域范围遍历三维点扩散函数数据集，获取空间区域大小最小的三维点扩散函数，实现显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集。
2.根据权利要求1所述的显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集方法，其特征在于，所述的大空间三维点扩散函数h(M,N,L)是根据显微成像系统的成像模型和图像采集的参数，包括显微镜物镜放大倍数、数值孔径参数、光源波长、相机靶面大小和分辨率以及切片层距参数，生成相应大空间M×N×L三维矩阵形式的三维点扩散函数，其中M＝N，为较大的整数奇数，L为一个较大的奇数，L＝M或者L≠M。
3.根据权利要求1所述的显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集方法，其特征在于，所述的大空间三维点扩散函数h(M,N,L)以其中心进行对称截取是以大空间三维点扩散函数h(M,N,L)中心为对称点向三维点扩散函数径向x、y和三维点扩散函数轴向z方向进行所有矩阵元素组合的对称截取，得到一系列空间大小为3×3×3、3×3×5、…、3×3×L、5×5×3、5×5×5、…、5×5×L、…、M×N×L的三维点扩散函数h(m,n,l),其中m＝n。
4.根据权利要求1所述的显微成像系统三维点扩散函数最小空间集的采集方法，其特征在于，所述的空间区域大小最小的三维点扩散函数是指在某一个能量值区域内，所有相应的三维点扩散函数h(m,n,l)中，其三维矩阵空间最小，矩阵元素最少。
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