CN108537862B - 一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法，具体为：针对傅里叶衍射扫描显微镜，采用DPC的方法得到相位初始值；采用傅里叶衍射扫描显微镜中的低倍镜和LED阵列采集获得不同入射角度下的图像，在频域中，不同入射角度下的图像对应不同的频域孔径；以垂直入射角度所对应的图像的频域图为初始频域图，其相位值替换为相位初始值，执行迭代；迭代过程中，在空域，保持相位不变，强度替换为该频域孔径所对应的入射角度下的图像的强度，再变换回频域；依步长取下一次迭代输入的频域图，重复迭代直至所有入射角度的图像的频域图完成迭代；步长为自适应步长；再次重复迭代，直到重建的复振幅图像收敛，最终获得结果图像。

Description

一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法

技术领域

本发明涉及本发明涉及计算显微成像领域，具体涉及一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法。

背景技术

近年来，光学显微镜在生物、化学和医疗领域一直有着广泛的应用，随着显微镜和相关技术的发展，许多领域对宽视场、高分辨率、大景深、长工作距离的光学显微镜提出了需求。传统的显微镜系统的性能主要取决于显微物镜的NA(数值孔径)，较低NA值的物镜具有较大的视场和工作距离，适合观察样本的整体情况，但由于此时的截止频率为，所以无法看清细节信息；而高NA值的物镜具有较高的分辨率，可以看清细节，但工作距离短，操作不便，且视场范围小。所以基于实现大视场、高分辨率显微成像的迫切需求，目前已有机械扫描拼合，或是合成孔径成像等方法，但是，这些方法往往要求有精密的机械扫描装置或是相位检测，成本较高、难以大规模应用。

康涅狄格大学的KaikaiGuo等人提出了一种低成本的大视场显微成像系统，通过使用低成本的步进电机驱动载物台移动，并在每次移动后成像，最终将所有小视场图像拼合在一起成为一幅超大视场的图像。该方法的缺点在于需要步进电机的移动并且采集的数据量巨大。

加州理工学院的Guoan Zheng和Changhuei Yang等人提出了一种新的成像方法，称为傅里叶衍射扫描(Fourier Ptychography)，通过多次成像增大系统的等效孔径，得到突破衍射极限的空间分辨率，但该算法仍存在许多问题，例如重建高分辨率图像需要的数据较多，重建过程缓慢，由于LED斜入射的影响，暗场成像过程中的噪声不可避免，并且严重影响显微成像的图像质量。后来，清华大学的Liheng Bian等人提出了一种根据图像内容在频域中自适应的选取最有效区域来进行图像重建的方法，可以缩短重建时间。但有效区域选择的过程中，就已经丢掉了很多细节信息，恢复出的相位和强度的分辨率也会下降。

由此可见，现有的计算显微成像方法中存在的重建速度慢、噪声干扰大、最终成像分辨率较低等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法，能够自适应滤除图像重建过程中的噪声，校正每一个LED的位置偏差，进行高分辨率的显微镜成像，且提高了图像重建速度。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

S1、针对傅里叶衍射扫描显微镜，采用自适应相位对比DPC的方法，计算得到相位初始值。

S2、采用傅里叶衍射扫描显微镜中的低倍镜和LED阵列采集获得不同入射角度下的图像，在傅里叶成像频谱面上，所述不同入射角度下的图像对应不同的频域孔径，通过合成所有频域孔径对应的频域图，在空域中组成复振幅图像。

S3、以垂直入射角度所对应的图像的频域图为初始频域图，初始频域图的相位值替换为相位初始值、强度不变，垂直入射角度所对应的频域孔径为初始频域孔径。

以初始频域图作为迭代输入的频域图，执行S4。

S4、将迭代输入的频域图逆傅里叶变换到空域，在空域，初始频域图的频域孔径内，保持相位不变，强度替换为该频域孔径所对应的入射角度下的图像的强度，之后再傅里叶变换回频域，至此得到迭代结果频域图，完成一次对迭代输入的频域图的频域和空域的交替迭代。

S5、依步长计算下一迭代的频域孔径，取下一次迭代的频域孔径对应入射角度下的图像的频域图作为下一次迭代输入的频域图，执行S4的迭代，直至所有入射角度的图像的频域图均完成迭代。

步长依据每次迭代得到的迭代结果频域图的收敛效果进行重新设定。

S6、重复执行S4和S5，直到复振幅图像收敛，最终获得结果图像。

进一步地，针对所傅里叶衍射扫描显微镜，采用自适应相位对比DPC的方法，计算得到相位初始值，具体为：

对傅里叶衍射扫描显微镜中的LED阵列编程，使LED阵列分上半部分、下半部分、左半部分和右半部分分别点亮，获得四幅强度图作为傅里叶衍射扫描显微镜的预输入，采用自适应相位对比DPC的方法，通过调节优化项参数，计算最优相位传递函数，获得的对比度超过设定阈值的相位图像作为后续迭代算法的相位初始值。

进一步地，采用傅里叶衍射扫描显微镜中的低倍镜和LED阵列采集获得不同入射角度下的图像，具体为：

采用傅里叶衍射扫描显微镜中的LED阵列，依次点亮每个LED，利用傅里叶衍射扫描显微镜中的低倍镜采集每个LED点亮时的图像，即获得不同入射角度下对应的低分辨率图像集。

进一步地，S5中，步长依据每次迭代得到的迭代结果频域图的收敛效果进行重新设定，具体为：

步长初始值设为1；

针对第k次迭代，第k-1次迭代和第k次迭代后得到的结果频域图的频谱分别为O^k-1与O^k，若

γ为远小于1的数，则第k+1次迭代的步长不变；若

则第k+1次迭代的步长变为第k次迭代的步长的一半。

有益效果：

1、本发明实施例所提供的一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法，能够实现只使用低倍镜就能得到更高的对比度和分辨率的能力，只需测量强度信息就能得到相位信息，满足高分辨率与大视场相结合的要求；采用DPC方法获得初始相位值，能够极大地提高了重建高分辨率复振幅图像的速度；采用更新步长的迭代方法，能够有效的降低泊松和高斯噪声，以及LED位置偏差的影响，更为综合地提高了高分辨强度图像质量。

2、本发明实施例中给出了采用微分相位对比DPC方法获得初始相位值的具体方法，当采用基于微分相位对比DPC的傅里叶衍射扫描显微成像系统时，预处理获得的重建相位可直接用于迭代过程的初始值，相当于将迭代优化过程赋予更容易收敛的初值，因此，本发明采取将已恢复的相位作为迭代算法的相位初始值，可有效减少迭代次数。

3、本发明实施例给出了新步长的迭代方法的具体实施例，目的是为了降低噪声和LED位置偏差的影响，显著提高显微成像质量。当LED阵列依次点亮时，由于使用的LED亮度较低，边缘的LED照射到样本上的能量更低，所以采集的暗场图像集会存在很多的噪声，加上系统本身和样本本身的非理想环境，并且LED阵列在制作过程中存在LED的位置偏差，为克服重建过程中高斯噪声、泊松噪声以及位置偏差的影响，本发明在迭代过程中采取自适应步长的方法，可有效降低噪声的影响，显著提高显微成像的质量，最终达到使用低倍镜，获得具有高分辨率、大视场、长工作距离、重建速度快、降噪能力强的复振幅样本图像。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法流程图。

图2为本发明实施例所采用的基于DPC的傅里叶衍射扫描显微镜系统结构图。

图3为本发明实施例中DPC模拟示意图；

图4为本发明实施例中傅里叶衍射扫描模拟示意图；

图5为本发明实施例提供的DPC恢复初始相位的流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

请参考图1，图1示出了本发明实施例所提供的一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法，该方法包括如下步骤：

S1、针对傅里叶衍射扫描显微镜，采用自适应相位对比DPC的方法，计算得到相位初始值。

本发明实施例中所使用的基于DPC的傅里叶衍射扫描显微镜系统，其结构图如图2所示，该显微镜系统的物镜仅为4倍镜，在目镜处直接成像在CCD相机上。与传统光学显微镜不同的是，傅里叶衍射扫描显微镜的光源为特殊的LED阵列，本系统采用7×7LED阵列。

本发明实施例中，采用基于微分相位对比DPC的傅里叶衍射扫描显微成像系统，预处理获得的重建相位可直接用于迭代过程的初始值，相当于将迭代优化过程赋予更容易收敛的初值，因此，本发明采取将已恢复的相位作为迭代算法的相位初始值，可有效减少迭代次数。

基于上述考虑，本发明实施例中针对所傅里叶衍射扫描显微镜，采用自适应相位对比DPC的方法，计算得到相位初始值，具体为：

对傅里叶衍射扫描显微镜中的LED阵列编程，使LED阵列分上半部分、下半部分、左半部分和右半部分分别点亮，获得四幅强度图作为傅里叶衍射扫描显微镜的预输入，采用自适应相位对比DPC的方法，通过调节优化项参数，计算最优相位传递函数，获得的对比度超过设定阈值的相位图像作为后续迭代算法的相位初始值。本发明实施例中的设定阈值可以依据经验值设定。

通过编码该LED阵列，可以获得如图3所示的目标图序列。图3仅用点亮LED的情况代表采集的图像序列，使用DPC法获得相位的图像包括四幅，即仅点亮LED上半部分(T)、仅点亮LED下半部分(B)、仅点亮LED左半部分(L)、仅点亮LED右半部分(R)，点亮上下部分的LED时，样本水平方向的细节信息更明显，而点亮左右部分的LED时，样本竖直方向的细节信息更明显。通过傅里叶衍射扫描得获得的图像与LED阵列数目一致，用颜色的深度代表达到样本能量的多少，由于距离中心LED越远的边缘光源达到样本的能量很弱，所以LED阵列中心光源能量最多，越向外拓展，能量越低。

S2、采用傅里叶衍射扫描显微镜中的低倍镜和LED阵列采集获得不同入射角度下的图像，在傅里叶成像频谱面上，这些不同入射角度下的图像对应不同的频域孔径，通过合成所有频域孔径对应的频域图，在空域中能够组成复振幅图像。

其中采用傅里叶衍射扫描显微镜中的低倍镜和LED阵列采集获得不同入射角度下的图像，步骤具体为：

采用傅里叶衍射扫描显微镜中的LED阵列，例如具体实施例中可以采用7×7LED阵列，依次点亮每个LED，利用傅里叶衍射扫描显微镜中的低倍镜采集每个LED点亮时的图像，即获得不同入射角度下对应的低分辨率图像集。本发明实施例中傅里叶衍射扫描模拟如图4所示。

对已获得的四幅预处理图像，进行DPC相位恢复。如图5流程图所示，首先模拟计算获得四幅预处理图像需要的光源强度分布S(u′)和入瞳函数P(u′)，然后通过公式推导出相位传递函数

H_j(u)＝i[∫∫S_j(u′)P^*(u′)P(u′+u)d²u′-∫∫S_j(u′)P^*(u′)P(u′-u)d²u′]

i为复数符号，u为频域空间变量，P^*为P的共轭，imag为取虚部；j＝1、2，当j＝1时，H_j(u)表示上下两幅图像的相位传递函数；

接下来得到强度差分图

最后使用

j＝2；

为I_j的频域图；φ(u)为要求的相位；α为设定值；

通过解上述最优化方程，求解φ(u)，即可求得相位。

S3、以垂直入射角度所对应的图像的频域图为初始频域图，初始频域图的相位值替换为相位初始值、强度不变，垂直入射角度所对应的频域孔径为初始频域孔径；

以初始频域图作为迭代输入的频域图，执行S4。

S4、将迭代输入的频域图逆傅里叶变换到空域，在空域，初始频域图的频域孔径内，保持相位不变，强度替换为该频域孔径所对应的入射角度下的图像的强度，之后再傅里叶变换回频域，至此得到迭代结果频域图，完成一次对迭代输入的频域图的频域和空域的交替迭代。

S5、依步长计算下一迭代的频域孔径，取下一次迭代的频域孔径对应入射角度下的图像的频域图作为下一次迭代输入的频域图，执行S4的迭代，直至所有入射角度的图像的频域图均完成迭代。

步长依据每次迭代得到的迭代结果频域图的收敛效果进行重新设定。

S6、重复执行S4和S5，直到复振幅图像收敛，最终获得结果图像。

本发明实施例中，针对S1中步骤，当LED阵列依次点亮时，由于使用的LED亮度较低，边缘的LED照射到样本上的能量更低，所以采集的暗场图像集会存在很多的噪声，加上系统本身和样本本身的非理想环境，并且LED阵列在制作过程中存在LED的位置偏差，为克服重建过程中高斯噪声、泊松噪声以及位置偏差的影响，本发明实施例在迭代过程中采取自适应步长的方法，可有效降低噪声和LED位置偏差的影响，显著提高显微成像的质量，最终达到使用低倍镜，获得具有高分辨率、大视场、长工作距离、重建速度快、降噪能力强的复振幅样本图像。其中步长的重新设定方法具体为：

步长初始值设为1；

针对第k次迭代，第k-1次迭代和第k次迭代后得到的结果频域图的频谱分别为O^k-1与O^k，若

γ为远小于1的数，则第k+1次迭代的步长不变；若

则第k+1次迭代的步长变为第k次迭代的步长的一半。

基于本发明实施例所提供的一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法，能够实现只使用低倍镜就能得到更高的对比度和分辨率的能力，只需测量强度信息就能得到相位信息，满足高分辨率与大视场相结合的要求；采用DPC方法获得初始相位值，能够极大地提高了重建高分辨率复振幅图像的速度；采用更新步长的迭代方法，能够有效的降低泊松和高斯噪声影响，更为综合地提高了高分辨强度图像质量。

利用本发明对一系列LED依次采集的图像序列认为添加高斯噪声和泊松噪声以及LED位置偏差后，可以更准确地重建样本的复振幅信息。在本实施例中使用的LED阵列中每个相邻LED之间的距离为8.128mm，LED光源波长为629nm，传感器像素大小为2160×2560，像元大小为6.5μm，显微镜物镜为4倍镜，相应的数值孔径为0.13，光源到样本的距离设置为98mm，以Intel i7-6700K CPU,16GB DDR4内存环境配置，Windows 10系统的Matlab 2016b中运行本发明方法。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、针对所述傅里叶衍射扫描显微镜，采用自适应相位对比DPC的方法，计算得到相位初始值；

S2、采用所述傅里叶衍射扫描显微镜中的低倍镜和LED阵列采集获得不同入射角度下的图像，在傅里叶成像频谱面上，所述不同入射角度下的图像对应不同的频域孔径，通过合成所有频域孔径对应的频域图，在空域中组成复振幅图像；

S3、以垂直入射角度所对应的图像的频域图为初始频域图，初始频域图的相位值替换为相位初始值、强度不变，所述垂直入射角度所对应的频域孔径为初始频域孔径；

以所述初始频域图作为迭代输入的频域图，执行S4；

S4、将所述迭代输入的频域图逆傅里叶变换到空域，在空域，所述初始频域图的频域孔径内，保持相位不变，强度替换为该频域孔径所对应的入射角度下的图像的强度，之后再傅里叶变换回频域，至此得到迭代结果频域图，完成一次对所述迭代输入的频域图的频域和空域的交替迭代；

S5、依步长计算下一迭代的频域孔径，取下一次迭代的频域孔径对应入射角度下的图像的频域图作为下一次迭代输入的频域图，执行S4的迭代，直至所有入射角度的图像的频域图均完成迭代；

所述步长依据每次迭代得到的迭代结果频域图的收敛效果进行重新设定，具体为：

步长初始值设为1；

针对第k次迭代，第k-1次迭代和第k次迭代后得到的结果频域图的频谱分别为O^k-1与O^k，若

γ为远小于1的数，则第k+1次迭代的步长不变；若

则第k+1次迭代的步长变为第k次迭代的步长的一半；

S6、重复执行S4和S5，直到所述复振幅图像收敛，最终获得结果图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述针对所傅里叶衍射扫描显微镜，采用自适应相位对比DPC的方法，计算得到相位初始值，具体为：

对所述傅里叶衍射扫描显微镜中的LED阵列编程，使LED阵列分上半部分、下半部分、左半部分和右半部分分别点亮，获得四幅强度图作为所述傅里叶衍射扫描显微镜的预输入，采用自适应相位对比DPC的方法，通过调节优化项参数，计算最优相位传递函数，获得的对比度超过设定阈值的相位图像作为后续迭代算法的相位初始值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述采用所述傅里叶衍射扫描显微镜中的低倍镜和LED阵列采集获得不同入射角度下的图像，具体为：

采用所述傅里叶衍射扫描显微镜中的LED阵列，依次点亮每个LED，利用所述傅里叶衍射扫描显微镜中的低倍镜采集每个LED点亮时的图像，即获得不同入射角度下对应的低分辨率图像集。

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