JP2010117175A - Image processing system, image processing method, program, and recording medium - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image processing system capable of detecting a target particle image from an image of a low S/N ratio in a short time with high precision. <P>SOLUTION: The image processing system 1 includes: a partial image extracting part 11 for extracting a plurality of partial images from the whole image; an image memory part 161 in which the image data of a reference particle image simulating the target particle image is stored; a peak detecting part 12 for detecting the peak of the similarity distribution between the respective partial images and the reference particle image with respect to the respective partial images; a vector calculating part 13 for calculating the position setting vector reaching the position of the peak from the predetermined reference positions in the respective partial images; and a peak distribution forming part 14 for setting the position of the peak at the position indicated by the position setting vector to form a two-dimensional peak distribution. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、画像に現れている多数の粒子像を検出し得る画像処理技術に関し、特に、電子顕微鏡像のような低S/N比の画像に現れている粒子像を検出し得る画像処理技術に関する。   The present invention relates to an image processing technique capable of detecting a large number of particle images appearing in an image, and in particular, an image processing technique capable of detecting a particle image appearing in an image having a low S / N ratio such as an electron microscope image. About.

タンパク質の複合体、核酸、脂質あるいは多糖類などの生体高分子の立体構造を解析する従来技術として、生体高分子を結晶化させた試料を作成し、この試料をX線結晶構造解析法により解析し評価するという技術が使用されている。ところが、かかる技術は試料の結晶化を必要とするため、膜タンパク質などの結晶化が困難な試料の解析にこの技術を適用することができなかった。なお、核磁気共鳴(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)法は、試料の結晶化を必要としないものの、大きな分子量を有する生体高分子を解析することが一般に難しい。   As a conventional technique for analyzing the three-dimensional structure of biopolymers such as protein complexes, nucleic acids, lipids or polysaccharides, a sample prepared by crystallizing biopolymers is prepared, and this sample is analyzed by X-ray crystal structure analysis. Technology is used. However, since this technique requires crystallization of a sample, this technique could not be applied to analysis of a sample that is difficult to crystallize such as membrane protein. In addition, although the nuclear magnetic resonance (NMR) method does not require crystallization of a sample, it is generally difficult to analyze a biopolymer having a large molecular weight.

そこで、試料の結晶化を必要としない方法として、極低温透過型電子顕微鏡(Cryo-TEM:Cryo-Transmission Electron Microscope)を用いてタンパク質の構造解析を行う単粒子構造解析法が提案されている。この単粒子構造解析法は、極低温透過型電子顕微鏡中で極低温に冷却された試料から得た高解像度のTEM画像を使用する。試料には、多数の粒子状の生体高分子(以下「粒子」と呼ぶ。)が含まれており、これら生体高分子はランダムな方向を向いている。単粒子構造解析法は、このTEM画像から個々の粒子を表す局所画像(以下「粒子画像」と呼ぶ。)を切り出し、これら粒子画像に基づいて粒子の3次元構造を推定する方法である。この方法によれば、同一方向を向いた粒子の粒子画像を加算平均することにより、画像のノイズ成分を低減させることができる。   Thus, as a method that does not require crystallization of a sample, a single particle structure analysis method has been proposed in which protein structure analysis is performed using a cryogenic transmission electron microscope (Cryo-TEM). This single particle structure analysis method uses a high-resolution TEM image obtained from a sample cooled to a cryogenic temperature in a cryogenic transmission electron microscope. The sample contains a large number of particulate biopolymers (hereinafter referred to as “particles”), and these biopolymers are oriented in random directions. The single particle structure analysis method is a method of cutting out a local image (hereinafter referred to as “particle image”) representing individual particles from the TEM image and estimating the three-dimensional structure of the particles based on these particle images. According to this method, the noise component of the image can be reduced by averaging the particle images of particles directed in the same direction.

単粒子構造解析法に関する先行技術文献としては、たとえば、非特許文献1(佐藤主税他:「単粒子解析法による結晶を用いない蛋白質構造解析:電圧依存性Naチャンネルの構造を例として」,電子顕微鏡,37(1), 40-44, 2002)が挙げられる。 For example, Non-Patent Document 1 (Sato Main Tax et al .: “Protein structure analysis without using a single particle analysis method: taking the structure of a voltage-dependent Na + channel as an example” as a prior art document relating to a single particle structure analysis method, Electron microscope, 37 (1), 40-44, 2002).

以下、図1を参照しつつ、単粒子解析法の一例を説明する。図1は、非特許文献1に記載されている単粒子解析法の概要を説明するための図である。生体高分子の電子顕微鏡像は、電子線照射による試料の損傷を防ぐために分解能が制限され、ノイズ成分を多く含む画像となる。タンパク質のように電子線損傷を受けやすい生体高分子を撮像した場合、電子顕微鏡像のS/N比が低いので、電子顕微鏡の持つ本来の分解能を十分に発揮させることが難しい。それ故、1枚の電子顕微鏡像から十分な情報が得られないだけでなく、生体高分子の立体構造の再構成も容易ではないという問題がある。単粒子解析法は、かかる問題を克服する方法として注目されている。   Hereinafter, an example of the single particle analysis method will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram for explaining the outline of the single particle analysis method described in Non-Patent Document 1. The electron microscopic image of the biopolymer is an image containing a lot of noise components with limited resolution in order to prevent damage to the sample due to electron beam irradiation. When a biopolymer that is easily damaged by electron beams such as protein is imaged, the S / N ratio of the electron microscope image is low, so that it is difficult to fully exhibit the original resolution of the electron microscope. Therefore, there is a problem that not only sufficient information cannot be obtained from one electron microscope image, but also the three-dimensional structure of the biopolymer is not easily reconstructed. Single particle analysis is attracting attention as a method for overcoming such problems.

単粒子解析法では、先ず、試料の電子顕微鏡像(ELECTRON MICROGRAPH)に現れている多数の粒子を特定する。粒子の特定は、肉眼により行われる。次いで、電子顕微鏡像からこれら粒子それぞれの局所画像(粒子画像)を切り出す。次に、これら局所画像について位置合わせと回転合わせが実行される。その後、粒子画像は、粒子が向いている方向別に複数のグループに分類される。同じグループ内の粒子画像を平均化することで高S/N比の2次元平均化像(投影像)を得、当該2次元平均化像を用いて粒子の3次元立体構造を推定する。凍結法による無染色電子顕微鏡像は分子内密度を反映した投影像を与えると考えられる。よって、高S/N比の2次元平均化像から1次元に投影した像(シノグラム)を生成し、これらシノグラムを相互に比較することで各2次元平均化像に現れている粒子の3次元上の方位角(オイラー角)や共有回転軸を推定することができる(図1左下)。そして、2次元平均化像、方位角および共有回転軸に基づいて粒子の立体構造が再構成される。立体構造の再構成方法は、たとえば、非特許文献2(Joachim Frank, "Three-Dimensional Electron Microscopy of Macromolecular Assemblies", Oxford University Press, 2006, pp. 193-276)に開示されている。   In the single particle analysis method, first, a large number of particles appearing in an electron microscope image (ELECTRON MICROGRAPH) of a sample are specified. The particles are identified by the naked eye. Next, a local image (particle image) of each of these particles is cut out from the electron microscope image. Next, alignment and rotation alignment are executed for these local images. Thereafter, the particle images are classified into a plurality of groups according to the direction in which the particles are directed. A two-dimensional averaged image (projected image) with a high S / N ratio is obtained by averaging the particle images in the same group, and the three-dimensional structure of the particles is estimated using the two-dimensional averaged image. The unstained electron microscope image by the freezing method is thought to give a projected image reflecting the intramolecular density. Therefore, an image (sinogram) projected in one dimension from a two-dimensional averaged image with a high S / N ratio is generated, and these sinograms are compared with each other to compare the three-dimensional particles appearing in each two-dimensional averaged image. The upper azimuth angle (Euler angle) and the shared rotation axis can be estimated (lower left in FIG. 1). Then, the three-dimensional structure of the particles is reconstructed based on the two-dimensional averaged image, the azimuth angle, and the shared rotation axis. A method for reconstructing a three-dimensional structure is disclosed, for example, in Non-Patent Document 2 (Joachim Frank, “Three-Dimensional Electron Microscopy of Macromolecular Assemblies”, Oxford University Press, 2006, pp. 193-276).

さらに、こうして得られた立体構造から再投影像を生成し、この再投影像を利用して2次元平均化像の位置合わせをした後に、さらに平均化することで新たな2次元平均化像を生成する。そして、新たな2次元平均化像に基づいて粒子の立体構造が再構成される。このような再投影像を利用した位置合わせと立体構造の再構成というプロセスを繰り返し実行することで高い分解能で立体構造を推定することが可能となる。   Furthermore, a reprojection image is generated from the three-dimensional structure obtained in this way, and after aligning the two-dimensional averaged image using the reprojection image, a new two-dimensional averaged image is obtained by further averaging. Generate. Then, the three-dimensional structure of the particles is reconstructed based on the new two-dimensional averaged image. It is possible to estimate the three-dimensional structure with high resolution by repeatedly executing the process of positioning using such a reprojection image and the reconstruction of the three-dimensional structure.

単粒子解析法に関する先行技術文献としては、非特許文献1や非特許文献2のほかに特許文献1(特開2008−134212号公報)が挙げられる。
佐藤主税,上野豊,小椋俊彦,藤吉好則:「単粒子解析法による結晶を用いない蛋白質構造解析:電圧依存性Na+チャンネルの構造を例として」、電子顕微鏡、第37巻、第1号、第40〜44ページ(2002年)。 Joachim Frank, "Three-Dimensional Electron Microscopy of Macromolecular Assemblies", Oxford University Press, pp. 193-276 (2006). van Heel M., "Multivariate statistical classification of noisy images (randomly oriented biological macromolecules)", Ultramicroscopy, vol.13, pp.165-183 (1984). van Heel M., "Classification of very large electron microscopical image data sets", Optik, vol. 82, pp.114-126 (1989). 特開2008−134212号公報
In addition to Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-134212) is cited as a prior art document relating to a single particle analysis method.
Sato Main Tax, Yutaka Ueno, Toshihiko Ogura, Yoshinori Fujiyoshi: “Protein structure analysis without using crystals by single particle analysis: an example of the structure of voltage-dependent Na + channel”, Electron Microscope, Vol. 37, No. 1, 40-44 (2002). Joachim Frank, "Three-Dimensional Electron Microscopy of Macromolecular Assemblies", Oxford University Press, pp. 193-276 (2006). van Heel M., "Multivariate statistical classification of noisy images (randomly oriented biological macromolecules)", Ultramicroscopy, vol.13, pp.165-183 (1984). van Heel M., "Classification of very large electron microscopical image data sets", Optik, vol. 82, pp. 114-126 (1989). JP 2008-134212 A

前述の如く、単粒子解析法では、電子顕微鏡像から粒子画像を切り出すために、電子顕微鏡像に現れている多数の粒子を特定する必要があるが、各粒子の特定は肉眼により行われていた。しかしながら、電子顕微鏡像のS/N比が低く、そのコントラスト(電子顕微鏡像の最も明るい部分と最も暗い部分との輝度差の大きさ)が低い場合には、電子顕微鏡像の中から、ノイズに埋もれた数千〜数万もの粒子を肉眼で識別することは非常に難しく、また、その識別には多大な時間と熟練を要するという問題がある。   As described above, in the single particle analysis method, in order to cut out a particle image from an electron microscope image, it is necessary to identify a large number of particles appearing in the electron microscope image, but each particle is identified by the naked eye. . However, when the S / N ratio of the electron microscope image is low and the contrast (the magnitude of the luminance difference between the brightest part and the darkest part of the electron microscope image) is low, noise is detected from the electron microscope image. It is very difficult to identify thousands to tens of thousands of buried particles with the naked eye, and the identification requires a lot of time and skill.

肉眼で粒子を識別する代わりに、パターンマッチング法により、参照画像(テンプレート)を用いて電子顕微鏡像の中から粒子を探し出す画像処理を利用すれば、短時間で粒子を特定することができる。しかしながら、単なるパターンマッチング法では、粒子の検出精度が非常に低いという問題がある。   Instead of identifying the particles with the naked eye, it is possible to identify the particles in a short time by using image processing for searching for particles from an electron microscope image using a reference image (template) by a pattern matching method. However, the simple pattern matching method has a problem that the particle detection accuracy is very low.

上記に鑑みて本発明の目的は、生体高分子のような粒子像を低S/N比の画像の中から高精度かつ短時間で検出し得る画像処理システム、画像処理方法、プログラムおよび記録媒体を提供することである。   In view of the above, an object of the present invention is to provide an image processing system, an image processing method, a program, and a recording medium capable of detecting a particle image such as a biopolymer from an image having a low S / N ratio with high accuracy and in a short time. Is to provide.

本発明によれば、複数の対象粒子像を含む全体画像から複数の部分画像を抽出する部分画像抽出部と、前記対象粒子像を模した参照粒子像の画像データが格納されている画像記憶部と、前記各部分画像について当該各部分画像と前記参照粒子像との間の類似度分布を算出し、前記類似度分布のピークを検出するピーク検出部と、前記各部分画像について当該各部分画像内の所定の基準位置から前記ピークの位置に至る位置設定ベクトルを算出するベクトル算出部と、前記全体画像の領域に対して前記位置設定ベクトルにより指定された位置に前記ピークの位置を設定して2次元ピーク分布を生成するピーク分布生成部と、を備えた画像処理システムが提供される。この画像処理システムでは、前記部分画像抽出部は、前記複数の部分画像のうち所定方向に隣り合う部分画像同士が重複するように前記全体画像から前記複数の部分画像を抽出する。   According to the present invention, a partial image extraction unit that extracts a plurality of partial images from an entire image including a plurality of target particle images, and an image storage unit that stores image data of reference particle images simulating the target particle images Calculating a similarity distribution between each partial image and the reference particle image for each partial image, and detecting a peak of the similarity distribution; and each partial image for each partial image A vector calculation unit for calculating a position setting vector from a predetermined reference position to the peak position, and setting the peak position at a position specified by the position setting vector for the region of the entire image An image processing system including a peak distribution generation unit that generates a two-dimensional peak distribution is provided. In this image processing system, the partial image extraction unit extracts the plurality of partial images from the whole image such that partial images adjacent in a predetermined direction among the plurality of partial images overlap each other.

また、本発明によれば、(a)複数の対象粒子像を含む全体画像から複数の部分画像を抽出するステップと、(b)前記対象粒子像を模した参照粒子像の画像データを画像記憶部から読み出し、前記各部分画像について当該各部分画像と前記参照粒子像との間の類似度分布を算出し、前記類似度分布のピークを検出するステップと、(c)前記各部分画像について当該各部分画像内の所定の基準位置から前記ピークの位置に至る位置設定ベクトルを算出するステップと、(d)前記全体画像の領域に対して前記位置設定ベクトルを用いて指定された位置に前記ピークの位置を設定して2次元ピーク分布を生成するステップと、を備えた画像処理方法が提供される。この画像処理方法では、複数の部分画像は、当該複数の部分画像のうち所定方向に隣り合う部分画像同士が重複するように全体画像から抽出される。   According to the present invention, (a) extracting a plurality of partial images from an entire image including a plurality of target particle images, and (b) storing image data of reference particle images simulating the target particle images. Reading from the unit, calculating a similarity distribution between each partial image and the reference particle image for each partial image, and detecting a peak of the similarity distribution; (c) Calculating a position setting vector from a predetermined reference position in each partial image to the position of the peak; and (d) the peak at a position designated by using the position setting vector for the region of the entire image. And a step of generating a two-dimensional peak distribution by setting the position of the image processing method. In this image processing method, a plurality of partial images are extracted from the entire image so that partial images adjacent in a predetermined direction among the plurality of partial images overlap.

また、本発明によれば、コンピュータ読み取り可能な記録媒体から読み出されてコンピュータに画像処理を実行させるプログラムが提供される。この画像処理は、複数の対象粒子像を含む全体画像から複数の部分画像を抽出する部分画像抽出処理と、前記対象粒子像を模した参照粒子像の画像データを画像記憶部から読み出し、前記各部分画像について当該各部分画像と前記参照粒子像との間の類似度分布を算出し、前記類似度分布のピークを検出するピーク検出処理と、前記各部分画像について当該各部分画像内の所定の基準位置から前記ピークの位置に至る位置設定ベクトルを算出するベクトル算出処理と、前記全体画像の領域に対して前記位置設定ベクトルを用いて指定された位置に前記ピークの位置を設定して2次元ピーク分布を生成するピーク分布生成処理と、を含み、前記部分画像抽出処理では、前記複数の部分画像のうち所定方向に隣り合う部分画像同士が重複するように前記全体画像から前記複数の部分画像が抽出される。   Further, according to the present invention, there is provided a program that is read from a computer-readable recording medium and causes the computer to execute image processing. The image processing includes partial image extraction processing for extracting a plurality of partial images from an entire image including a plurality of target particle images, and reading out image data of reference particle images simulating the target particle images from an image storage unit, Calculating a similarity distribution between each partial image and the reference particle image for the partial image, and detecting a peak of the similarity distribution; a predetermined value in each partial image for each partial image; A vector calculation process for calculating a position setting vector from a reference position to the peak position, and two-dimensionally setting the peak position at a position designated by using the position setting vector for the entire image area Peak distribution generation processing for generating a peak distribution, and in the partial image extraction processing, partial images adjacent in a predetermined direction among the plurality of partial images are overlapped with each other. Wherein from the whole image a plurality of partial images are extracted.

さらに、本発明によれば、前記プログラムを記録した記録媒体が提供される。   Furthermore, according to the present invention, a recording medium on which the program is recorded is provided.

本発明による画像処理システム、画像処理方法およびプログラムは、いずれも、複数の対象粒子像を含む全体画像から抽出された複数の部分画像を利用する。これら部分画像は、所定方向に隣り合う部分画像同士が重複するように抽出されるので、隣り合う部分画像が同一の対象粒子像を含み得るものである。本発明による画像処理システム、画像処理方法およびプログラムでは、各部分画像と参照粒子像との間の類似度分布のピークが検出されるとともに、各部分画像内の基準位置からピークの位置に至る位置設定ベクトルが算出される。そして、全体画像の領域に対して位置設定ベクトルにより指定された位置にピークの位置を設定することで2次元ピーク分布が生成される。位置設定ベクトルは、対象粒子像の存在確率が比較的高い領域を指すベクトルであるので、2次元ピーク分布では、対象粒子像の位置にピークが集中しやすい。それ故、低S/N比の画像からでも、2次元ピーク分布に基づいて高精度かつ短時間で対象粒子像を検出することが可能となる。   All of the image processing system, the image processing method, and the program according to the present invention use a plurality of partial images extracted from an entire image including a plurality of target particle images. Since these partial images are extracted so that the partial images adjacent in the predetermined direction overlap, the adjacent partial images can include the same target particle image. In the image processing system, the image processing method, and the program according to the present invention, the peak of the similarity distribution between each partial image and the reference particle image is detected, and the position from the reference position to the peak position in each partial image A setting vector is calculated. Then, a two-dimensional peak distribution is generated by setting the peak position at the position specified by the position setting vector for the entire image area. Since the position setting vector is a vector indicating a region where the existence probability of the target particle image is relatively high, in the two-dimensional peak distribution, the peak is likely to be concentrated at the position of the target particle image. Therefore, even from an image with a low S / N ratio, it is possible to detect the target particle image with high accuracy and in a short time based on the two-dimensional peak distribution.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

(画像処理システムの構成)
図2は、本発明に係る一実施形態の画像処理システムである粒子構造解析装置1の概略構成を示す機能ブロック図である。この粒子構造解析装置1は、粒子像検出部2と立体構造解析部3とを有する。図3は、粒子像検出部2の概略構成を示す機能ブロック図である。
(Configuration of image processing system)
FIG. 2 is a functional block diagram showing a schematic configuration of the particle structure analysis apparatus 1 which is an image processing system according to an embodiment of the present invention. The particle structure analysis apparatus 1 includes a particle image detection unit 2 and a three-dimensional structure analysis unit 3. FIG. 3 is a functional block diagram showing a schematic configuration of the particle image detection unit 2.

図2に示されるように、粒子像検出部2には、電子顕微鏡像である全体画像が入力されている。この電子顕微鏡像は、タンパク質の複合体、核酸、脂質あるいは多糖類などの生体高分子を含む試料を透過型電子顕微鏡で撮像したTEM(Transmission Electron Microscope)画像である。粒子像検出部2は、TEM画像に現れている観測粒子像(以下「対象粒子像」と呼ぶ。)の位置を高精度かつ短時間で特定し、その結果を立体構造解析部3に与える。立体構造解析部3は、粒子像検出部2で特定された対象粒子像の立体構造を推定する機能を有する。立体構造解析部3の機能は、たとえば、非特許文献1や特許文献1に開示されている技術を利用したものであればよく、特に制限されるものではない。   As shown in FIG. 2, an entire image that is an electron microscope image is input to the particle image detection unit 2. This electron microscope image is a TEM (Transmission Electron Microscope) image obtained by imaging a sample containing a biopolymer such as a protein complex, nucleic acid, lipid, or polysaccharide with a transmission electron microscope. The particle image detection unit 2 specifies the position of the observed particle image (hereinafter referred to as “target particle image”) appearing in the TEM image with high accuracy and in a short time, and gives the result to the three-dimensional structure analysis unit 3. The three-dimensional structure analyzing unit 3 has a function of estimating the three-dimensional structure of the target particle image specified by the particle image detecting unit 2. The function of the three-dimensional structure analysis unit 3 is not particularly limited as long as it uses the technology disclosed in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, for example.

なお、粒子像検出部2と立体構造解析部3は、単一の装置内に組み込まれていてもよいし、あるいは、小規模または大規模なコンピュータネットワーク(たとえば、LAN(Local Area Network)やWAN(Wide Area Network))を介して相互接続されていてもよい。   The particle image detection unit 2 and the three-dimensional structure analysis unit 3 may be incorporated in a single device, or may be a small-scale or large-scale computer network (for example, a LAN (Local Area Network) or a WAN). (Wide Area Network)).

図3に示されるように、粒子像検出部2は、画像入力部10、部分画像抽出部11、ピーク検出部12、ベクトル算出部13、ピーク分布生成部14、粒子像探索部15、データ記憶部16、粒子画像抽出部17、画像分類部18、平均化処理部19、更新処理部20および画像メモリ21を有する。コントローラ22は、機能ブロック10〜21の動作を制御して全体の処理を司る機能を有している。データ記憶部16は、画像記憶部161、参照画像記憶部162、ピーク分布画像記憶部163および派生画像記憶部164を含む。   As shown in FIG. 3, the particle image detection unit 2 includes an image input unit 10, a partial image extraction unit 11, a peak detection unit 12, a vector calculation unit 13, a peak distribution generation unit 14, a particle image search unit 15, and a data storage. A unit 16, a particle image extraction unit 17, an image classification unit 18, an averaging processing unit 19, an update processing unit 20, and an image memory 21. The controller 22 has a function of controlling the operations of the function blocks 10 to 21 to control the entire process. The data storage unit 16 includes an image storage unit 161, a reference image storage unit 162, a peak distribution image storage unit 163, and a derived image storage unit 164.

図3の粒子像検出部2の機能ブロック10〜15,17〜20,22の全部または一部は、半導体集積回路などのハードウェアで実現されてもよいし、あるいは、不揮発性メモリや光ディスクなどの記録媒体に記録されたプログラムまたはプログラムコードで実現されてもよい。このようなプログラムまたはプログラムコードは、機能ブロック10〜15,17〜20,22の全部または一部の処理を、CPUなどのプロセッサを有するコンピュータに実行させるものである。   All or part of the functional blocks 10-15, 17-20, and 22 of the particle image detection unit 2 in FIG. 3 may be realized by hardware such as a semiconductor integrated circuit, or a non-volatile memory or an optical disk. It may be realized by a program or a program code recorded on the recording medium. Such a program or program code causes a computer having a processor such as a CPU to execute all or part of the processing of the functional blocks 10 to 15, 17 to 20, and 22.

データ記憶部16は、揮発性メモリまたは不揮発性メモリなどの記録媒体(たとえば、半導体メモリや磁気記録媒体)と、この記録媒体に対してデータの書込と読出を行うための回路やプログラムとで構成することができる。各種記憶部161〜164は、予め記録媒体の所定の記憶領域上に構成されていてもよいし、あるいは、粒子像検出部2の動作時に割り当てられる適当な記憶領域上に構成されてもよい。   The data storage unit 16 includes a recording medium (for example, a semiconductor memory or a magnetic recording medium) such as a volatile memory or a nonvolatile memory, and a circuit or a program for writing and reading data on the recording medium. Can be configured. The various storage units 161 to 164 may be configured in advance on a predetermined storage area of the recording medium, or may be configured on an appropriate storage area assigned when the particle image detection unit 2 operates.

図3を参照すると、画像入力部10には、多数の対象粒子像を含む電子顕微鏡像が全体画像として入力される。画像入力部10は、全体画像を表す転送信号を受信する受信器であってもよいし、あるいは、記録媒体から全体画像のデータを読み出す装置であってもよい。画像入力部10は、入力された全体画像のデータを画像記憶部161に格納する。   Referring to FIG. 3, an electron microscope image including a large number of target particle images is input to the image input unit 10 as an entire image. The image input unit 10 may be a receiver that receives a transfer signal representing an entire image, or may be a device that reads data of an entire image from a recording medium. The image input unit 10 stores the input whole image data in the image storage unit 161.

部分画像抽出部11は、コントローラ22からの指示に応じて、複数の対象粒子像を含む全体画像を画像記憶部161から読み出し、当該読み出された全体画像から部分画像P〜P(Mは正整数)を抽出する。後述するように、部分画像P〜Pのうち所定方向に隣り合う部分画像P,Pi+1が互いに重複するように部分画像P〜Pが抽出される。これにより、隣り合う部分画像P,Pi+1が同一の対象粒子像の全部または一部を含むことが可能となる。 The partial image extraction unit 11 reads an entire image including a plurality of target particle images from the image storage unit 161 in response to an instruction from the controller 22, and the partial images P 1 to P M (M Is a positive integer). As described later, the partial image P 1 to P partial image P i adjacent to each other in a predetermined direction among the M, the partial image P 1 to P M as P i + 1 overlap with each other is extracted. As a result, the adjacent partial images P i and P i + 1 can include all or part of the same target particle image.

参照画像記憶部162は、全体画像に含まれ得る対象粒子像を模した参照粒子像を含む参照画像R〜R(Nは正整数)を格納している。本実施形態では、これら参照画像R〜Rは、それぞれ、粒子が向いている方向が異なる同一種の粒子像を表す画像である。たとえば、参照画像Rは対象粒子の正面を模した像、参照画像Rは対象粒子の底面を模した像、参照画像Rは粒子の側面を模した像とすることができる。 The reference image storage unit 162 stores reference images R 1 to R N (N is a positive integer) including reference particle images simulating target particle images that can be included in the entire image. In the present embodiment, these reference images R 1 to R N are images that represent the same type of particle images in which the directions of the particles are different. For example, the reference image R 1 can be an image simulating the front of the target particle, the reference image R 2 can be an image simulating the bottom surface of the target particle, and the reference image R 3 can be an image simulating the side surface of the particle.

ピーク検出部12は、各部分画像Pについて、当該各部分画像Pと参照粒子像との間の類似度の2次元分布(以下「類似度分布」と呼ぶ。)を算出し、類似度分布に現れるピークを検出する。 For each partial image P j , the peak detection unit 12 calculates a two-dimensional distribution (hereinafter referred to as “similarity distribution”) of the similarity between the partial image P j and the reference particle image, and the similarity is calculated. Detect peaks that appear in the distribution.

より具体的には、先ず、ピーク検出部12は、参照画像記憶部162から参照画像R〜Rを読み出す。上述した通り、参照画像R〜Rは、それぞれ、対象粒子像を模した参照粒子像を含む。次に、ピーク検出部12は、各部分画像Pに対して各参照画像Rを移動させつつ、各部分画像Pと各参照画像Rとの間の類似度を順次算出することにより類似度分布DSj,k(x,y,θ)を得る。ここで、x、yは、各部分画像P対する各参照画像Rのx方向とy方向への移動量(シフト量)である。また、θは、各部分画像P対する各参照画像Rの点(x、y)周りの回転移動量である。そして、ピーク検出部12は、この類似度分布DSj,k(x,y,θ)に現れるピークを検出する。 More specifically, first, the peak detecting section 12 reads the reference image R 1 to R N from the reference image storage unit 162. As described above, each of the reference images R 1 to R N includes a reference particle image that imitates a target particle image. Next, the peak detection unit 12 while moving the respective reference image R k for each partial image P j, by sequentially calculating the similarity between each reference image R k and the partial images P j A similarity distribution DS j, k (x, y, θ) is obtained. Here, x, y is the amount of movement in the x and y directions of each reference image R k against the partial images P j (shift amount). Further, θ is a rotational movement amount around the point (x, y) of each reference image R k with respect to each partial image P j . Then, the peak detector 12 detects a peak appearing in the similarity distribution DS j, k (x, y, θ).

たとえば、ピーク検出部12は、各部分画像Pの中から着目画素領域を順次選択するとともに、当該着目画素領域ごとに、当該着目画素領域を含む画像領域と参照画像Rとの間の類似度を算出することにより類似度分布DSj,k(x,y,θ)を得る。この場合、x、yは、各部分画像Pに対する各参照画像Rの基準位置から着目画素領域へのシフト量であり、θは、着目画素領域の周りの回転移動量である。着目画素領域は、1画素単位で順次選択されてもよいし、あるいは、4画素×4画素といった複数画素単位で順次選択されてもよい。類似度としては、公知の相互相関係数が好適であるが、これに限定されるものではない。たとえば、着目画素領域を含む画像領域と参照粒子像との間の残差二乗和を変数とする算術関数(たとえば、1/X:Xは残差二乗和)を類似度とすることもできる。 For example, the peak detector 12, similar between with sequentially selecting a target pixel region out of the partial images P j, for each said target pixel area, and the reference image R k and an image region including the target pixel region The similarity distribution DS j, k (x, y, θ) is obtained by calculating the degree. In this case, x and y are shift amounts from the reference position of each reference image R k to the target pixel region with respect to each partial image P j , and θ is a rotational movement amount around the target pixel region. The target pixel region may be sequentially selected in units of one pixel, or may be sequentially selected in units of a plurality of pixels such as 4 pixels × 4 pixels. The similarity is preferably a known cross-correlation coefficient, but is not limited to this. For example, an arithmetic function (for example, 1 / X 2 : X is a residual sum of squares) having a residual sum of squares between an image region including a target pixel region and a reference particle image as a variable can be used as the similarity. .

ピーク検出部12は、各部分画像Pについて、類似度分布DSj,k(x,y)から閾値以上の類似度を有するピークを検出し、この検出結果をベクトル算出部13とピーク分布生成部14に与える。ここで、各部分画像Pについて最大の類似度を持つ単一のピークのみを検出してもよいし、あるいは、各部分画像Pについて複数個のピークを検出してもよい。以下、各部分画像Pについて最大の類似度を持つ単一のピークのみを検出し、当該ピークを用いて対象粒子像を検出する方法を「MRP(Multi-Reference Pickup)法」と呼び、各部分画像Pについて少なくとも1つのピークを検出し、当該ピークを用いて対象粒子像を検出する方法を「MRMP(Multi-Reference Multiple Pickup)法」と呼ぶこととする。 For each partial image P j , the peak detection unit 12 detects a peak having a similarity degree equal to or greater than a threshold from the similarity distribution DS j, k (x, y), and generates a peak distribution generation using the detection result as a vector distribution unit 13 Part 14 is given. Here, only a single peak having the maximum similarity for each partial image P j may be detected, or a plurality of peaks may be detected for each partial image P j . Hereinafter, it detected only a single peak with a maximum similarity for each partial image P j, a method for detecting a target particle image by using the peak is referred to as "MRP (Multi-Reference Pickup) method", each A method of detecting at least one peak in the partial image P j and detecting the target particle image using the peak will be referred to as “MRMP (Multi-Reference Multiple Pickup) method”.

ベクトル算出部13は、各部分画像Pについて当該各部分画像Pの局所領域内の所定の基準位置(たとえば、部分画像Pの中心)からピークPkの位置に至る位置設定ベクトルを算出する。各ピークPkとこれに対応する位置設定ベクトルとの組がピーク分布生成部14に与えられる。 Vector calculation unit 13, a predetermined reference position in the local region of the partial images P j for each partial image P j (e.g., the center of the partial image P j) to calculate the position setting vector extending from the position of the peak Pk . A set of each peak Pk and the corresponding position setting vector is given to the peak distribution generation unit 14.

ピーク分布生成部14は、各部分画像Pについて位置設定ベクトルにより指定された位置にピークPkの位置を設定して、全体画像領域に対応する2次元ピーク分布を生成する。ここで、ピークPkの位置は、全体画像領域における各部分画像Pの位置(大域的な位置)を基点として位置設定ベクトルで指定される位置に設定される。この2次元ピーク分布は、ピーク分布画像記憶部163に格納される。より具体的に説明すると、ピーク分布生成部14は、全体画像領域における各部分画像Pの所定の基準位置(x,y)を、当該各部分画像Pについて算出された位置設定ベクトルv=(δx,δy)だけシフトさせ、シフトされた基準位置P(x+δx,y+δy)を位置設定ベクトルv=(δx,δy)により指定された位置とする。 Peak distribution generating unit 14 sets the position of the peak Pk at the position specified by the position setting vector for each partial image P j, to generate a two-dimensional peak distribution corresponding to the entire image area. Here, the position of the peak Pk is set to a position specified by the position setting vector position of each partial image P j in the entire image region (global position) as a reference point. The two-dimensional peak distribution is stored in the peak distribution image storage unit 163. More specifically, the peak distribution generation unit 14 uses a predetermined reference position (x j , y j ) of each partial image P j in the entire image region as a position setting vector calculated for each partial image P j. v = (δx j, δy j ) only shifted to shifted reference position P (x j + δx j, y j + δy j) the positioning vector v = (δx j, δy j ) and the position specified by .

そして、粒子像探索部15は、ピーク分布画像記憶部163から2次元ピーク分布を読み出し、この2次元ピーク分布に現れるピークの密度(以下「ピーク密度」と呼ぶ。)が閾値以上となる領域(対象粒子像の存在確率が高い領域)を探索して各対象粒子像の位置を検出する。ここで、ピーク密度は、単位面積当たりのピークの個数を意味する。ピーク密度が閾値以上となる領域は、2次元ピーク分布が局在化した領域である。低S/N比の全体画像に基づいて生成された2次元ピーク分布には、ノイズに埋もれた対象粒子像と同じ領域またはその周辺領域に多数のピークが現れることが期待されるので、ピーク密度が高い領域では対象粒子像の存在確率が高い。   Then, the particle image search unit 15 reads the two-dimensional peak distribution from the peak distribution image storage unit 163, and the peak density (hereinafter referred to as “peak density”) appearing in the two-dimensional peak distribution is an area where the threshold value is greater than or equal to the threshold value. A region where the existence probability of the target particle image is high) is searched to detect the position of each target particle image. Here, the peak density means the number of peaks per unit area. The region where the peak density is greater than or equal to the threshold is a region where the two-dimensional peak distribution is localized. In the two-dimensional peak distribution generated based on the entire image with a low S / N ratio, it is expected that a large number of peaks appear in the same region as the target particle image buried in noise or in the peripheral region. The existence probability of the target particle image is high in the region where is high.

さらに、粒子像探索部15は、2次元ピーク分布に現れるピークの位置の類似度が閾値以上となる領域を探索し、その探索結果に基づいて対象粒子像の位置を検出する機能を有する。ここで、粒子像探索部15は、2次元ピーク分布に現れる複数のピークの位置が重複するときは、これら複数のピークが有する類似度の加算結果(累積類似度)に基づいて対象粒子像の位置を検出する。S/N比が比較的高い画像領域では、同一位置に複数のピークが重複して現れる場合があり、その位置に対象粒子像が存在する確率は非常に高い。粒子像探索部15は、そのような対象粒子像の位置を確実に検出することができる。   Further, the particle image search unit 15 has a function of searching for a region where the similarity of the peak position appearing in the two-dimensional peak distribution is equal to or greater than a threshold, and detecting the position of the target particle image based on the search result. Here, when the positions of a plurality of peaks appearing in the two-dimensional peak distribution overlap, the particle image search unit 15 determines the target particle image based on the addition result (cumulative similarity) of the similarities of the plurality of peaks. Detect position. In an image region having a relatively high S / N ratio, a plurality of peaks may appear at the same position, and the probability that the target particle image exists at that position is very high. The particle image search unit 15 can reliably detect the position of such a target particle image.

図3に示されるように、粒子像探索部15は、ピーク密度算出部150と位置検出部151とを含む。ピーク密度算出部150は、2次元ピーク分布に対して探索窓を走査させつつ、この探索窓内のピークの個数を計数し、その計数値に基づいてピーク密度を順次算出する機能を有している。位置検出部151は、(i)ピーク密度が第1の閾値以上となったとき、もしくは、(ii)探索窓内のピーク位置の類似度または累積類似度が第2の閾値以上となったとき、当該探索窓の位置に対象粒子像が位置すると判定する。あるいは、位置検出部151は、(i),(ii)の双方の検出条件が満たされたときに限り、当該探索窓の位置に対象粒子像が位置すると判定することもできる。ユーザは、全体画像の画質に応じて第1の閾値および第2の閾値をそれぞれ任意の値に設定することにより検出精度を調整することが可能である。粒子像探索部15は、このようにして検出された対象粒子像の位置を示すデータを粒子画像抽出部17に与える。   As shown in FIG. 3, the particle image search unit 15 includes a peak density calculation unit 150 and a position detection unit 151. The peak density calculation unit 150 has a function of counting the number of peaks in the search window while scanning the search window with respect to the two-dimensional peak distribution, and sequentially calculating the peak density based on the counted value. Yes. The position detector 151 (i) when the peak density is equal to or higher than the first threshold, or (ii) when the peak position similarity or cumulative similarity in the search window is equal to or higher than the second threshold. It is determined that the target particle image is located at the position of the search window. Alternatively, the position detection unit 151 can also determine that the target particle image is located at the position of the search window only when both detection conditions (i) and (ii) are satisfied. The user can adjust the detection accuracy by setting the first threshold value and the second threshold value to arbitrary values according to the image quality of the entire image. The particle image search unit 15 gives data indicating the position of the target particle image detected in this way to the particle image extraction unit 17.

なお、探索窓の形状としては、少なくとも1つの画素を含む円形状や矩形状が挙げられるが、特に限定されるものではない。   The search window has a circular shape or a rectangular shape including at least one pixel, but is not particularly limited.

粒子画像抽出部17は、粒子像探索部15により検出された位置にある対象粒子像を含む粒子画像を全体画像から抽出し(切り出し)、これら粒子画像のデータを画像メモリ21を介して図2の立体構造解析部3に出力する機能を有する。図2の立体構造解析部3は、粒子像検出部2から入力された粒子画像に基づいて対象粒子像の立体構造を推定する。   The particle image extraction unit 17 extracts (cuts out) a particle image including the target particle image at the position detected by the particle image search unit 15 from the entire image, and the data of these particle images is transmitted via the image memory 21 in FIG. Has a function of outputting to the three-dimensional structure analysis unit 3. The three-dimensional structure analysis unit 3 in FIG. 2 estimates the three-dimensional structure of the target particle image based on the particle image input from the particle image detection unit 2.

粒子像検出部2は、全体画像から抽出された粒子画像に基づいて、参照画像記憶部162に記憶されている参照粒子像の品質を向上させる機能ブロック18〜20を有している。   The particle image detection unit 2 includes functional blocks 18 to 20 that improve the quality of the reference particle image stored in the reference image storage unit 162 based on the particle image extracted from the entire image.

画像分類部18は、粒子画像から派生画像を生成し分類する機能を有している。コントローラ22の制御により、画像分類部18は、粒子画像抽出部17から入力された粒子画像を、参照画像記憶部162内の参照画像R〜Rと比較することにより、派生画像を1以上のグループに分類する。 The image classification unit 18 has a function of generating and classifying derived images from particle images. Under the control of the controller 22, the image classification unit 18 compares the particle image input from the particle image extraction unit 17 with the reference images R 1 to R N in the reference image storage unit 162, thereby obtaining one or more derived images. Classify into groups.

具体的には、画像分類部18は、粒子画像抽出部17から入力された各粒子画像S(i)に基づいて、参照画像記憶部162内の参照画像R〜Rとの間でピーク類似度を有する派生画像S(i,0)〜S(i,P)(Pは正整数)を生成する。ここで、iは、粒子画像を一意に特定する番号である。派生画像は、数学的には、参照画像R〜Rに対して各粒子画像S(i)の相対位置を、X軸並進方向(水平画素方向)、Y軸並進方向(垂直画素方向)および角度方向にそれぞれ移動させることで得られる画像である。類似度として相互相関係数を使用する場合、各参照画像Rの画素値を要素とするベクトルと、各派生画像の画素値を要素とするベクトルとの内積すなわち相関係数に比例する量を類似度として算出することができる。生成された派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)(Tは2以上の正整数)は、派生画像記憶部164に一時的に格納される。 Specifically, the image classification unit 18 peaks between the reference images R 1 to R N in the reference image storage unit 162 based on each particle image S (i) input from the particle image extraction unit 17. Derived images S (i, 0) to S (i, P i ) (P i is a positive integer) having similarities are generated. Here, i is a number that uniquely identifies the particle image. Mathematically, the derived image mathematically indicates the relative position of each particle image S (i) with respect to the reference images R 1 to R N , the X-axis translation direction (horizontal pixel direction), and the Y-axis translation direction (vertical pixel direction). And an image obtained by moving each in the angular direction. When a cross-correlation coefficient is used as the similarity, an inner product of a vector whose element is the pixel value of each reference image R k and a vector whose element is the pixel value of each derived image, that is, an amount proportional to the correlation coefficient It can be calculated as a similarity. The generated derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P T ) (T is a positive integer of 2 or more) are stored in the derived image storage. Stored temporarily in section 164.

次に、画像分類部18は、派生画像記憶部164から派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)を読み出し、これら派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)を1以上のグループに分類する。具体的には、画像分類部18は、派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)の各々に対してベクトル化処理を行う。派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)が、それぞれ、水平画素数nと垂直画素数mを有する2次元画像であるとすれば、ベクトル化処理では、各2次元画像のn×m個の画素値を要素とするn×m次元の位置ベクトルが生成される。 Next, the image classification unit 18 reads the derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P T ) from the derived image storage unit 164. These derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P T ) are classified into one or more groups. Specifically, the image classification unit 18 generates vectors for each of the derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P T ). Process. The derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P T ) are two-dimensional, each having a horizontal pixel number n and a vertical pixel number m. If it is an image, in the vectorization process, an n × m-dimensional position vector having n × m pixel values of each two-dimensional image as elements is generated.

派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)は、それぞれ対応する位置ベクトルにより、n×m次元のベクトル空間内に位置付けられる。画像分類部18は、派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)を、n×m次元のベクトル空間(画素空間)内での近接度に応じてグループ分けすることができる。たとえば、このベクトル空間内で、互いの距離が閾値以下となるように局所的な空間内に偏って分布する所定数以上の派生画像を1つのグループとして抽出することが可能である。 Derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P T ) are respectively represented in the n × m-dimensional vector space by corresponding position vectors. Positioned on. The image classification unit 18 converts the derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P T ) into an n × m-dimensional vector space (pixels). It can be grouped according to the proximity in the space. For example, in this vector space, it is possible to extract a predetermined number or more of derived images that are distributed in a local space so that the mutual distance is equal to or less than a threshold value as one group.

あるいは、画素空間と共役なイメージ空間内で、局所的な空間内に偏って分布する派生画像を1つのグループとして抽出することもできる。イメージ空間の次元が画素空間の次元よりも低い場合には、イメージ空間で派生画像を分類し、画素空間の次元がイメージ空間の次元よりも低い場合には、画素空間で派生画像を分類することが好ましい。これにより、派生画像の分類処理を効率的に行うことができる。このような分類法は、対応分析(corresponding analysis)を用いた階層分類法(hierarchical ascendant classification)として知られている。階層分類法は、たとえば、非特許文献3(van Heel M., "Multivariate statistical classification of noisy images (randomly oriented biological macromolecules)", Ultramicroscopy, vol.13, pp.165-183 (1984))や非特許文献4(van Heel M., "Classification of very large electron microscopical image data sets", Optik, vol. 82, pp.114-126 (1989))に開示されている。   Alternatively, derived images that are distributed in a localized space in an image space conjugate with the pixel space can be extracted as one group. If the image space dimension is lower than the pixel space dimension, classify the derived image in the image space, and if the pixel space dimension is lower than the image space dimension, classify the derived image in the pixel space. Is preferred. Thereby, the classification process of the derived image can be performed efficiently. Such a classification method is known as a hierarchical ascendant classification using correspondence analysis. Non-patent literature 3 (van Heel M., “Multivariate statistical classification of noisy images (randomly oriented biological macromolecules)”, Ultramicroscopy, vol.13, pp.165-183 (1984)) and non-patent Reference 4 (van Heel M., “Classification of very large electron microscopical image data sets”, Optik, vol. 82, pp. 114-126 (1989)).

平均化処理部19は、複数の派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)の画素値をグループごとに平均化することによりグループごとに2次元平均化像を生成する。この平均化は、ランダムノイズを除去し得る平均化(たとえば、算術平均化)であればよく、特に限定されるものではない。 The averaging processing unit 19 averages the pixel values of the plurality of derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P T ) for each group. By doing so, a two-dimensional averaged image is generated for each group. This averaging is not particularly limited as long as it is an averaging (for example, arithmetic averaging) that can remove random noise.

なお、平均化処理部19は、派生画像の画素値に当該派生画像の類似度に応じた係数を重み付けてもよい。派生画像の類似度が高いほど、当該派生画像の画素値に重み付けるべき係数を大きな値に設定し、一方、派生画像の類似度が低いほど、当該派生画像の画素値に重み付けるべき係数を小さな値に設定することが好ましい。これにより、2次元平均化像の品質向上が可能となる。類似度の値と重み付け係数の値との対応関係を示すルックアップテーブル(図示せず)を予め用意しておけば、平均化処理部19は、このルックアップテーブルを参照して、類似度に応じた最適な重み付け係数を設定することが可能である。   Note that the averaging processing unit 19 may weight the pixel value of the derived image with a coefficient corresponding to the similarity of the derived image. The higher the degree of similarity of the derived image, the larger the coefficient to be weighted to the pixel value of the derived image, while the lower the degree of similarity of the derived image, the more the coefficient to be weighted to the pixel value of the derived image. It is preferable to set a small value. Thereby, the quality of the two-dimensional averaged image can be improved. If a lookup table (not shown) indicating the correspondence between the similarity value and the weighting coefficient value is prepared in advance, the averaging processing unit 19 refers to the lookup table to determine the similarity. It is possible to set an optimum weighting coefficient according to the response.

画像分類部18は、下限Smax−Δと上限Smaxとの幅Δを各粒子画像または全体画像のS/N比に応じて変動させてもよい。すなわち、各粒子画像または全体画像のS/N比が高いほどΔを小さくし、粒子画像のS/N比が低いほどΔを大きくすることが好ましい。これにより、平均化処理部19で生成される2次元平均化像の品質の向上が可能となる。粒子画像のS/N比と幅Δの値との対応関係を示すルックアップテーブル(図示せず)を予め用意しておけば、画像分類部18は、このルックアップテーブルを参照して、各粒子画像または全体画像のS/N比に応じた最適な幅Δを設定することが可能である。 The image classification unit 18 may change the width Δ between the lower limit S max −Δ and the upper limit S max according to the S / N ratio of each particle image or the entire image. That is, it is preferable to decrease Δ as the S / N ratio of each particle image or the entire image is higher, and to increase Δ as the S / N ratio of the particle image is lower. As a result, the quality of the two-dimensional averaged image generated by the averaging processing unit 19 can be improved. If a lookup table (not shown) indicating the correspondence between the S / N ratio of the particle image and the value of the width Δ is prepared in advance, the image classification unit 18 refers to the lookup table to It is possible to set an optimum width Δ according to the S / N ratio of the particle image or the entire image.

更新処理部20は、参照粒子像を含む参照画像R〜Rを2次元平均化像のデータで置き換えることで画像記憶部161の記憶内容を更新する機能を有する。すなわち、更新処理部20は、平均化処理部19で生成された2次元平均化像群の品質が参照画像R〜Rのそれよりも良好か否かを判定する。この判定は、両方の画像のS/N比や輪郭抽出結果を対比することで実行される。そして、更新処理部20は、2次元平均化像群の品質が参照画像R〜Rのそれよりも良好であると判定したときに、参照画像群を2次元平均化像群で置き換える。これにより、ピーク検出部12は、更新された参照画像R〜R(Pは正整数)を用いて、より高精度に類似度分布のピークを検出することが可能となる。 Update processing unit 20 has a function of updating the contents stored in the image storage unit 161 by replacing the reference image R 1 to R N containing the reference particle images in the data of the two-dimensional averaging image. That is, the update processing unit 20 determines whether good or not than the averaging process unit 19 two-dimensional averaging image group reference quality image R 1 in to R N generated by. This determination is performed by comparing the S / N ratio and the contour extraction result of both images. When the update processing unit 20 determines that the quality of the two-dimensional averaged image group is better than that of the reference images R 1 to R N , the update processing unit 20 replaces the reference image group with the two-dimensional averaged image group. Thereby, the peak detection unit 12 can detect the peak of the similarity distribution with higher accuracy by using the updated reference images R 1 to R P (P is a positive integer).

(粒子構造解析処理)
以上の構成を有する粒子構造解析装置1の動作を以下に説明する。図4は、粒子構造解析装置1による粒子構造解析処理の手順の一例を概略的に示すフローチャートである。図4の処理では、参照画像記憶部162の記憶内容を更新する処理は実行されない。
(Particle structure analysis processing)
The operation of the particle structure analysis apparatus 1 having the above configuration will be described below. FIG. 4 is a flowchart schematically showing an example of the procedure of the particle structure analysis process performed by the particle structure analysis apparatus 1. In the process of FIG. 4, the process of updating the stored contents of the reference image storage unit 162 is not executed.

図4を参照すると、ステップS1では、部分画像抽出部11は、複数の対象粒子像を含む全体画像を画像記憶部161から読み出し、続けて、全体画像から部分画像P〜Pを抽出する(ステップS2)。これら部分画像P〜Pのうち所定方向(たとえば、X軸方向)に隣り合う部分画像P,Pi+1は、同一の対象粒子像を含み得るように互いに重複する。 Referring to FIG 4, in step S1, the partial image extraction unit 11 reads the entire image including a plurality of target particle image from the image storage unit 161, followed by, extracts the partial image P 1 to P M from the entire image (Step S2). Among these partial images P 1 to P M, the partial images P i and P i + 1 adjacent in a predetermined direction (for example, the X-axis direction) overlap each other so as to include the same target particle image.

図5は、全体画像30と部分画像P〜Pの一部Pa〜Pfとを模式的に示す図である。図5に示されるように、部分画像Pa〜PcはX軸方向に互いに重複するように全体画像30から抽出される。部分画像Pd〜Pfについても同様である。よって、部分画像Pa〜Pcは、検出されるべき同一の対象粒子像31を含み、部分画像Pd〜Pfは、検出されるべき同一の対象粒子像32を含む。部分画像Pa,Pb,Pcの位置は、それぞれ、全体画像30の有効領域の原点Oを基点とするベクトルVa,Vb,Vcで特定される。 Figure 5 is a diagram schematically showing a part Pa~Pf of the whole image 30 and the partial image P 1 to P M. As shown in FIG. 5, the partial images Pa to Pc are extracted from the entire image 30 so as to overlap each other in the X-axis direction. The same applies to the partial images Pd to Pf. Therefore, the partial images Pa to Pc include the same target particle image 31 to be detected, and the partial images Pd to Pf include the same target particle image 32 to be detected. The positions of the partial images Pa, Pb, and Pc are specified by vectors Va, Vb, and Vc based on the origin O of the effective area of the entire image 30, respectively.

次に、図4を参照すると、ステップS3で、ピーク検出部12は、処理対象となる部分画像Pを表す番号iを初期値「1」に設定して(ステップS3)、ピーク検出処理を開始する。ピーク検出部12は、参照画像記憶部162から参照画像R〜Rを読み出し、これら参照画像R〜Rと部分画像Pとの間の類似度分布DSi,k(x,y,θ)を算出し(ステップS4)、次いで、類似度分布DSi,k(x,y,θ)から、閾値以上の類似度を有する単数または複数のピークPt(i,1)〜Pt(i,Q)(Qは正整数)を検出する(ステップS5)。 Referring now to FIG. 4, in step S3, the peak detector 12, a number i representing the partial image P i to be processed is set to an initial value "1" (step S3), and the peak detection processing Start. The peak detection unit 12 reads the reference images R 1 to R N from the reference image storage unit 162, and the similarity distribution DS i, k (x, y) between the reference images R 1 to R N and the partial image P i. calculates a theta) (step S4), and then, the similarity distribution DS i, k (x, y , from theta), one or more peaks having more similarity threshold Pt (i, 1) ~Pt ( i, Q) (Q is a positive integer) is detected (step S5).

ただし、粒子像検出部2がMRP法による処理モードで動作する場合、ピーク検出部12は、コントローラ22からの指示に従って類似度分布DSi,k(x,y,θ)から最大の類似度を持つ単一のピークPt(i,1)のみを検出する。一方、粒子像検出部2がMRMP法による処理モードで動作する場合、ピーク検出部12は、コントローラ22からの指示に従って類似度分布DSi,k(x,y,θ)から複数のピークPt(i,1)〜Pt(i,Q)を検出することができる。 However, when the particle image detection unit 2 operates in the processing mode based on the MRP method, the peak detection unit 12 obtains the maximum similarity from the similarity distribution DS i, k (x, y, θ) according to an instruction from the controller 22. Only a single peak Pt (i, 1) is detected. On the other hand, when the particle image detection unit 2 operates in the processing mode based on the MRMP method, the peak detection unit 12 follows the instructions from the controller 22 from the similarity distribution DS i, k (x, y, θ) to a plurality of peaks Pt ( i, 1) to Pt (i, Q) can be detected.

次のステップS6で、ベクトル算出部13は、部分画像Pの局所領域内の所定の基準位置(部分画像Pの中心)からピークPt(i,1)〜Pt(i,Q)の位置に至る位置設定ベクトルV(1)〜V(Q)を算出する。 In the next step S6, the vector calculating unit 13, the partial image P a predetermined reference position in the local region of the i (partial image P i of the center) from the peak Pt (i, 1) the position of ~Pt (i, Q) Position setting vectors V i (1) to V i (Q) are calculated.

次に、ベクトル算出部13は、全ての部分画像P〜Pについてベクトル算出処理が終了したか否かを判定する(ステップS7)。全ての部分画像P〜Pについてベクトル算出処理が終了していない場合(ステップS7のNO)、番号iがインクリメントされ(ステップS8)、ステップS4〜S7が繰り返し実行される。 Next, the vector calculation unit 13 determines whether or not the vector calculation process has been completed for all of the partial images P 1 to P M (step S7). If the vector calculation process has not been completed for all partial images P 1 to P M (NO in step S7), the number i is incremented (step S8), and steps S4 to S7 are repeatedly executed.

一方、全ての部分画像P〜Pについてベクトル算出処理が終了している場合(ステップS7のYES)、ピーク分布生成部14は、全体画像の領域に対して、位置設定ベクトルV(j)(iは1〜Mの整数、jは1〜Qの整数)で指定される位置にピークPt(i,j)の位置を設定することにより2次元ピーク分布を生成する(ステップS9)。その後、ピーク分布生成部14は、この2次元ピーク分布をピーク分布画像記憶部163に記録する(ステップS10)。 On the other hand, when the vector calculation process has been completed for all the partial images P 1 to P M (YES in step S7), the peak distribution generation unit 14 performs the position setting vector V i (j ) (I is an integer from 1 to M, j is an integer from 1 to Q), and the position of the peak Pt (i, j) is set at a position specified by (2) to generate a two-dimensional peak distribution (step S9). Thereafter, the peak distribution generation unit 14 records this two-dimensional peak distribution in the peak distribution image storage unit 163 (step S10).

図6(A),(B)は、それぞれ、異なる方向から視たときの同一の参照粒子像を含む参照画像R,Rを例示する図である。図7(A)〜(C)は、図6(B)の参照画像Rと図5の部分画像Pa,Pb,Pcとに基づいて算出された位置設定ベクトルVSa,VSb,VScを示す図である。図7(A)〜(C)では、いずれも、対象粒子像31の略中心位置にピークが検出されている。このため、位置設定ベクトルVSa,VSb,VScは、それぞれ、部分画像Pa,Pb,Pcの中心から対象粒子像31の略中心位置に至るベクトルである。 FIGS. 6A and 6B are diagrams illustrating reference images R 1 and R 2 including the same reference particle image when viewed from different directions, respectively. Figure 7 (A) ~ (C) is a diagram showing FIG. 6 (B) of the reference image R 2 and the partial image Pa in FIG. 5, Pb, Pc and positioning vector is calculated based on the VSa, VSb, the VSc It is. 7A to 7C, a peak is detected at a substantially central position of the target particle image 31 in all. For this reason, the position setting vectors VSa, VSb, and VSc are vectors from the centers of the partial images Pa, Pb, and Pc to the approximate center position of the target particle image 31, respectively.

この場合、ピーク分布生成部14は、全体画像の領域内で、部分画像Pa,Pb,Pcをそれぞれ位置設定ベクトルVSa,VSb,VScだけシフトさせる。この結果、図7(A)〜(C)に示されるように、部分画像Pa,Pb,Pcはそれぞれシフトして部分画像SPa,SPb,SPcとなる。そして、ピーク分布生成部14は、全体画像の領域内で、シフトされた部分画像SPa,SPb,SPcの基準位置(たとえば、中心)にピークの位置を設定する(ステップS9)。   In this case, the peak distribution generation unit 14 shifts the partial images Pa, Pb, and Pc by the position setting vectors VSa, VSb, and VSc, respectively, within the entire image area. As a result, as shown in FIGS. 7A to 7C, the partial images Pa, Pb, and Pc are shifted to partial images SPa, SPb, and SPc, respectively. Then, the peak distribution generation unit 14 sets the peak position at the reference position (for example, the center) of the shifted partial images SPa, SPb, SPc within the entire image area (step S9).

ステップS10で2次元ピーク分布が記録された後は、粒子像探索部15は、この2次元ピーク分布をピーク分布画像記憶部163から読み出し、この2次元ピーク分布のピーク密度およびピーク値(上記の類似度または累積類似度)を用いて対象粒子像を探索することにより各対象粒子像の位置を検出する(ステップS11)。   After the two-dimensional peak distribution is recorded in step S10, the particle image search unit 15 reads this two-dimensional peak distribution from the peak distribution image storage unit 163, and the peak density and peak value of the two-dimensional peak distribution (the above-mentioned The position of each target particle image is detected by searching for the target particle image using the similarity or cumulative similarity) (step S11).

図8は、2次元ピーク分布50の一例を模式的に示す図である。図8に示されるように、2次元ピーク分布50には、複数のピークPt,Pt,…が現れている。粒子像探索部15は、図8に示されるように、2次元ピーク分布50に対して探索窓51を走査させつつ、この探索窓内のピーク密度を順次算出する。同時に、粒子像探索部15は、2次元ピーク分布50に現れる複数のピークPtの位置が重複するときは、これら複数のピークが有する類似度を加算して累積類似度を得る。粒子像探索部15は、(i)ピーク密度が第1の閾値以上となったとき、あるいは、(ii)探索窓内のピーク位置の類似度または累積類似度が第2の閾値以上となったときに、探索窓51の位置に対象粒子像が存在すると判定し、その判定結果を粒子画像抽出部17に与える。   FIG. 8 is a diagram schematically illustrating an example of the two-dimensional peak distribution 50. As shown in FIG. 8, a plurality of peaks Pt, Pt,... Appear in the two-dimensional peak distribution 50. As illustrated in FIG. 8, the particle image search unit 15 sequentially calculates the peak density in the search window while scanning the search window 51 with respect to the two-dimensional peak distribution 50. At the same time, when the positions of a plurality of peaks Pt appearing in the two-dimensional peak distribution 50 overlap, the particle image search unit 15 adds the similarities of the plurality of peaks to obtain a cumulative similarity. The particle image search unit 15 (i) when the peak density is equal to or higher than the first threshold, or (ii) the similarity or cumulative similarity of the peak position in the search window is equal to or higher than the second threshold. Sometimes, it is determined that the target particle image exists at the position of the search window 51, and the determination result is given to the particle image extraction unit 17.

その後、粒子画像抽出部17は、画像記憶部161から全体画像を読み出し、この全体画像から、粒子像探索部15による探索結果に基づいて対象粒子像が存在する画像領域を粒子画像として抽出する(ステップS12)。粒子画像群は、画像メモリ21を介して図2の立体構造解析部3に転送される。   Thereafter, the particle image extraction unit 17 reads the entire image from the image storage unit 161, and extracts an image region where the target particle image exists as a particle image from the entire image based on the search result by the particle image search unit 15 ( Step S12). The particle image group is transferred to the three-dimensional structure analysis unit 3 in FIG.

立体構造解析部3は、粒子像検出部2から転送された粒子画像群に基づいて対象粒子像の立体構造を推定する(ステップS13)。以上で粒子構造解析処理は終了する。   The three-dimensional structure analyzing unit 3 estimates the three-dimensional structure of the target particle image based on the particle image group transferred from the particle image detecting unit 2 (step S13). This completes the particle structure analysis process.

上記粒子構造解析処理が奏する効果は以下の通りである。   The effects produced by the particle structure analysis process are as follows.

上述の通り、各部分画像Pと参照粒子像との間の類似度分布のピークが検出されるとともに、各部分画像P内の基準位置からピークの位置に至る位置設定ベクトルが算出される。そして、位置設定ベクトルにより指定された位置にピークの位置を設定することで2次元ピーク分布が生成される。位置設定ベクトルは、対象粒子像の存在確率が比較的高い領域を指すベクトルであるので、2次元ピーク分布では、対象粒子像の位置にピークが集中しやすい。それ故、低S/N比の全体画像からでも、2次元ピーク分布に基づいて高精度かつ短時間で対象粒子像を検出することが可能となる。 As described above, the peak of the similarity distribution between each partial image P i and the reference particle image is detected, and the position setting vector from the reference position to the peak position in each partial image P i is calculated. . Then, a two-dimensional peak distribution is generated by setting the peak position at the position specified by the position setting vector. Since the position setting vector is a vector indicating a region where the existence probability of the target particle image is relatively high, in the two-dimensional peak distribution, the peak is likely to be concentrated at the position of the target particle image. Therefore, it is possible to detect the target particle image with high accuracy and in a short time based on the two-dimensional peak distribution even from the entire image having a low S / N ratio.

また、粒子像探索部15は、2次元ピーク分布のピーク密度や累積類似度に基づいて対象粒子像を探索するので、高い精度で対象粒子像を検出することが可能である。さらに、粒子像探索部15は、2次元ピーク分布に対して探索窓を走査させつつ、この探索窓内のピークの個数をピーク密度として順次算出する。それ故、少ない計算量で高速にピーク密度や累積類似度を順次算出して対象粒子像の位置を自動的に検出することができる。   In addition, since the particle image search unit 15 searches for the target particle image based on the peak density and cumulative similarity of the two-dimensional peak distribution, it is possible to detect the target particle image with high accuracy. Further, the particle image search unit 15 sequentially calculates the number of peaks in the search window as the peak density while scanning the search window with respect to the two-dimensional peak distribution. Therefore, the position of the target particle image can be automatically detected by sequentially calculating the peak density and the cumulative similarity at a high speed with a small amount of calculation.

特に、粒子像検出部2をMRMP法による処理モードで動作させた場合は、低S/N比の全体画像中でノイズに埋もれた対象粒子像の存在する領域に複数のピークが現れやすい。MRMP法は、上述の通り、各部分画像について複数のピークを検出し得、複数のピークを用いて対象粒子像を検出する方法であるので、非常に低いS/N比の全体画像から対象粒子像を高い精度で検出することができる。   In particular, when the particle image detection unit 2 is operated in the processing mode by the MRMP method, a plurality of peaks are likely to appear in a region where the target particle image is buried in noise in the entire image having a low S / N ratio. Since the MRMP method is a method for detecting a plurality of peaks for each partial image and detecting a target particle image using a plurality of peaks as described above, the target particle is detected from the entire image having a very low S / N ratio. An image can be detected with high accuracy.

したがって、立体構造解析部3は、対象粒子の立体構造を高精度に推定することが可能である。   Therefore, the three-dimensional structure analysis unit 3 can estimate the three-dimensional structure of the target particle with high accuracy.

なお、対象粒子の検出精度を向上させるために、部分画像抽出部11は、全体画像または部分画像の空間周波数成分のうち特定帯域の空間周波数成分のみを抽出するバンドパスフィルタを有していてもよい。このバンドパスフィルタを使用すれば、特定帯域の空間周波数成分から対象粒子像を検出することができる。たとえば、ハイパスフィルタを用いて、高帯域成分のみに存在するノイズを全体画像から除去したり、ローパスフィルタを用いて、個々の対象粒子像全体あるいは電子顕微鏡像全体で不均一な輝度分布を均一な輝度分布にしたりすることで、対象粒子像の検出精度を向上させることが可能である。   In order to improve the detection accuracy of target particles, the partial image extraction unit 11 may include a bandpass filter that extracts only the spatial frequency component of a specific band from the entire image or the spatial frequency component of the partial image. Good. If this bandpass filter is used, the target particle image can be detected from the spatial frequency component of a specific band. For example, a high-pass filter can be used to remove noise that exists only in high-band components from the entire image, or a low-pass filter can be used to obtain a uniform non-uniform luminance distribution over the entire target particle image or the entire electron microscope image. By making the luminance distribution, it is possible to improve the detection accuracy of the target particle image.

あるいは、部分画像抽出部11は、複数の異なる帯域の空間周波数成分を出力するフィルタバンクを有していてもよい。離散ウェーブレット変換を実行するフィルタを使用すると、1つの全体画像から複数の異なる帯域の空間周波数成分を得ることができる。複数の異なる帯域の空間周波数成分に基づいてそれぞれ2次元ピーク分布を生成すれば、これら2次元ピーク分布の中から、対象粒子像の検出に最適な2次元ピーク分布を選択することが可能である。   Alternatively, the partial image extraction unit 11 may have a filter bank that outputs a plurality of spatial frequency components in different bands. When a filter that performs discrete wavelet transform is used, spatial frequency components of a plurality of different bands can be obtained from one whole image. If a two-dimensional peak distribution is generated based on the spatial frequency components of a plurality of different bands, it is possible to select an optimal two-dimensional peak distribution for detecting the target particle image from these two-dimensional peak distributions. .

対象粒子の検出精度を向上させるために、ピーク分布生成部14は、2次元ピーク分布の空間周波数成分のうち特定帯域の空間周波数成分のみを抽出するバンドパスフィルタ、あるいは、複数の異なる帯域の空間周波数成分を出力し得るフィルタを有していてもよい。このようなフィルタを使用することで、全体画像の品質に応じて対象粒子像の検出に最適な帯域の空間周波数成分を得ることができる。   In order to improve the detection accuracy of the target particles, the peak distribution generation unit 14 extracts a spatial frequency component of a specific band from the spatial frequency components of the two-dimensional peak distribution, or a plurality of different band spaces. You may have the filter which can output a frequency component. By using such a filter, it is possible to obtain a spatial frequency component in an optimum band for detection of the target particle image according to the quality of the entire image.

(繰り返し処理)
図9は、粒子構造解析装置1による粒子構造解析処理の別の手順を示すフローチャートである。図9のフローチャートのステップS1〜S13は、図4のフローチャートのステップS1〜S13と同一であるので、その詳細な説明を省略する。図9のフローチャートでは、参照画像記憶部162の記憶内容を更新するために、ステップS20,S21が新たに追加されている。
(Repeat process)
FIG. 9 is a flowchart showing another procedure of the particle structure analysis process performed by the particle structure analysis apparatus 1. Steps S1 to S13 in the flowchart of FIG. 9 are the same as steps S1 to S13 in the flowchart of FIG. In the flowchart of FIG. 9, steps S20 and S21 are newly added in order to update the stored contents of the reference image storage unit 162.

図9を参照すると、ステップS12では、上述の通り、粒子画像抽出部17が、画像記憶部161から全体画像を読み出し、この全体画像から、粒子像探索部15による探索結果に基づいて、対象粒子像が存在する画像領域を粒子画像として抽出する。粒子画像は、画像分類部18に出力される。   Referring to FIG. 9, in step S <b> 12, as described above, the particle image extraction unit 17 reads the entire image from the image storage unit 161, and based on the search result by the particle image search unit 15, the target particle is read from the entire image. An image region where an image exists is extracted as a particle image. The particle image is output to the image classification unit 18.

次のステップS20では、コントローラ22は、繰り返し処理を終了するか否かを判定する。繰り返し処理が終了しない場合(ステップS20のNO)、ステップS21のフィードバック処理が実行される。図10は、フィードバック処理の手順を概略的に示すフローチャートである。   In the next step S20, the controller 22 determines whether or not to end the repetition process. If the repetitive process is not completed (NO in step S20), the feedback process in step S21 is executed. FIG. 10 is a flowchart schematically showing the procedure of feedback processing.

図10を参照すると、ステップS220では、画像分類部18は、粒子画像抽出部17から入力された各粒子画像S(i)から複数の派生画像S(i,0)〜S(i,P)を生成する。図11(A),(B)および図12は、派生画像S(i,0)〜S(i,P)の生成方法を説明するための図である。 Referring to FIG. 10, in step S220, the image classification unit 18 uses a plurality of derived images S (i, 0) to S (i, P i ) from each particle image S (i) input from the particle image extraction unit 17. ) Is generated. FIGS. 11A, 11B, and 12 are diagrams for explaining a method of generating the derived images S (i, 0) to S (i, P i ).

図11(A)に示されるように、各粒子画像S(i)に基づいて、P個のピーク類似度にそれぞれ対応するP個の派生画像S(i,0)〜S(i,P=P)が生成される。p番目の派生画像S(i,p)は、数学的には、パラメータxp,yp,θ=thpで定められる量だけ、それぞれ、X軸並進方向、Y軸並進方向および角度θの方向に粒子画像S(i)を移動させることで生成される画像である。図11(B)に示されるように、xpは、X軸並進方向の移動量、ypは、Y軸並進方向の移動量、thpは、原点Oの周りの回転移動量、をそれぞれ表している。ここで、各粒子画像S(i)について派生画像の個数は複数であるが、これに限定されるものではなく、派生画像の個数は各粒子画像S(i)について1個であってもよい。 As shown in FIG. 11A, based on each particle image S (i), P derived images S (i, 0) to S (i, P i corresponding to P peak similarities, respectively. = P) is generated. Mathematically, the p-th derived image S (i, p) has particles in the X-axis translation direction, the Y-axis translation direction, and the angle θ direction by amounts determined by the parameters xp, yp, θ = thp, respectively. It is an image generated by moving the image S (i). As shown in FIG. 11B, xp represents the amount of movement in the X-axis translation direction, yp represents the amount of movement in the Y-axis translation direction, and thp represents the amount of rotational movement around the origin O, respectively. . Here, although the number of derived images is plural for each particle image S (i), the number is not limited to this, and the number of derived images may be one for each particle image S (i). .

図12は、粒子画像S(i)の移動量(X軸並進移動量、Y軸並進移動量および回転移動量)とピーク類似度との関係の一例を説明するための概略図である。図12のグラフには、移動量に応じた複数のピークが現れている。画像分類部18は、これらピークのうち、最大類似度Smaxを上限とし、Smax−Δを下限とする範囲内の類似度を有するピークSPmax,SPのみを選択する。画像分類部18は、このような範囲内のピークに対応する派生画像S(i,0)〜S(i,P)を生成する(ステップS220)。 FIG. 12 is a schematic diagram for explaining an example of the relationship between the movement amount (X-axis translational movement amount, Y-axis translational movement amount and rotational movement amount) of the particle image S (i) and the peak similarity. In the graph of FIG. 12, a plurality of peaks appear according to the amount of movement. Of these peaks, the image classification unit 18 selects only the peaks SP max and SP having a similarity within a range in which the maximum similarity S max is the upper limit and S max −Δ is the lower limit. The image classification unit 18 generates derived images S (i, 0) to S (i, P i ) corresponding to the peaks within such a range (step S220).

全ての粒子画像S(1)〜S(T)について派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)が生成された後、ステップS221では、画像分類部18は、派生画像記憶部164から派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)を読み出す。さらに画像分類部18は、これら派生画像S(1,0)〜S(1,P),…,S(T,0)〜S(T,P)をベクトル化し、複数のグループに分類する。 Derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P T ) are generated for all particle images S (1) to S (T). After that, in step S221, the image classifying unit 18 obtains the derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P) from the derived image storage unit 164. T ) is read. Further, the image classification unit 18 vectorizes these derived images S (1, 0) to S (1, P 1 ),..., S (T, 0) to S (T, P T ), and classifies them into a plurality of groups. To do.

次いで、平均化処理部19は、分類された複数の派生画像の画素値をグループごとに平均化することによりグループごとに2次元平均化像を生成する(ステップS222)。そして、更新処理部20は、参照粒子像を含む参照画像R〜Rのデータを2次元平均化像群のデータで置き換えることで画像記憶部161の記憶内容を更新する(ステップS223)。ここで、更新処理部20は、2次元平均化像群の品質が、参照画像R〜Rのそれよりも良好である場合に限り、参照画像R〜Rを2次元平均化像群に置きかえてもよい。その後、コントローラ22は、処理を図9のフローチャートに戻し、ステップS3〜S20の手順を繰り返し実行させる。 Next, the averaging processing unit 19 generates a two-dimensional averaged image for each group by averaging the pixel values of the plurality of classified derived images for each group (step S222). Then, the update processing unit 20 updates the stored contents of the image storage unit 161 by replacing the data of the reference image R 1 to R N containing the reference particle images in the data of the two-dimensional averaging image group (step S223). Here, the update processing unit 20, the quality of the 2 dimensional averaging image group only if than that of the reference image R 1 to R N is good, the reference image R 1 to R N two-dimensional averaging image You may replace it with a group. Thereafter, the controller 22 returns the process to the flowchart of FIG. 9 and repeatedly executes the procedures of steps S3 to S20.

繰り返し処理の実行回数が所定回数に到達した場合や、対象粒子像の検出精度が一定精度に到達した場合に、コントローラ22は、繰り返し処理を終了すると判定して(ステップS20のYES)、画像分類部18、平均化処理部19および更新処理部20の動作を停止させる。そして、立体構造解析部3は、粒子像検出部2から入力された粒子画像群に基づいて対象粒子像の立体構造を推定する(ステップS13)。以上で粒子構造解析処理は終了する。   When the number of executions of the iterative process reaches a predetermined number, or when the detection accuracy of the target particle image reaches a certain accuracy, the controller 22 determines that the iterative process is to be ended (YES in step S20), and image classification. The operations of the unit 18, the averaging processing unit 19 and the update processing unit 20 are stopped. Then, the three-dimensional structure analysis unit 3 estimates the three-dimensional structure of the target particle image based on the particle image group input from the particle image detection unit 2 (step S13). This completes the particle structure analysis process.

上記繰り返し処理が奏する効果は以下の通りである。   The effects of the above repeated processing are as follows.

上記繰り返し処理では、参照画像R〜Rは、S/N比が向上した2次元平均化像に置き換えられる(ステップS222,S223)。それ故、図9のステップS3〜S12,S20〜S21を繰り返し実行することにより、対象粒子像の検出精度を高めることが可能となる。 In the above iterative process, the reference images R 1 to R N are replaced with a two-dimensional averaged image with an improved S / N ratio (steps S222 and S223). Therefore, it is possible to improve the detection accuracy of the target particle image by repeatedly executing steps S3 to S12 and S20 to S21 of FIG.

特に、フィードバック処理(図10)では、粒子画像から複数の派生画像が生成され、これら派生画像が複数のグループに分類される(ステップS220〜S221)。それ故、2次元平均化像の品質を向上させることができ、対象粒子像の検出精度をさらに高めることが可能となる。   In particular, in the feedback process (FIG. 10), a plurality of derived images are generated from the particle image, and these derived images are classified into a plurality of groups (steps S220 to S221). Therefore, the quality of the two-dimensional averaged image can be improved, and the detection accuracy of the target particle image can be further increased.

(テストによる評価)
次に、粒子構造解析装置1の動作テストの実行結果について説明する。粒子構造解析装置1の機能をコンピュータプログラムで実現し、このコンピュータプログラムを実行することによりテストが実行された。
(Evaluation by test)
Next, the execution result of the operation test of the particle structure analysis apparatus 1 will be described. The function of the particle structure analysis apparatus 1 was realized by a computer program, and the test was executed by executing this computer program.

図13は、テストに使用された参照粒子像(モデル粒子像)を含む参照画像100〜103を示す図である。図13に示されるように、参照画像100の参照粒子像を0度、90度、180度および270度回転させることにより、それぞれ、4個の参照画像100,101,102,103が生成された。これら4個の参照画像100〜103を無作為に選択し、5120画素×5120画素の2次元画像内のランダムな位置に分布させた。さらに、この2次元画像にノイズを重畳させることにより100個または200個の対象粒子像を含む全体画像30が生成された。   FIG. 13 is a diagram illustrating reference images 100 to 103 including reference particle images (model particle images) used in the test. As shown in FIG. 13, four reference images 100, 101, 102, and 103 were generated by rotating the reference particle image of the reference image 100 by 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees, respectively. . These four reference images 100 to 103 were randomly selected and distributed at random positions in a two-dimensional image of 5120 pixels × 5120 pixels. Furthermore, the entire image 30 including 100 or 200 target particle images is generated by superimposing noise on the two-dimensional image.

図14(A)は、SN比(=S/N比)0.1の全体画像30中の対象粒子像を、図14(B)は、SN比0.01の全体画像30中の対象粒子像を、図14(B)は、SN比0.001の全体画像30中の対象粒子像を、それぞれ示す図である。   14A shows the target particle image in the entire image 30 with an SN ratio (= S / N ratio) of 0.1, and FIG. 14B shows the target particle in the entire image 30 with an SN ratio of 0.01. FIG. 14B is a diagram showing the target particle images in the entire image 30 with an SN ratio of 0.001.

MRP法およびMRMP法を用いた第1の動作モード(図4)により、このような全体画像30から対象粒子像を検出した。図15(A)は、全体画像30を示す図であり、図15(B)は、この全体画像30の一部領域Wdを拡大表示した図である。図15(B)に示されるように、白線の枠で囲まれた領域が、MRMP法を用いて検出され(拾い上げられ)た対象粒子像を示している。   The target particle image was detected from the entire image 30 by the first operation mode (FIG. 4) using the MRP method and the MRMP method. FIG. 15A is a diagram showing the entire image 30, and FIG. 15B is an enlarged view of a partial area Wd of the entire image 30. As shown in FIG. 15B, a region surrounded by a white line frame indicates a target particle image detected (picked up) using the MRMP method.

図16は、100個の対象粒子像を拾い上げたときの拾い上げ効率のS/N比依存性を示すグラフである。このグラフの横軸は、全体画像30のSN比(=S/N比)を示し、グラフの縦軸は、拾い上げ効率を示している。ここで、「拾い上げ効率」とは、全体画像30中のモデル粒子像の実際の位置と、検出された対象粒子像の位置との一致率(%)である。たとえば、検出された100個の対象粒子像の位置のうち50個の位置がモデル粒子像の実際の位置と一致した場合、拾い上げ効率は50%となる。図16のグラフ中、記号「×」は、MRP法による平均拾い上げ効率を、記号「○」は、MRMP法による平均拾い上げ効率を、それぞれ示している。実線は、MRP法による平均拾い上げ効率を示す点を結んだものである。このグラフでは、判別しにくいが、SN比が、1、0.1、0.01のそれぞれの拾い上げ効率の値は、MRP法とMRMP法とでほぼ同じであった。   FIG. 16 is a graph showing the S / N ratio dependence of the pickup efficiency when 100 target particle images are picked up. The horizontal axis of this graph represents the SN ratio (= S / N ratio) of the entire image 30, and the vertical axis of the graph represents the picking efficiency. Here, “pickup efficiency” is the coincidence rate (%) between the actual position of the model particle image in the entire image 30 and the position of the detected target particle image. For example, when 50 positions out of 100 detected target particle images coincide with the actual positions of the model particle images, the pick-up efficiency is 50%. In the graph of FIG. 16, the symbol “x” indicates the average pick-up efficiency by the MRP method, and the symbol “◯” indicates the average pick-up efficiency by the MRMP method. The solid line connects the points indicating the average pick-up efficiency by the MRP method. In this graph, although it is difficult to discriminate, the pick-up efficiency values of the SN ratios of 1, 0.1, and 0.01 were almost the same between the MRP method and the MRMP method.

図17は、200個の対象粒子像を拾い上げたときの拾い上げ効率のS/N比依存性を示すグラフである。このグラフの横軸は、全体画像30のSN比(=S/N比)を示し、グラフの縦軸は、拾い上げ効率を示している。たとえば、検出された200個の対象粒子像の位置のうち100個の位置がモデル粒子像の実際の位置と一致した場合、拾い上げ効率は50%となる。図17のグラフ中、実線は、MRP法による平均拾い上げ効率を、○の記号は、SN比0.001の全体画像30に対するMRMP法による平均拾い上げ効率を、それぞれ示している。   FIG. 17 is a graph showing the S / N ratio dependence of the pickup efficiency when 200 target particle images are picked up. The horizontal axis of this graph represents the SN ratio (= S / N ratio) of the entire image 30, and the vertical axis of the graph represents the picking efficiency. For example, when 100 positions among the detected positions of the 200 target particle images coincide with the actual positions of the model particle images, the pick-up efficiency is 50%. In the graph of FIG. 17, the solid line indicates the average pick-up efficiency by the MRP method, and the symbol “◯” indicates the average pick-up efficiency by the MRMP method for the entire image 30 with the SN ratio of 0.001.

図16および図17のグラフによれば、ともに、10−2オーダーの低S/N比の全体画像30から100%の効率で対象粒子像が拾い上げられていることが分かる。特に、MRMP法を使用して対象粒子像を拾い上げた場合は、MRP法を使用して対象粒子像を拾い上げた場合と比べて、拾い上げ効率が向上していることが分かる。 According to the graphs of FIGS. 16 and 17, it can be seen that the target particle image is picked up with an efficiency of 100% from the entire image 30 having a low S / N ratio of 10 −2 order. In particular, when the target particle image is picked up using the MRMP method, it is understood that the picking efficiency is improved as compared with the case where the target particle image is picked up using the MRP method.

図18は、S/N比0.001の全体画像30から100個の対象粒子像を拾い上げたときの拾い上げ効率のパラメータ依存性を示すグラフである。このグラフの横軸は、図8の探索窓51の半径Rとピーク密度に対する閾値ρとの組み合わせ(パラメータ)を示している。ピーク密度が閾値ρ以上となったときに、探索窓51の位置に対象粒子像が位置すると判定された。一方、図19は、S/N比0.001の全体画像30から200個の対象粒子像を拾い上げたときの拾い上げ効率のパラメータ依存性を示すグラフである。このグラフの横軸も、図8の探索窓51の半径Rとピーク密度に対する閾値ρとの組み合わせ(パラメータ)を示している。図18と図19のグラフには、ともに、MRP法による拾い上げ効率とMRMP法による拾い上げ効率とが示されている。   FIG. 18 is a graph showing the parameter dependence of the pick-up efficiency when 100 target particle images are picked up from the entire image 30 having an S / N ratio of 0.001. The horizontal axis of this graph represents a combination (parameter) of the radius R of the search window 51 of FIG. 8 and the threshold value ρ with respect to the peak density. When the peak density is equal to or higher than the threshold ρ, it is determined that the target particle image is located at the position of the search window 51. On the other hand, FIG. 19 is a graph showing the parameter dependence of the pick-up efficiency when 200 target particle images are picked up from the entire image 30 having an S / N ratio of 0.001. The horizontal axis of this graph also indicates a combination (parameter) of the radius R of the search window 51 in FIG. 8 and the threshold value ρ with respect to the peak density. 18 and 19 both show the pick-up efficiency by the MRP method and the pick-up efficiency by the MRMP method.

図18および図19のグラフによれば、MRP法とMRMP法の双方で、パラメータを調整すれば、略100%の拾い上げ効率を達成できることが分かる。また、MRMP法を使用した場合は、MRP法を使用した場合と比べて、拾い上げ効率のパラメータの設定値に対する依存性が低いことが分かる。言い換えれば、MRMP法は、パラメータに対して優れた耐ノイズ性を有し、パラメータ変動に対して高いロバストネス(robustness)を有する。   According to the graphs of FIGS. 18 and 19, it can be seen that the pick-up efficiency of about 100% can be achieved by adjusting the parameters in both the MRP method and the MRMP method. It can also be seen that when the MRMP method is used, the dependency of the pick-up efficiency on the set value of the parameter is lower than when the MRP method is used. In other words, the MRMP method has excellent noise resistance with respect to parameters and has high robustness against parameter variations.

図20は、S/N比0.001の全体画像30から100個の対象粒子像を拾い上げたとき、拾い上げられた対象粒子像の累積頻度分布を示すグラフである。図21は、S/N比0.001の全体画像30から200個の対象粒子像を拾い上げたとき、拾い上げられた対象粒子像の累積頻度分布を示すグラフである。図20および図21は、異なるパラメータ(半径Rと閾値ρの組み合わせ)が使用された場合の合計16個のグラフからなり、各グラフには、使用されたパラメータの値が示されている。また、各グラフの縦軸は、拾い上げられた対象粒子像の累積頻度を示しており、各グラフの横軸は、全体画像30中のモデル粒子像の実際の位置と、拾い上げられた対象粒子像の位置との間の距離(単位:ピクセル)を示している。各グラフの横軸は、100個または200個のモデル粒子像のうちi番目のモデル粒子像の位置P(i)と、拾い上げられた100個または200個の対象粒子像のうち位置P(i)に最近接の対象粒子像の位置Q(i)との間のズレを表している。各グラフ中、破線はMRP法を用いた場合の結果を、実線はMRMP法を用いた場合の結果を、それぞれ示している。   FIG. 20 is a graph showing a cumulative frequency distribution of the target particle images picked up when 100 target particle images are picked up from the entire image 30 having an S / N ratio of 0.001. FIG. 21 is a graph showing a cumulative frequency distribution of target particle images picked up when 200 target particle images are picked up from the entire image 30 having an S / N ratio of 0.001. 20 and 21 are composed of a total of 16 graphs when different parameters (combination of radius R and threshold value ρ) are used, and each graph shows the value of the parameter used. The vertical axis of each graph indicates the cumulative frequency of the picked up target particle image, and the horizontal axis of each graph shows the actual position of the model particle image in the entire image 30 and the picked up target particle image. The distance (unit: pixel) between these positions is shown. The horizontal axis of each graph represents the position P (i) of the i-th model particle image among 100 or 200 model particle images, and the position P (i) of the 100 or 200 target particle images picked up. ) Represents the deviation from the position Q (i) of the closest target particle image. In each graph, the broken line indicates the result when the MRP method is used, and the solid line indicates the result when the MRP method is used.

図20と図21のグラフについては、累積頻度が0から100へ収束するときの曲線の立ち上がり部分の傾きが大きいほど、拾い上げられた対象粒子像の位置ズレは小さいので、対象粒子像の検出精度は高い。図20および図21のグラフによれば、MRP法とMRMP法の双方で、パラメータを調整すれば、高い検出効率を達成できることが分かる。また、MRMP法を使用した場合は、MRP法を使用した場合と比べて、パラメータの設定値に関係せずに、概ね、累積頻度の収束性が良好である。これらグラフから、MRMP法は、パラメータに対して優れた耐ノイズ性を有し、パラメータ変動に対して高いロバストネスを有することが分かる。   In the graphs of FIG. 20 and FIG. 21, the larger the slope of the rising portion of the curve when the cumulative frequency converges from 0 to 100, the smaller the positional deviation of the picked up target particle image. Is expensive. 20 and 21, it can be seen that high detection efficiency can be achieved by adjusting parameters in both the MRP method and the MRMP method. In addition, when the MRMP method is used, the convergence of the accumulated frequency is generally better regardless of the parameter setting values than when the MRP method is used. From these graphs, it can be seen that the MRMP method has excellent noise resistance with respect to parameters and high robustness against parameter fluctuations.

図22および図23は、TRPM2と呼ばれるタンパク質の観測粒子像を含む電子顕微鏡を全体画像30としたときに得られたグラフである。図22は、拾い上げ粒子数(拾い上げられた観測粒子像の個数)と相関値との関係を示すグラフであり、図23は、相関値と拾い上げられた観測粒子像の頻度分布を示している。各グラフには、使用されたパラメータ(半径Rと閾値ρの組み合わせ)の値が示されている。また、各グラフ中、破線はMRP法を用いた場合の結果を、実線はMRMP法を用いた場合の結果を、点線は、目視で観測粒子像を特定した場合の結果を、それぞれ示している。   FIGS. 22 and 23 are graphs obtained when an electron microscope including an observed particle image of a protein called TRPM2 is used as the entire image 30. FIG. FIG. 22 is a graph showing the relationship between the number of picked-up particles (number of picked-up observed particle images) and the correlation value, and FIG. 23 shows the frequency distribution of the picked-up observation particle images. Each graph shows the value of the parameter used (combination of radius R and threshold ρ). In each graph, the broken line indicates the result when the MRP method is used, the solid line indicates the result when the MRP method is used, and the dotted line indicates the result when the observed particle image is visually identified. .

図22のグラフの相関値は、拾い上げられ(検出され)た観測粒子像とTRPM2タンパク質の3次元構造の射影画像との間の相互相関係数である。図22のグラフは、相関値が高いほど、観測粒子像の検出精度が高いことを意味している。図22のグラフによれば、MRP法とMRMP法をそれぞれ使用した場合、パラメータを調整すれば、目視で観測粒子像を検出した場合よりも高い検出精度を達成できていることが分かる。たとえば、(R=1、ρ=1.00)、(R=2、ρ=0.50)、(R=2、ρ=1.00)、(R=3、ρ=0.67)、(R=5、ρ=0.40)というパラメータを使用した場合は、目視で観測粒子像を検出した場合よりも、高い検出精度が得られている。   The correlation value in the graph of FIG. 22 is a cross-correlation coefficient between the observed particle image picked up (detected) and the projected image of the three-dimensional structure of the TRPM2 protein. The graph of FIG. 22 means that the higher the correlation value, the higher the detection accuracy of the observed particle image. According to the graph of FIG. 22, it can be seen that when the MRP method and the MRMP method are used, if the parameters are adjusted, higher detection accuracy can be achieved than when the observed particle image is detected visually. For example, (R = 1, ρ = 1.00), (R = 2, ρ = 0.50), (R = 2, ρ = 1.00), (R = 3, ρ = 0.67), When the parameters (R = 5, ρ = 0.40) are used, higher detection accuracy is obtained than when the observed particle image is detected visually.

また、図22のグラフによれば、MRMP法を使用した場合は、MRP法を使用した場合と比べて、観測粒子像の検出精度のパラメータ依存性が低いことが分かる。よって、MRMP法は、パラメータに対して優れた耐ノイズ性を有し、パラメータ変動に対して高いロバストネスを有することが分かる。   Further, according to the graph of FIG. 22, it can be seen that when the MRMP method is used, the parameter dependence of the detection accuracy of the observed particle image is lower than when the MRP method is used. Therefore, it can be seen that the MRMP method has excellent noise resistance with respect to parameters and has high robustness against parameter variations.

図23のグラフの相関値は、拾い上げられ(検出され)た観測粒子像とTRPM2タンパク質の3次元構造の射影画像との間の相互相関係数である。頻度分布の偏りが相関値の高い方にシフトするほど、観測粒子像の検出精度が高い。図23のグラフによれば、概ね、MRP法とMRMP法をそれぞれ使用した場合、目視で観測粒子像を検出した場合よりも高い検出精度を達成できていることが分かる。   The correlation value in the graph of FIG. 23 is a cross-correlation coefficient between the observed particle image picked up (detected) and the projected image of the three-dimensional structure of the TRPM2 protein. As the bias of the frequency distribution shifts to a higher correlation value, the detection accuracy of the observed particle image is higher. According to the graph of FIG. 23, it can be seen that in general, when the MRP method and the MRMP method are used, higher detection accuracy can be achieved than when the observed particle image is detected visually.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、上記実施形態では、粒子構造解析装置1に入力される全体画像は電子顕微鏡像であり、参照画像記憶部162に記憶されている参照画像R〜Rは、生体高分子像を模した粒子像であるが、これに限定されるものではない。全体画像が、生体高分子像以外の対象粒子像を含む低S/N比画像であってもよいし、参照画像R〜Rが、生体高分子像以外の対象粒子像を模した画像であってもよい。上記実施形態の粒子構造解析装置1は、たとえば、地上を撮した衛星画像から、建築物などの構造物の像を対象粒子像として検出することができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable. For example, in the above embodiment, the entire image input to the particle structure analysis apparatus 1 is an electron microscope image, and the reference images R 1 to R N stored in the reference image storage unit 162 are modeled on biopolymer images. However, the present invention is not limited to this. The entire image may be a low S / N ratio image including a target particle image other than the biopolymer image, or the reference images R 1 to R N are images imitating a target particle image other than the biopolymer image. It may be. The particle structure analysis apparatus 1 of the above embodiment can detect an image of a structure such as a building as a target particle image from a satellite image taken from the ground, for example.

また、粒子像検出部2の処理を並列化することができる。たとえば、複数のプロセッサを使用して、ピーク検出部12における類似度算出処理を、参照画像R(kは1〜Nのうちの任意整数)別にあるいは部分画像別に並列化することができる。 Moreover, the process of the particle image detection part 2 can be parallelized. For example, by using a plurality of processors, the similarity calculation process in the peak detection unit 12 can be parallelized for each reference image R k (k is an arbitrary integer from 1 to N) or for each partial image.

単粒子解析法の概要を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline | summary of a single particle analysis method. 本発明に係る一実施形態の画像処理システムである粒子構造解析装置の概略構成を示す機能ブロック図である。1 is a functional block diagram showing a schematic configuration of a particle structure analysis apparatus which is an image processing system according to an embodiment of the present invention. 粒子像検出部の概略構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows schematic structure of a particle image detection part. 粒子構造解析処理の手順を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of a particle structure analysis process roughly. 全体画像と部分画像の一部とを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a whole image and a part of partial image. (A),(B)は、それぞれ、異なる方向から視たときの同一の参照粒子像を含む参照画像を例示する図である。(A), (B) is a figure which illustrates the reference image containing the same reference particle image when it sees from a different direction, respectively. (A)〜(C)は、図6(B)の参照画像と図5の部分画像とに基づいて算出された位置設定ベクトルを示す図である。(A)-(C) is a figure which shows the position setting vector calculated based on the reference image of FIG.6 (B), and the partial image of FIG. 2次元ピーク分布を模式的に示す図である。It is a figure which shows a two-dimensional peak distribution typically. 繰り返し処理を伴う粒子構造解析処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the particle | grain structure analysis process accompanied by a repetition process. フィードバック処理の手順を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of a feedback process roughly. 派生画像の生成方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the production | generation method of a derivative image. 移動量とピーク類似度との関係の一例を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating an example of the relationship between a movement amount and peak similarity. テスト用参照画像を示す図である。It is a figure which shows the reference image for a test. (A),(B),(C)は、それぞれ、0.1、0.01、0.001のSN比(S/N比)を有するモデル粒子像(対象粒子像)を示す図である。(A), (B), (C) is a figure which shows the model particle image (target particle image) which has SN ratio (S / N ratio) of 0.1, 0.01, and 0.001, respectively. . (A)は、全体画像を示す図であり、(B)は、全体画像の一部領域Wdを拡大した図である。(A) is a figure which shows the whole image, (B) is the figure which expanded the partial area | region Wd of the whole image. 対象粒子像の拾い上げ効率のS/N比依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the S / N ratio dependence of the pick-up efficiency of a target particle image. 対象粒子像の拾い上げ効率のS/N比依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the S / N ratio dependence of the pick-up efficiency of a target particle image. 対象粒子像の拾い上げ効率のパラメータ依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the parameter dependence of the picking-up efficiency of an object particle image. 対象粒子像の拾い上げ効率のパラメータ依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the parameter dependence of the picking-up efficiency of an object particle image. 拾い上げられた対象粒子像の累積頻度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the cumulative frequency distribution of the object particle image picked up. 拾い上げられた対象粒子像の累積頻度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the cumulative frequency distribution of the object particle image picked up. TRPM2タンパク質の観測粒子像を含む電子顕微鏡像から得られたグラフである。It is the graph obtained from the electron microscope image containing the observation particle image of TRPM2 protein. TRPM2タンパク質の観測粒子像を含む電子顕微鏡像から得られたグラフである。It is the graph obtained from the electron microscope image containing the observation particle image of TRPM2 protein.

符号の説明Explanation of symbols

1 粒子構造解析装置(画像処理システム)
2 粒子像検出部
3 立体構造解析部
10 画像入力部
11 部分画像抽出部
12 ピーク検出部
13 ベクトル算出部
14 ピーク分布生成部
15 粒子像探索部
150 ピーク密度算出部
151 位置検出部
16 データ記憶部
161 画像記憶部
162 参照画像記憶部
163 ピーク分布画像記憶部
164 派生画像記憶部
17 粒子画像抽出部
18 画像分類部
19 平均化処理部
20 更新処理部
21 画像メモリ
22 コントローラ
30 全体画像
31,32 対象粒子像
1 Particle structure analyzer (image processing system)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Particle image detection part 3 Three-dimensional structure analysis part 10 Image input part 11 Partial image extraction part 12 Peak detection part 13 Vector calculation part 14 Peak distribution generation part 15 Particle image search part 150 Peak density calculation part 151 Position detection part 16 Data storage part 161 Image storage unit 162 Reference image storage unit 163 Peak distribution image storage unit 164 Derived image storage unit 17 Particle image extraction unit 18 Image classification unit 19 Averaging processing unit 20 Update processing unit 21 Image memory 22 Controller 30 Whole image 31, 32 Object Particle image

Claims (29)

複数の対象粒子像を含む全体画像から複数の部分画像を抽出する部分画像抽出部と、
前記対象粒子像を模した参照粒子像の画像データが格納されている画像記憶部と、
前記各部分画像について当該各部分画像と前記参照粒子像との間の類似度分布を算出し、前記類似度分布のピークを検出するピーク検出部と、
前記各部分画像について当該各部分画像内の所定の基準位置から前記ピークの位置に至る位置設定ベクトルを算出するベクトル算出部と、
前記全体画像の領域に対して前記位置設定ベクトルにより指定された位置に当該ピークの位置を設定して2次元ピーク分布を生成するピーク分布生成部と、
を備え、
前記部分画像抽出部は、前記複数の部分画像のうち所定方向に隣り合う部分画像同士が重複するように前記全体画像から前記複数の部分画像を抽出する、画像処理システム。
A partial image extraction unit that extracts a plurality of partial images from an entire image including a plurality of target particle images;
An image storage unit storing image data of a reference particle image simulating the target particle image;
A peak detector for calculating a similarity distribution between each partial image and the reference particle image for each partial image, and detecting a peak of the similarity distribution;
A vector calculation unit for calculating a position setting vector from the predetermined reference position in each partial image to the peak position for each partial image;
A peak distribution generation unit configured to generate a two-dimensional peak distribution by setting a position of the peak at a position specified by the position setting vector with respect to the region of the entire image;
With
The partial image extraction unit is an image processing system that extracts the plurality of partial images from the whole image so that partial images adjacent in a predetermined direction among the plurality of partial images overlap each other.
請求項1に記載の画像処理システムであって、前記ピーク分布生成部は、前記各部分画像内の当該所定の基準位置を、当該各部分画像について算出された前記位置設定ベクトルだけシフトさせ、当該シフトされた基準位置を前記位置設定ベクトルにより指定された位置とする、画像処理システム。   The image processing system according to claim 1, wherein the peak distribution generation unit shifts the predetermined reference position in each partial image by the position setting vector calculated for each partial image, and An image processing system, wherein the shifted reference position is a position specified by the position setting vector. 請求項1または2に記載の画像処理システムであって、前記ピーク検出部は、前記各部分画像について、閾値以上の類似度を有する少なくとも1つのピークを検出する、画像処理システム。   3. The image processing system according to claim 1, wherein the peak detection unit detects at least one peak having a similarity equal to or higher than a threshold value for each of the partial images. 請求項1に記載の画像処理システムであって、前記ピーク検出部は、前記各部分画像の中から着目画素領域を順次選択するとともに、前記着目画素領域ごとに前記参照粒子像と前記着目画素領域を含む画像領域との類似度を算出することにより前記類似度分布を得る、画像処理システム。   The image processing system according to claim 1, wherein the peak detection unit sequentially selects a target pixel area from the partial images, and the reference particle image and the target pixel area for each target pixel area. An image processing system that obtains the similarity distribution by calculating a similarity with an image region including the image area. 請求項1から4のうちのいずれか1項に記載の画像処理システムであって、前記2次元ピーク分布に基づいて前記対象粒子像の位置を検出する粒子像探索部をさらに備える画像処理システム。   5. The image processing system according to claim 1, further comprising a particle image search unit configured to detect a position of the target particle image based on the two-dimensional peak distribution. 請求項5に記載の画像処理システムであって、前記粒子像探索部は、前記2次元ピーク分布に現れるピークの密度が閾値以上となる領域を探索し、その探索結果に基づいて前記対象粒子像の位置を検出する、画像処理システム。   6. The image processing system according to claim 5, wherein the particle image search unit searches for a region where the density of peaks appearing in the two-dimensional peak distribution is equal to or greater than a threshold value, and based on the search result, the target particle image. Image processing system that detects the position of 請求項6に記載の画像処理システムであって、
前記粒子像探索部は、
前記2次元ピーク分布に対して探索窓を走査させつつ、前記探索窓内のピークの個数に基づいて前記密度を順次算出するピーク密度算出部と、
前記密度が閾値以上となったときの前記探索窓の位置に前記対象粒子像が位置すると判定する位置検出部と、
を含む、画像処理システム。
The image processing system according to claim 6,
The particle image search unit includes:
A peak density calculator that sequentially calculates the density based on the number of peaks in the search window while scanning the search window with respect to the two-dimensional peak distribution;
A position detection unit that determines that the target particle image is positioned at the position of the search window when the density is equal to or higher than a threshold;
Including an image processing system.
請求項5から7のうちのいずれか1項に記載の画像処理システムであって、
前記粒子像探索部は、前記2次元ピーク分布に現れるピークの位置の類似度が閾値以上となる領域を探索し、その探索結果に基づいて前記対象粒子像の位置を検出し、
前記2次元ピーク分布に現れる複数のピークの位置が重複するときは、前記複数のピークがそれぞれ有する類似度の加算結果に基づいて前記対象粒子像の位置が検出される、画像処理システム。
The image processing system according to any one of claims 5 to 7,
The particle image search unit searches for a region where the similarity of the peak position appearing in the two-dimensional peak distribution is equal to or greater than a threshold, and detects the position of the target particle image based on the search result,
An image processing system in which, when positions of a plurality of peaks appearing in the two-dimensional peak distribution overlap, a position of the target particle image is detected based on a result of adding similarities of the plurality of peaks.
請求項5から8のうちのいずれか1項に記載の画像処理システムであって、
前記粒子像探索部により検出された位置にある対象粒子像を含む粒子画像を前記全体画像から抽出する粒子画像抽出部と、
前記粒子画像または当該粒子画像から派生させた派生画像を複数のグループに分類する画像分類部と、
当該分類された粒子画像または派生画像を前記グループごとに平均化して2次元平均化像を生成する平均化処理部と、
前記参照粒子像の画像データを前記2次元平均化像のデータで置き換えることで前記画像記憶部の記憶内容を更新する更新処理部と、
をさらに備え、
前記部分画像抽出部、前記ピーク検出部、前記ベクトル算出部、前記ピーク分布生成部および前記粒子像探索部は、前記2次元平均化像中の粒子像を前記参照粒子像として使用した処理を再度実行する、画像処理システム。
The image processing system according to any one of claims 5 to 8,
A particle image extraction unit that extracts a particle image including a target particle image at a position detected by the particle image search unit from the entire image;
An image classification unit for classifying the particle image or a derived image derived from the particle image into a plurality of groups;
An averaging processor that averages the classified particle image or derivative image for each group to generate a two-dimensional averaged image;
An update processing unit that updates the storage content of the image storage unit by replacing the image data of the reference particle image with the data of the two-dimensional averaged image;
Further comprising
The partial image extraction unit, the peak detection unit, the vector calculation unit, the peak distribution generation unit, and the particle image search unit again perform processing using the particle image in the two-dimensional averaged image as the reference particle image. An image processing system to be executed.
請求項9に記載の画像処理システムであって、前記部分画像抽出部、前記ピーク検出部、前記ベクトル算出部、前記ピーク分布生成部、前記粒子像探索部、前記粒子画像抽出部、前記平均化処理部および前記更新処理部は、繰り返し処理を実行する、画像処理システム。   The image processing system according to claim 9, wherein the partial image extraction unit, the peak detection unit, the vector calculation unit, the peak distribution generation unit, the particle image search unit, the particle image extraction unit, and the averaging The processing unit and the update processing unit perform an iterative process. 請求項9または10に記載の画像処理システムであって、前記画像分類部は、粒子が向いている方向別に前記粒子画像または前記派生画像を複数のグループに分類する、画像処理システム。   11. The image processing system according to claim 9, wherein the image classification unit classifies the particle image or the derived image into a plurality of groups according to a direction in which particles are directed. 請求項1から11のうちのいずれか1項に記載の画像処理システムであって、前記全体画像は、試料に含まれる複数の生体高分子を電子顕微鏡で撮像した画像である、画像処理システム。   12. The image processing system according to claim 1, wherein the whole image is an image obtained by imaging a plurality of biopolymers included in a sample with an electron microscope. 請求項1から12のうちのいずれか1項に記載の画像処理システムであって、前記粒子画像に基づいて前記対象粒子像の立体構造を推定する立体構造推定部をさらに備える画像処理システム。   The image processing system according to claim 1, further comprising a three-dimensional structure estimation unit that estimates a three-dimensional structure of the target particle image based on the particle image. (a)複数の対象粒子像を含む全体画像から複数の部分画像を抽出するステップと、
(b)前記対象粒子像を模した参照粒子像の画像データを画像記憶部から読み出し、前記各部分画像について当該各部分画像と前記参照粒子像との間の類似度分布を算出し、前記類似度分布のピークを検出するステップと、
(c)前記各部分画像について当該各部分画像内の所定の基準位置から前記ピークの位置に至る位置設定ベクトルを算出するステップと、
(d)前記全体画像の領域に対して前記位置設定ベクトルを用いて指定された位置に当該ピークの位置を設定して2次元ピーク分布を生成するステップと、
を備え、
前記ステップ(a)において、前記複数の部分画像は、当該複数の部分画像のうち所定方向に隣り合う部分画像同士が重複するように前記全体画像から抽出される、画像処理方法。
(A) extracting a plurality of partial images from an entire image including a plurality of target particle images;
(B) Reading image data of a reference particle image simulating the target particle image from an image storage unit, calculating a similarity distribution between each partial image and the reference particle image for each partial image, and calculating the similarity Detecting a peak of the degree distribution;
(C) calculating a position setting vector from the predetermined reference position in each partial image to the peak position for each partial image;
(D) generating a two-dimensional peak distribution by setting the position of the peak at a position designated by using the position setting vector with respect to the region of the entire image;
With
In the step (a), the plurality of partial images are extracted from the whole image so that partial images adjacent in a predetermined direction among the plurality of partial images overlap each other.
請求項14に記載の画像処理方法であって、前記ステップ(b)では、前記各部分画像について、閾値以上の類似度を有する少なくとも1つのピークが検出される、画像処理方法。   15. The image processing method according to claim 14, wherein in the step (b), at least one peak having a similarity equal to or higher than a threshold is detected for each partial image. 請求項14に記載の画像処理方法であって、
(e)前記2次元ピーク分布に基づいて前記対象粒子像の位置を検出するステップ、
をさらに備える画像処理方法。
The image processing method according to claim 14, comprising:
(E) detecting a position of the target particle image based on the two-dimensional peak distribution;
An image processing method further comprising:
請求項16に記載の画像処理方法であって、前記ステップ(e)は、前記2次元ピーク分布に現れるピークの密度が閾値以上となる領域を探索し、その探索結果に基づいて前記対象粒子像の位置を検出するステップを含む、画像処理方法。   17. The image processing method according to claim 16, wherein the step (e) searches for a region where the density of peaks appearing in the two-dimensional peak distribution is equal to or greater than a threshold, and the target particle image is based on the search result. An image processing method including a step of detecting a position of the image. 請求項17に記載の画像処理方法であって、
前記ステップ(e)は、
前記2次元ピーク分布に対して探索窓を走査させつつ、前記探索窓内のピークの個数に基づいて前記密度を順次算出するステップと、
前記密度が閾値以上となったときに前記探索窓の位置に前記対象粒子像が位置すると判定するステップと、
を含む、画像処理方法。
The image processing method according to claim 17, comprising:
The step (e)
Sequentially scanning the density based on the number of peaks in the search window while scanning the search window for the two-dimensional peak distribution;
Determining that the target particle image is located at the position of the search window when the density is equal to or higher than a threshold;
Including an image processing method.
請求項16から18のうちのいずれか1項に記載の画像処理方法であって、
前記ステップ(e)は、前記2次元ピーク分布に現れるピークの位置の類似度が閾値以上となる領域を探索し、その探索結果に基づいて前記対象粒子像の位置を検出するステップを含み、
前記2次元ピーク分布に現れる複数のピークの位置が重複するときは、前記複数のピークがそれぞれ有する類似度の加算結果に基づいて前記対象粒子像の位置が検出される、画像処理方法。
The image processing method according to any one of claims 16 to 18, comprising:
The step (e) includes a step of searching for a region where the similarity of the position of the peak appearing in the two-dimensional peak distribution is a threshold value or more, and detecting the position of the target particle image based on the search result,
An image processing method in which, when positions of a plurality of peaks appearing in the two-dimensional peak distribution overlap, a position of the target particle image is detected based on an addition result of similarities of the plurality of peaks.
請求項16から19のうちのいずれか1項に記載の画像処理方法であって、
(f)前記対象粒子像を探索することにより検出された位置にある対象粒子像を含む粒子画像を前記全体画像から抽出するステップと、
(g)前記粒子画像または当該粒子画像から派生させた派生画像を複数のグループに分類し、当該分類された粒子画像または派生画像を前記グループごとに平均化して2次元平均化像を生成するステップと、
(h)前記参照粒子像の画像データを前記2次元平均化像のデータで置き換えることで前記画像記憶部の記憶内容を更新するステップと、
をさらに備え、
前記ステップ(a)〜(d)は、前記2次元平均化像中の粒子像を前記参照粒子像として使用して再度実行される、画像処理方法。
An image processing method according to any one of claims 16 to 19, comprising:
(F) extracting a particle image including the target particle image at a position detected by searching the target particle image from the whole image;
(G) Classifying the particle images or derived images derived from the particle images into a plurality of groups, and averaging the classified particle images or derived images for each group to generate a two-dimensional averaged image. When,
(H) updating the storage content of the image storage unit by replacing the image data of the reference particle image with the data of the two-dimensional averaged image;
Further comprising
The image processing method in which the steps (a) to (d) are performed again using a particle image in the two-dimensional averaged image as the reference particle image.
請求項20に記載の画像処理方法であって、前記ステップ(a)〜(h)は繰り返し実行される、画像処理方法。   21. The image processing method according to claim 20, wherein the steps (a) to (h) are repeatedly executed. コンピュータ読み取り可能な記録媒体から読み出されてコンピュータに画像処理を実行させるプログラムであって、
前記画像処理は、
複数の対象粒子像を含む全体画像から複数の部分画像を抽出する部分画像抽出処理と、
前記対象粒子像を模した参照粒子像の画像データを画像記憶部から読み出し、前記各部分画像について当該各部分画像と前記参照粒子像との間の類似度分布を算出し、前記類似度分布のピークを検出するピーク検出処理と、
前記各部分画像について当該各部分画像内の所定の基準位置から前記ピークの位置に至る位置設定ベクトルを算出するベクトル算出処理と、
前記全体画像の領域に対して前記位置設定ベクトルを用いて指定された位置に当該ピークの位置を設定して2次元ピーク分布を生成するピーク分布生成処理と、
を含み、
前記部分画像抽出処理では、前記複数の部分画像のうち所定方向に隣り合う部分画像同士が重複するように前記全体画像から前記複数の部分画像が抽出される、プログラム。
A program that is read from a computer-readable recording medium and causes a computer to execute image processing,
The image processing
A partial image extraction process for extracting a plurality of partial images from an entire image including a plurality of target particle images;
Image data of a reference particle image that imitates the target particle image is read from an image storage unit, a similarity distribution between each partial image and the reference particle image is calculated for each partial image, and the similarity distribution A peak detection process for detecting peaks;
A vector calculation process for calculating a position setting vector from the predetermined reference position in each partial image to the peak position for each partial image;
A peak distribution generation process for generating a two-dimensional peak distribution by setting the position of the peak at a position specified by using the position setting vector with respect to the region of the entire image;
Including
In the partial image extraction process, the plurality of partial images are extracted from the whole image so that partial images adjacent in a predetermined direction among the plurality of partial images overlap each other.
請求項22に記載のプログラムであって、前記画像処理は、前記2次元ピーク分布に基づいて前記対象粒子像の位置を検出する粒子像探索処理をさらに含む、プログラム。   23. The program according to claim 22, wherein the image processing further includes a particle image search process for detecting a position of the target particle image based on the two-dimensional peak distribution. 請求項23に記載のプログラムであって、
前記画像処理は、
前記粒子像探索処理により検出された位置にある対象粒子像を含む粒子画像を前記全体画像から抽出する粒子画像抽出処理と、
前記粒子画像または当該粒子画像から派生させた派生画像を複数のグループに分類する画像分類処理と、
当該分類された粒子画像または派生画像を前記グループごとに平均化して2次元平均化像を生成する平均化処理と、
前記参照粒子像の画像データを前記2次元平均化像のデータで置き換えることで前記画像記憶部の記憶内容を更新する更新処理と、
をさらに含み、
前記部分画像抽出処理、前記ピーク検出処理、前記ベクトル算出処理および前記ピーク分布生成処理は、前記2次元平均化像中の粒子像を前記参照粒子像として使用して再度実行される、プログラム。
The program according to claim 23, wherein
The image processing is
A particle image extraction process for extracting, from the entire image, a particle image including a target particle image at a position detected by the particle image search process;
Image classification processing for classifying the particle image or a derived image derived from the particle image into a plurality of groups;
An averaging process for averaging the classified particle image or derivative image for each group to generate a two-dimensional averaged image;
An update process for updating the storage content of the image storage unit by replacing the image data of the reference particle image with the data of the two-dimensional averaged image;
Further including
The partial image extraction process, the peak detection process, the vector calculation process, and the peak distribution generation process are executed again using a particle image in the two-dimensional averaged image as the reference particle image.
請求項24に記載のプログラムであって、前記部分画像抽出処理、前記ピーク検出処理、前記ベクトル算出処理、前記ピーク分布生成処理、前記粒子像探索処理、前記粒子画像抽出処理、前記平均化処理および前記更新処理は繰り返し実行される、プログラム。   25. The program according to claim 24, wherein the partial image extraction process, the peak detection process, the vector calculation process, the peak distribution generation process, the particle image search process, the particle image extraction process, the averaging process, and The update process is executed repeatedly. コンピュータに画像処理を実行させるプログラムを記録した記録媒体であって、
前記画像処理は、
複数の対象粒子像を含む全体画像から複数の部分画像を抽出する部分画像抽出処理と、
前記対象粒子像を模した参照粒子像の画像データを画像記憶部から読み出し、前記各部分画像について当該各部分画像と前記参照粒子像との間の類似度分布を算出し、前記類似度分布のピークを検出するピーク検出処理と、
前記各部分画像について当該各部分画像内の所定の基準位置から前記ピークの位置に至る位置設定ベクトルを算出するベクトル算出処理と、
前記全体画像の領域に対して前記位置設定ベクトルを用いて指定された位置に当該ピークの位置を設定して2次元ピーク分布を生成するピーク分布生成処理と、
を含み、
前記部分画像抽出処理では、前記複数の部分画像のうち所定方向に隣り合う部分画像同士が重複するように前記全体画像から前記複数の部分画像が抽出される、記録媒体。
A recording medium recording a program for causing a computer to execute image processing,
The image processing is
A partial image extraction process for extracting a plurality of partial images from an entire image including a plurality of target particle images;
Image data of a reference particle image that imitates the target particle image is read from an image storage unit, a similarity distribution between each partial image and the reference particle image is calculated for each partial image, and the similarity distribution A peak detection process for detecting peaks;
A vector calculation process for calculating a position setting vector from the predetermined reference position in each partial image to the peak position for each partial image;
A peak distribution generation process for generating a two-dimensional peak distribution by setting the position of the peak at a position specified by using the position setting vector with respect to the region of the entire image;
Including
In the partial image extraction process, the plurality of partial images are extracted from the whole image so that partial images adjacent in a predetermined direction among the plurality of partial images overlap each other.
請求項26に記載の記録媒体であって、前記画像処理は、前記2次元ピーク分布に現れるピークの密度に基づいて前記対象粒子像を探索することにより前記対象粒子像の位置を検出する粒子像探索処理をさらに含む、記録媒体。   27. The recording medium according to claim 26, wherein the image processing detects a position of the target particle image by searching the target particle image based on a density of peaks appearing in the two-dimensional peak distribution. A recording medium further including a search process. 請求項27に記載の記録媒体であって、
前記画像処理は、
前記粒子像探索処理により検出された位置にある対象粒子像を含む粒子画像を前記全体画像から抽出する粒子画像抽出処理と、
前記粒子画像または当該粒子画像から派生させた派生画像を複数のグループに分類する画像分類処理と、
当該分類された粒子画像または派生画像を前記グループごとに平均化して2次元平均化像を生成する平均化処理と、
前記参照粒子像の画像データを前記2次元平均化像のデータで置き換えることで前記画像記憶部の記憶内容を更新する更新処理と、
をさらに含み、
前記部分画像抽出処理、前記ピーク検出処理、前記ベクトル算出処理および前記ピーク分布生成処理は、前記2次元平均化像中の粒子像を前記参照粒子像として使用して再度実行される、記録媒体。
The recording medium according to claim 27, wherein
The image processing
A particle image extraction process for extracting, from the entire image, a particle image including a target particle image at a position detected by the particle image search process;
Image classification processing for classifying the particle image or a derived image derived from the particle image into a plurality of groups;
An averaging process for averaging the classified particle image or derivative image for each group to generate a two-dimensional averaged image;
An update process for updating the storage content of the image storage unit by replacing the image data of the reference particle image with the data of the two-dimensional averaged image;
Further including
The recording medium in which the partial image extraction process, the peak detection process, the vector calculation process, and the peak distribution generation process are performed again using a particle image in the two-dimensional averaged image as the reference particle image.
請求項28に記載の記録媒体であって、前記部分画像抽出処理、前記ピーク検出処理、前記ベクトル算出処理、前記ピーク分布生成処理、前記粒子像探索処理、前記粒子画像抽出処理、前記平均化処理および前記更新処理は繰り返し実行される、記録媒体。   29. The recording medium according to claim 28, wherein the partial image extraction process, the peak detection process, the vector calculation process, the peak distribution generation process, the particle image search process, the particle image extraction process, and the averaging process. And a recording medium in which the update process is repeatedly executed.
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