JPH11272866A - Image restoring method - Google Patents

Image restoring method

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JPH11272866A
JPH11272866A JP10074508A JP7450898A JPH11272866A JP H11272866 A JPH11272866 A JP H11272866A JP 10074508 A JP10074508 A JP 10074508A JP 7450898 A JP7450898 A JP 7450898A JP H11272866 A JPH11272866 A JP H11272866A
Authority
JP
Japan
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image
model
psf
frequency space
space
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP10074508A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshiaki Matsuzawa
聡明 松沢
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
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Publication of JPH11272866A publication Critical patent/JPH11272866A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image restoring method which can restore a more accurate ideal image. SOLUTION: After initial values of an (n)-dimensional PSF model (h) are set in steps 102 to 107, an ideal image model F for a frequency space is corrected in steps 108 to 112 with an image G converted into the frequency space and the PSF model H, limitations of a real space are imposed on an ideal image model (f) converted into the real space, and a PSF model H for the frequency space is corrected in steps 113 to 117 with an image G converted into the frequency space and the ideal image model F and limited so that respective frequency component values of the PSF model H in the frequency space do not exceed corresponding component values of a predetermined distribution; and a process for imposing the limitation of the real space is repeated for the PSF model (h) converted into the real space until specific conditions are met.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、顕微鏡あるいは共
焦点顕微鏡などの光学機器により取得した画像の画質を
改善する画像復元方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image restoration method for improving the quality of an image acquired by an optical device such as a microscope or a confocal microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】物体を光学機器で観察した画像は、元の
物体に比べて光学機器のボケの分だけ画質が劣化する。
つまり、像の強度分布gは、元の物体の輝度分布fと光
学機器の点像分布関数(PSF)hの畳込み(conv
olution)にノイズnが加わった。
2. Description of the Related Art The image quality of an image obtained by observing an object with an optical device is deteriorated by an amount corresponding to the blur of the optical device as compared with the original object.
That is, the intensity distribution g of the image is represented by the convolution (conv) of the luminance distribution f of the original object and the point spread function (PSF) h of the optical device.
noise) was added to the noise.

【0003】[0003]

【数1】 と、一般に表現することができる。(Equation 1) And can be generally expressed.

【0004】そして、この画像から数値計算で光学機器
によるボケを取り除き、理想的な像を得る技術は、像の
「復元」あるいはデコンボリューション(deconv
olution)と呼ばれる。
[0004] Techniques for removing blur caused by an optical device from this image by numerical calculation and obtaining an ideal image include "restoration" or deconvolution of the image.
solution).

【0005】ところで、光学顕微鏡を用いた試料の撮影
において、深さ方向を等間隔で変位させながら撮影を行
い3次元画像(=積層画像)を得る方法として、光学切
片法(optical sectioning)が知ら
れている。この場合、光学顕微鏡のPSFは水平方向に
比べて深さ方向に大きく広がっているので、積層画像の
中の各画像は試料の輝度分布を正確に反映した断面像に
はならず、その上下から漏れてくるボケが重畳してい
る。
[0005] When a specimen is photographed using an optical microscope, an optical sectioning method is known as a method for obtaining a three-dimensional image (= laminated image) while displacing the specimen at equal intervals in the depth direction. Have been. In this case, since the PSF of the optical microscope is much wider in the depth direction than in the horizontal direction, each image in the stacked image does not become a cross-sectional image that accurately reflects the luminance distribution of the sample, but from above and below. Leaking blur is superimposed.

【0006】そこで、従来、光学顕微鏡のPSFを基に
積層画像からボケを取り除き、理想的な3次元像を「復
元」するため、所定の計算処理が行われてきた。ここで
の計算処理に用いられるPSFは、理論値あるいは測定
値である。
Therefore, conventionally, predetermined calculation processing has been performed in order to remove blur from the laminated image based on the PSF of the optical microscope and to "restore" an ideal three-dimensional image. The PSF used in the calculation here is a theoretical value or a measured value.

【0007】しかし、光学顕微鏡の場合、実際のPSF
と理論値は必ずしも一致せず、また正確なPSFの実測
も困難である。そこで、従来、「ブラインドデコボリュ
ーション」という像復元の手法が検討されている。これ
は、1つの画像から理想像とPSFの両方を復元するも
ので、PSFが未知であっても理想像を復元できるとい
う長所がある。
However, in the case of an optical microscope, the actual PSF
And the theoretical value do not always match, and it is also difficult to accurately measure the PSF. Therefore, an image restoration technique called “blind decovolution” has been conventionally studied. This restores both the ideal image and the PSF from one image, and has the advantage that the ideal image can be restored even if the PSF is unknown.

【0008】ブラインドデコンボリューションは、一般
に交互法(alternativemethod)とい
うアルゴリズムで実行される。ここで、交互法は、初め
に、理想像輝度分布モデルf(以後、理想像モデルfと
呼ぶ)と点像分布関数モデルh(以後、PSFモデルh
と呼ぶ)に初期値を与え、次に、2つのモデルの畳込み
が測定された実際の像の強度分布g(以後、像gと呼
ぶ)になるように両者を交互に修正することを繰り返
し、その過程で、モデルに適当な制限条件を加えつつ、
このような交互修正を最適化ループとして何度か繰り返
しながら、2つのモデルを最適化しているのである。以
下、実空間のモデルは小文字(g,f,h)で記し、周
波数空間のものは大文字(G,F,H)で記す。
[0008] Blind deconvolution is generally performed by an algorithm called an alternative method. Here, in the alternating method, first, an ideal image luminance distribution model f (hereinafter, referred to as an ideal image model f) and a point spread function model h (hereinafter, a PSF model h)
), And then alternately correct the two models so that the convolution of the two models becomes the measured actual image intensity distribution g (hereinafter, referred to as image g). , In the process, while adding appropriate constraints to the model,
The two models are optimized by repeating such alternate correction several times as an optimization loop. Hereinafter, the model of the real space is described by lowercase letters (g, f, h), and the model of the frequency space is described by uppercase letters (G, F, H).

【0009】図4は、かかる交互法を説明するためのフ
ローチャートを示している。この場合、ステップ401
で、光学機器で測定した実際の像gを読み込み、ステッ
プ402で、理想像モデルfの初期値に、一般に測定さ
れた実際の像gを与え、一方、PSFモデルhの初期値
に、インパルス即ちDiracのデルタ関数や幾何光学
的なPSFをぼかしたものなどを与える。
FIG. 4 shows a flowchart for explaining such an alternating method. In this case, step 401
In step 402, the actual image g measured by the optical device is read, and in step 402, the initial value of the ideal image model f is given to the generally measured actual image g. A Dirac delta function or a blurred geometric optical PSF is given.

【0010】次に、ステップ403で、実際の像gと理
想像モデルfを、実空間から周波数空間へ変換する。こ
れは畳込みの計算を、周波数空間で積として効率よく計
算するためである。変換は一般に高速フーリエ変換(F
FT)で行われる。そして、ステップ404で、制限条
件と終了条件を与える。つまり、理想像とPSFは光の
強度分布であるから負の値をとらない。よって2つのモ
デルfとhに実空間で非負制限を適用するように設定す
る。この制限は後述するステップ409、414で実行
される。また、PSFの空間周波数には上限、即ちバン
ドリミットがある。しかし、その値は不明なので像のス
ペクトルから推定して値を設定する。図5(a)(b)
(c)は物体、PSFおよび像のスペクトルの関係を簡
単のために1次元で図示したものである。このうち同図
(a)に示す物体のスペクトル201は、通常、測定に
使用する同図(b)に示す光学機器のPSFのスペクト
ル202より高周波の成分を含んでいる。よって、同図
(c)に示す測定された像のスペクトル204はPSF
のバンドリミット203と同じ像のバンドリミット20
5をもつと考えられるからである。3次元像の場合、3
軸のバンドリミットを設定しておく。このバンドリミッ
トは後述するステップ412で実行される。また、終了
条件は一般に、最適化ループの繰り返し回数で、これは
後述するステップ415で判断される。
Next, in step 403, the actual image g and the ideal image model f are converted from the real space to the frequency space. This is to efficiently calculate the convolution as a product in the frequency space. The transform is generally a fast Fourier transform (F
FT). Then, in step 404, a restriction condition and an end condition are given. That is, since the ideal image and the PSF are light intensity distributions, they do not take negative values. Therefore, it is set so that the non-negative restriction is applied to the two models f and h in the real space. This restriction is performed in steps 409 and 414 described later. Further, the spatial frequency of the PSF has an upper limit, that is, a band limit. However, since the value is unknown, the value is set by estimating from the spectrum of the image. FIGS. 5A and 5B
(C) is a one-dimensional illustration of the relationship between the object, PSF and image spectra for simplicity. Of these, the spectrum 201 of the object shown in FIG. 7A generally contains a higher frequency component than the spectrum 202 of the PSF of the optical apparatus shown in FIG. Therefore, the spectrum 204 of the measured image shown in FIG.
Band limit 20 of the same image as band limit 203 of
This is because it is considered to have five. In the case of a three-dimensional image, 3
Set the axis band limit. This band limit is executed in step 412 described later. In addition, the termination condition is generally the number of repetitions of the optimization loop, which is determined in step 415 described later.

【0011】ステップ405で、PSFモデルhを、実
空間から周波数空間へ変換し、ステップ406で、周波
数空間の点像分布関数モデルH(以後、PSFモデルH
と呼ぶ)の積が実際の像Gになるように、周波数空間の
理想像輝度分布モデルF(以後、理想像モデルFと呼
ぶ)を修正する。ここで、理想像モデルFを修正するた
めの更新式として、以下の式が提案されている。
In step 405, the PSF model h is converted from the real space to the frequency space, and in step 406, the point spread function model H in the frequency space (hereinafter referred to as the PSF model H).
The ideal image luminance distribution model F in frequency space (hereinafter, referred to as an ideal image model F) is modified so that the product of the two images becomes the actual image G. Here, the following equation has been proposed as an update equation for correcting the ideal image model F.

【0012】[0012]

【数2】 (Equation 2)

【0013】ステップ407で、理想像モデルFに対す
る周波数空間の制限条件を加え、ステップ408で、理
想像モデルFを、周波数空間から実空間へ変換する。こ
れはステップ409での実空間の非負制限を理想像モデ
ルfに適用するためである。ここでの変換は、一般に高
速逆フーリエ変換(IFFT)で行われる。
At step 407, a restriction condition of the frequency space with respect to the ideal image model F is added. At step 408, the ideal image model F is transformed from the frequency space to the real space. This is for applying the non-negative restriction of the real space in step 409 to the ideal image model f. The conversion here is generally performed by a fast inverse Fourier transform (IFFT).

【0014】次いで、ステップ409で、理想像モデル
fに、非負制限を加える。つまり、負の要素値を0で置
き換え、それ以外の要素値はそのまま残す。さらに、理
想像モデルfの総和が変化しないように補正する例もあ
る。
Next, at step 409, a non-negative limit is applied to the ideal image model f. That is, a negative element value is replaced with 0, and the other element values are left as they are. Further, there is an example in which correction is performed so that the total sum of the ideal image model f does not change.

【0015】同様にして、ステップ410〜414で、
理想像モデルとPSFモデルを入れ替えてステップ40
5〜409と同様の処理をし、PSFモデルを修正す
る。なお、ステップ412での、PSFモデルHに対す
る周波数空間の制限条件はバンドリミットである。つま
り、各軸のバンドリミットより周波数の大きい成分を0
で置き換え、それ以外の成分はそのまま残す。また、ス
テップ414での、実空間のPSFモデルhに対する制
限条件としては、非負制限の他に、要素値の和を1に規
格化する例もある。これは、像形成におけるエネルギー
保存則を成立させるためである。
Similarly, in steps 410 to 414,
Step 40 after replacing the ideal image model and the PSF model
The same processing as in steps 5 to 409 is performed to modify the PSF model. Note that the restriction condition of the frequency space for the PSF model H in step 412 is a band limit. That is, a component having a frequency higher than the band limit of each axis is set to 0.
And leave the other components as they are. In addition, as the restriction condition for the PSF model h in the real space in step 414, there is an example in which the sum of element values is normalized to 1 in addition to the non-negative restriction. This is to satisfy the energy conservation law in image formation.

【0016】そして、ステップ415で、最適化ループ
であるステップ405〜414の繰り返し回数がステッ
プ404で設定した回数に達したことを判断すると、ス
テップ416に進み、処理を終了する。このステップ4
16では、最適化ループであるステップ405〜414
による修正を経た理想像モデルfが、実際の像gからボ
ケを除去した理想像として出力される。
If it is determined in step 415 that the number of repetitions of steps 405 to 414, which are the optimization loop, has reached the number set in step 404, the process proceeds to step 416, and the process ends. This step 4
In step 16, steps 405 to 414 which are optimization loops
Is output as an ideal image obtained by removing blur from the actual image g.

【0017】ここで、PSFモデルHに対してステップ
412で加えたバンドリミットを図示すると図6(a)
のようになる。ξ,η,ζは、実空間の3軸x,y,z
に対応する周波数空間の座標軸である。また、
FIG. 6A shows the band limit added in step 412 to the PSF model H.
become that way. ξ, η, ζ are three axes x, y, z in the real space.
Are coordinate axes in the frequency space corresponding to. Also,

【0018】[0018]

【化1】 は、像のスペクトルから決められた各軸のバンドリミッ
トである。3次元周波数空間のバンドリミットは、
Embedded image Is the band limit of each axis determined from the spectrum of the image. The band limit of the three-dimensional frequency space is

【0019】[0019]

【化2】 で張られた直方体301あるいは楕円体302の内側で
は1、外側では0の窓関数である(図6(a)では、全
体の1/8にあたるξ,η,ζ>0の部分だけを示して
いる。残りの部分もこれと対称である。)。これをPS
FモデルHに乗じることにより、バンドリミットが加え
られる。
Embedded image 6 is a window function of 1 inside the rectangular parallelepiped 301 or the ellipsoid 302 and 0 outside the rectangular solid 301 or the ellipsoid 302 (FIG. 6A shows only ξ, η, ζ> 0, which is 1 / of the whole). The rest is also symmetric.) This is PS
By multiplying the F model H, a band limit is added.

【0020】PSFモデルHに対するバンドリミット
は、回折理論によるPSF理論値の外形から決める例が
あり、これを図6(b)を参照して説明する。ここでは
通常の広視野蛍光顕微鏡の像復元に適用された例を示
し、円柱311の半径Br と高さの半分BZ は、それぞ
れ一般的な顕微鏡の横分解能と焦点深度の値から、
There is an example in which the band limit for the PSF model H is determined from the outer shape of the PSF theoretical value based on the diffraction theory. This will be described with reference to FIG. Here shows a typical example applied to the image restoration of wide-field fluorescence microscopy, half B Z of the radius B r and height of the cylinder 311, from the value of each common microscopic lateral resolution and depth of focus,

【0021】[0021]

【数3】 のように決められている。また、頂点を接した2つの円
錐312はいわゆる“missing cone”の領
域であり、広視野顕微鏡がz方向(深さ方向)に解像力
を持たないことに対応したものである。バンドリミット
関数は、2つの円錐312の内部を除いた円柱311の
内部で1、それ以外(つまり2つの円錐312の内部と
円柱311の外側)で0と定義される。これをPSFモ
デルHに乗じることにより、バンドリミットを適用す
る。
(Equation 3) It is decided as follows. The two cones 312 having the apexes in contact with each other are so-called “missing cones”, which correspond to the fact that the wide-field microscope has no resolving power in the z direction (depth direction). The band limit function is defined as 1 inside the cylinder 311 excluding the inside of the two cones 312, and as 0 otherwise (ie, inside the two cones 312 and outside the cylinder 311). By multiplying this by the PSF model H, a band limit is applied.

【0022】また、実空間のPSFモデルhに対して外
形の制限を加える例もあり、これを図6(c)を参照し
て説明する。これも通常の広視野蛍光顕微鏡の像復元に
適用された例であり、頂点を欠いた2つの円錐323
は、広視野顕微鏡のPSFの主要な部分を含むように
There is also an example in which an outer shape is restricted on the PSF model h in the real space, which will be described with reference to FIG. This is also an example applied to image restoration of a normal wide-field fluorescence microscope, and two cones 323 lacking a vertex are used.
To include the main part of the PSF of the wide-field microscope

【0023】[0023]

【数4】 と決められている。dは、復元する像の高さ(深さ)と
等しくしている。このような2つの円錐323の内部で
1、外部で0の窓関数を定義し、PSFモデルhの乗じ
ることによって、実空間の制限(図4に示すステップ4
14)を実行している。
(Equation 4) It has been decided. d is set equal to the height (depth) of the image to be restored. By defining a window function of 1 inside the two cones 323 and 0 outside the two cones 323 and multiplying by the PSF model h, the real space is restricted (step 4 shown in FIG. 4).
14) is being executed.

【0024】[0024]

【発明が解決しようとする課題】ところで、ブラインド
デコンボリューションは不適切(ill−posed)
な逆問題であり、解の唯一性は保証されていない。つま
り、1つの実際の像を形成する理想像とPSFの組み合
わせは、無数に存在する。その中から最適な組み合わせ
へ2つのモデルを収束させるように“圧力”をかけるの
が、モデルに対する制限条件の役割である。
Incidentally, blind deconvolution is not appropriate (ill-posed).
This is an inverse problem, and the uniqueness of the solution is not guaranteed. That is, there are countless combinations of the ideal image and the PSF that form one actual image. Applying "pressure" to converge the two models to the optimal combination from among them is the role of the constraint on the models.

【0025】2つのモデルのうち理想像モデルは、測定
された実際の像に依存するため、当然一定ではない。一
方、PSFモデルは、測定に用いる光学機器の条件が一
緒ならば不変であると、かなり期待できる。よって、ブ
ラインドデコンボリューションではPSFモデルに対し
て如何なる制限条件を設けるかが重要になる。PSFモ
デルが実際のPSFに近い分布に最適化されていれば、
それとの畳込みが実際の像となるように最適化された理
想像モデルも正確な理想像になっているはずだからであ
る。PSFモデルに対する前述の制限条件は、この目的
を達成するためにある。
The ideal image model of the two models depends on the measured actual image and is naturally not constant. On the other hand, the PSF model can be expected to be substantially unchanged if the conditions of the optical devices used for the measurement are the same. Therefore, in blind deconvolution, it is important to set what kind of limiting conditions are set for the PSF model. If the PSF model is optimized for a distribution close to the actual PSF,
This is because an ideal image model that has been optimized so that convolution with it becomes an actual image should also be an accurate ideal image. The aforementioned constraints on the PSF model are to achieve this goal.

【0026】さて、周波数空間のPSFモデルに対する
従来の制限条件は、いずれも周波数のみを制限し、その
成分値には操作を加えていない。つまり、制限条件はい
ずれも、ある領域内で1、それ以外で0という窓関数を
乗じることであった。よって、その領域外の周波数がカ
ットされるのみであり、領域内の周波数成分の値はその
まま保存されていた。このような従来の方法では、2つ
のモデルを最適化させる“圧力”が十分でないことを図
5および図7を参照し説明する。なお、これら図面は、
簡単のためにいずれも1次元で図示してある。
The conventional limiting conditions for the PSF model in the frequency space all limit only the frequency, and the component values are not manipulated. In other words, each of the limiting conditions is to multiply a window function of 1 in a certain area and 0 in other areas. Therefore, only the frequency outside the region is cut, and the value of the frequency component inside the region is stored as it is. The fact that such a conventional method does not have sufficient "pressure" to optimize the two models will be described with reference to FIGS. In addition, these drawings
For simplicity, they are all shown in one dimension.

【0027】光学機器で測定された図5(c)に示す像
のスペクトル204は、同図(a)に示す物体のスペク
トル201と同図(b)に示す光学機器のPSFのスペ
クトル202の積になっている。そして、この像のスペ
クトル204からブラインドデコンボリューションで復
元される可能性のある理想像とPSFの組み合わせのう
ち、2種類の例を図示すると、図7で表すことができ
る。この場合、同図(a)は、図5(c)に示す像のス
ペクトル204を符号401で示しており、同図(b)
と(c)は、図5(b)に示す光学機器の実際のPSF
のスペクトル202に近いスペクトル402と、図5
(a)に示す物体のスペクトル201のうちハンドリミ
ットより小さい部分に対応した理想像のスペクトル40
4を復元したものである。また、図7(b′)と
(c′)は、バンドリミット以下の周波数成分が一定値
のPSFのスペクトル405と、像のスペクトル401
から変化していない理想像のスペクトル407が復元さ
れたものである。そして、どちらの組み合わせでもPS
Fと理想像の積は、像のスペクトル401となる。
The spectrum 204 of the image shown in FIG. 5C measured by the optical instrument is the product of the spectrum 201 of the object shown in FIG. 5A and the spectrum 202 of the PSF of the optical instrument shown in FIG. It has become. FIG. 7 shows two examples of combinations of an ideal image and a PSF that are likely to be restored by blind deconvolution from the spectrum 204 of this image. In this case, FIG. 5A shows the spectrum 204 of the image shown in FIG. 5C by reference numeral 401, and FIG.
And (c) show the actual PSF of the optical device shown in FIG.
The spectrum 402 close to the spectrum 202 of FIG.
An ideal image spectrum 40 corresponding to a portion smaller than the hand limit in the object spectrum 201 shown in FIG.
4 is restored. FIGS. 7B and 7C show a spectrum 405 of a PSF in which frequency components below the band limit are constant, and a spectrum 401 of an image.
The spectrum 407 of the ideal image which has not changed from the original image is restored. And PS in both combinations
The product of F and the ideal image becomes an image spectrum 401.

【0028】ところが、周波数のみを制限する従来の制
限条件は、後者のようなPSFのスペクトル405も許
容してしまう。これらは極端な例であり、復元される可
能性のある組み合わせは無数に存在する。それらの中か
ら、バンドリミット以外の制限条件(実空間における非
負制限など)で図7(b)と(c)のような組み合わせ
に最適化される保証は全く無いのである。
However, the conventional restriction condition that restricts only the frequency allows the PSF spectrum 405 as in the latter case. These are extreme examples, and there are countless combinations that can be restored. Among them, there is no guarantee that the combination as shown in FIGS. 7B and 7C will be optimized under the restriction conditions other than the band limit (such as non-negative restriction in the real space).

【0029】なお、実空間のPSFモデルhの外形を制
限した前述の方法は、この点で有効である。この制限条
件を周波数空間に変換して考えれば、周波数空間のバン
ドリミットだけの場合より、PSFモデルhを実際の分
布に近づける“圧力”となることがわかる。しかし、実
空間のPSFには、周波数空間のバンドリミットのよう
な明確な境界がなく、厳密にいうと無限に広がってい
る。また、光学機器のPSFは、光学系の収差や測定環
境の影響により、一般に理論値より劣化している。実空
間の場合、それはPSFの広がりが大きくなることに対
応する。
The above-described method in which the outer shape of the PSF model h in the real space is limited is effective in this respect. If this restriction condition is converted into a frequency space and considered, it is understood that the pressure becomes a pressure that brings the PSF model h closer to the actual distribution than when only the band limit in the frequency space is used. However, the PSF in the real space does not have a clear boundary like the band limit in the frequency space, and strictly extends to infinity. In addition, the PSF of an optical device is generally deteriorated from a theoretical value due to an aberration of an optical system or an influence of a measurement environment. In the case of real space, it corresponds to an increase in the spread of the PSF.

【0030】従って、PSFモデルを実空間に適切で制
限することは困難である。実空間のPSFモデルを実際
より狭い領域内に制限することは、周波数空間のPSF
モデルhを実際より広い帯域幅に仮定するのに等しい。
それは、復元される2つのモデルHを図7(b)、
(c)より、むしろ図7(b′),(c′)に近づける
“圧力”となりうるからである。(前述の図6(c)お
よび(式7)で、PSFの制限領域を大きめにとってい
るのは、この辺の事情に関係すると思われる。)その他
に数値計算の実施に関する問題もある。修正された理想
像モデルFのある周波数成分が、それと対応する実際の
像の周波数成分より極端に小さいとき、それらを基に修
正されたPSFモデルHの対応する周波数成分は極端に
大きい特異値になりうる。従来のような窓関数による制
限は、このような特異値を放置してしまう。しかし3次
元画像のように大きなデータを数値計算で扱う場合は、
このような特異値は計算機の桁落ち等による計算誤差の
原因になる。具体的には、理想像モデルfやPSFモデ
ルhの歪みやノイズとなって現れてくるのである。
Therefore, it is difficult to appropriately limit the PSF model to the real space. Restricting the real-space PSF model to an area smaller than the real space requires a PSF in the frequency space.
This is equivalent to assuming the model h to have a wider bandwidth than it actually is.
That is, the two models H to be restored are shown in FIG.
This is because the pressure can be closer to those shown in FIGS. 7B and 7C than in FIG. (In FIG. 6 (c) and (Equation 7), the reason why the restriction area of the PSF is enlarged is considered to be related to the situation in this area.) In addition, there is a problem relating to the execution of numerical calculation. When certain frequency components of the modified ideal image model F are extremely smaller than the corresponding frequency components of the actual image, the corresponding frequency components of the PSF model H modified based on them have extremely large singular values. Can be. The restriction by the conventional window function leaves such a singular value. However, when dealing with large data such as a three-dimensional image by numerical calculation,
Such a singular value causes a calculation error due to a digit loss of a computer or the like. Specifically, it appears as distortion and noise of the ideal image model f and the PSF model h.

【0031】ブラインドデコンボリューションで復元さ
れる2つのモデルは、初期値にも影響される。このよう
な非線型の最適化問題では、初期値が適切でないと解
(モデル)が収束しなかったり、誤った解へ収束するこ
とがありうる。そして何より、不適切な初期値から出発
すると収束までに無駄な時間を要することになる。従来
のPSFモデルhの初期値は、この点で必ずしも最適で
あるとはいえない。本発明は、上記事情に鑑みてなされ
たもので、より正確な理想像を復元することができる画
像復元方法を提供することを目的とする。
The two models restored by blind deconvolution are also affected by the initial values. In such a nonlinear optimization problem, a solution (model) may not converge or converge to an erroneous solution unless the initial value is appropriate. Above all, if starting from an inappropriate initial value, wasteful time is required until convergence. The initial value of the conventional PSF model h is not always optimal in this respect. The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an image restoration method that can restore a more accurate ideal image.

【0032】[0032]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
物体と点像分布関数(PSF)の畳込みとして取得され
たn次元の像gから、点像分布関数によるボケを除去し
たn次元の理想像fを得るための画像復元方法におい
て、n次元のPSFモデルhの初期値を設定したのち、
周波数空間に変換された像GとPSFモデルHにより、
周波数空間の理想像モデルFを修正し、実空間に変換さ
れた理想像モデルfに対して、実空間の制限を加え、周
波数空間に変換された像Gと理想像モデルFにより、周
波数空間のPSFモデルHを修正し、周波数空間のPS
FモデルHの各周波数成分値が、予め定められた分布の
対応する成分値を超えないように制限し、実空間に変換
されたPSFモデルhに対して実空間の制限を加えるよ
うな処理を所定の終了条件を満たすまで繰り返し実行
し、最終的な理想像モデルfを理想像として生成する。
According to the first aspect of the present invention,
In an image restoration method for obtaining an n-dimensional ideal image f in which blurring due to a point spread function has been removed from an n-dimensional image g obtained as a convolution of an object and a point spread function (PSF), After setting the initial value of the PSF model h,
By the image G converted into the frequency space and the PSF model H,
The ideal image model F in the frequency space is modified, the real image model f converted into the real space is restricted, and the real image is restricted by the image G and the ideal image model F converted into the frequency space. The PSF model H is modified and the PS in the frequency space is
A process of restricting each frequency component value of the F model H so as not to exceed a corresponding component value of a predetermined distribution and imposing a real space restriction on the PSF model h converted into the real space is performed. The process is repeatedly executed until a predetermined end condition is satisfied, and a final ideal image model f is generated as an ideal image.

【0033】請求項2記載の発明は、請求項1記載にお
いて、前記の予め定められた分布は、像gを取得した装
置の周波数空間のPSF理論値あるいはそれに準じる分
布である。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the predetermined distribution is a PSF theoretical value in a frequency space of a device that has acquired the image g or a distribution similar thereto.

【0034】請求項3記載の発明は、物体と点像分布関
数(PSF)の畳込みとして取得されたn次元の像gか
ら、点像分布関数によるボケを除去したn次元の理想像
fを得るための画像復元の方法において、n次元のPS
Fモデルhの初期値を設定したのち、周波数空間に変換
された像GとPSFモデルHにより、周波数空間の理想
像モデルFを修正し、周波数空間の理想像モデルFの各
周波数成分値が、予め定められた分布の対応する成分値
より小さくならないように制限し、実空間に変換された
理想像モデルfに対して、実空間の制限を加え、周波数
空間に変換された像Gと理想像モデルFにより、周波数
空間のPSFモデルHを修正し、周波数空間のPSFモ
デルHが、予め定められた周波数を超える成分を持たな
いように制限し、実空間に変換されたPSFモデルhに
対して、実空間の制限を加えるような処理を所定の終了
条件を満たすまで繰り返し実行し、最終的な理想像モデ
ルfを理想像として生成する。
According to a third aspect of the present invention, an n-dimensional ideal image f obtained by removing a blur caused by a point spread function from an n-dimensional image g obtained as a convolution of an object and a point spread function (PSF) is obtained. In an image restoration method for obtaining an n-dimensional PS
After setting the initial value of the F model h, the ideal image model F in the frequency space is corrected by the image G converted into the frequency space and the PSF model H, and each frequency component value of the ideal image model F in the frequency space is An image G and an ideal image converted to a frequency space are restricted by restricting the component values so as not to be smaller than a corresponding component value of a predetermined distribution, and restricting the real space to the ideal image model f converted to the real space. The PSF model H in the frequency space is modified by the model F, the PSF model H in the frequency space is restricted so as not to have a component exceeding a predetermined frequency, and the PSF model h converted into the real space is used. A process for adding a restriction on the real space is repeatedly executed until a predetermined end condition is satisfied, and a final ideal image model f is generated as an ideal image.

【0035】この結果、本発明では以下のような制限条
件とモデルの初期値により、ブラインドデコンボリュー
ションを実施している。第1に、周波数空間のPSFモ
デルHが予め定めた分布を超えないように制限する手段
を新たに講じる。この分布はPSF理論値あるいはそれ
に準じる分布、等である。このPSF理論値は、物体の
測定に使用する光学機器および測定条件に応じて、別途
計算あるいは測定により求められるものである。あるい
は、それと等価な制限条件を周波数空間の理想像モデル
Fに適用する手段を新たに講じる。第2に、PSFモデ
ルhの初期値としても、上記のPSF理論値あるいはそ
れに準じる分布を用いる。
As a result, in the present invention, blind deconvolution is performed under the following restriction conditions and initial values of the model. First, a new measure is taken to limit the PSF model H in the frequency space so as not to exceed a predetermined distribution. This distribution is a PSF theoretical value or a distribution according to it. This PSF theoretical value is obtained by separate calculation or measurement depending on the optical instrument used for measuring the object and the measurement conditions. Alternatively, means for applying an equivalent restriction condition to the ideal image model F in the frequency space is newly provided. Second, as the initial value of the PSF model h, the above-described theoretical value of the PSF or a distribution similar thereto is used.

【0036】また、周波数空間のPSFモデルHに対す
る本発明の制限は、PSFモデルhおよび理想像モデル
fがより正確な分布に最適化されるように作用する。そ
の理由は第1に、PSFの分布は一般に周波数空間にお
いて、バンドリミットと呼ばれる明確な上限を持ってい
るので、PSFの分布が無限に広がる実空間と異なり、
的確な制限条件を設定できる。
The limitation of the present invention on the PSF model H in the frequency space acts so that the PSF model h and the ideal image model f are optimized to more accurate distribution. The first reason is that the distribution of the PSF generally has a clear upper limit called a band limit in the frequency space, so that unlike the real space where the distribution of the PSF extends infinitely,
Precise restriction conditions can be set.

【0037】第2に、周波数空間における実際のPSF
の各周波数成分値は一般に、対応する理論値の成分値を
超えないことである。光学系の収差や測定環境の影響で
劣化したPSFは、周波数空間において、ある周波数成
分が理論値より低下するという形で現れる。従って、P
SF理論値の分布を超えないようにする制限は、劣化し
たPSFだけを許容するように作用する。これは、2つ
のモデルが劣化したPSFとそれに対応した理想像に収
束するようにはたらく、他の制限条件による“圧力”を
阻害しない。一方、実空間においてこれと同様の制限を
実現することは不可能である。なぜならPSFの劣化
は、空間上の任意の点の強度を増加させることも減少さ
せることもあるからである。
Second, the actual PSF in the frequency space
Generally does not exceed the component value of the corresponding theoretical value. The PSF that has deteriorated due to the aberration of the optical system or the measurement environment appears in a form in which a certain frequency component is lower than a theoretical value in a frequency space. Therefore, P
The restriction not to exceed the distribution of the theoretical SF value acts to allow only the degraded PSF. This works so that the two models converge on the degraded PSF and the corresponding ideal image, and does not hinder the "pressure" due to other limiting conditions. On the other hand, it is impossible to realize the same restriction in the real space. This is because the degradation of the PSF may increase or decrease the intensity at any point in space.

【0038】第3に、従来のようにバンドリミットによ
る窓関数だけで制限するよりも、PSFモデルに対して
厳しく、かつ適切な制限になっていることである。本発
明の制限は、PSFモデルの分布が従来よりも実際のP
SFに近づくように“圧力”を掛ける。その結果、復元
される理想像の精度が向上するとともに、図7
(b′)、(c′)のような異常なモデルに収束する危
険が減少する。
Third, the PSF model is stricter and more appropriate than a conventional window function based on band limits. The limitation of the present invention is that the distribution of the PSF model is
Apply "pressure" to approach SF. As a result, the accuracy of the restored ideal image is improved, and FIG.
The risk of converging to an abnormal model such as (b ') and (c') is reduced.

【0039】また、周波数空間のPSFモデルあるいは
理想像モデルに対する本発明の制限は、計算誤差の原因
となる特異値を除去するように作用する。一方、本発明
によるPSFモデルの初期値は、モデルの収束を速くす
るように作用する。なぜなら、従来の初期値よりも実際
のPSFに近く、かつ実際のPSFを包含する分布にな
っているからである。また本発明の制限条件とともに、
異常なモデルに収束する危険を減少させる効果がある。
Further, the limitation of the present invention on the PSF model or the ideal image model in the frequency space operates to remove a singular value which causes a calculation error. On the other hand, the initial value of the PSF model according to the present invention acts to speed up the convergence of the model. This is because the distribution is closer to the actual PSF than the conventional initial value and includes the actual PSF. Also, along with the limiting conditions of the present invention,
This has the effect of reducing the risk of converging on an abnormal model.

【0040】[0040]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従い説明する。 (第1の実施の形態)この第1の実施の形態は、正確な
PSF理論値を用いた場合で、落射蛍光共焦点レーザ走
査顕微鏡(EFCLSM)の画像に適用した例を示して
いる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) The first embodiment shows an example in which accurate PSF theoretical values are used and applied to an image of an epifluorescence confocal laser scanning microscope (EFCLSM).

【0041】図1は、本発明による画像処理の流れを示
すもので、EFCLSMで光学切片法により測定した3
次元画像(積層画像)ファイルを読み込み、それを画像
処理し、ボケを除去した理想像を表示する、あるいは画
像ファイルとして出力するプログラムである。ただし、
画像処理の部分以外は一般的な内容であるから説明を省
略する。
FIG. 1 shows a flow of image processing according to the present invention, which was measured by an optical section method using EFCLSM.
This is a program that reads a two-dimensional image (laminated image) file, performs image processing on it, and displays an ideal image from which blur has been removed, or outputs it as an image file. However,
Since the contents other than the image processing are general contents, the description is omitted.

【0042】この場合、まず、ステップ101で、3次
元画像ファイルを読み込み、実際の像gの3次元複素数
データ配列の実部に代入する。ここでは、虚部には0を
代入する。また、後で高速フーリエ変換(FFT)を行
うため、x,y,z各軸のデータ点数が2の累乗になっ
ていないときは、足りないデータ点にゼロ詰めして、点
数を2の累乗にしておく。この実際の像gは、理想像モ
デルfの初期値にもなるのだが、代入は、後述するステ
ップ103で行う。また、後のステップ112で使うた
めに、実際の像gの全要素値の和Σgを求めておく。
In this case, first, in step 101, a three-dimensional image file is read and assigned to the real part of the three-dimensional complex data array of the actual image g. Here, 0 is substituted for the imaginary part. Also, since the fast Fourier transform (FFT) is performed later, if the number of data points on each of the x, y, and z axes is not a power of 2, the missing data points are padded with zeros and the number of points is raised to a power of 2. Keep it. The actual image g also becomes the initial value of the ideal image model f, but the substitution is performed in step 103 described later. In addition, the sum Σg of all the element values of the actual image g is obtained for use in step 112 later.

【0043】次に、ステップ102で、PSFモデルh
を、実際の像gと同じ大きさの3次元複素数データ配列
として用意し、その初期値として、収差の無いEFCL
SMのPSF理論値/h(ここで、/hはベクトルhを示
す。以下同様である。)を次式で計算し、PSFモデル
hの実部に代入し、虚部には0を代入する。
Next, at step 102, the PSF model h
Is prepared as a three-dimensional complex data array having the same size as the actual image g, and the EFCL having no aberration is used as an initial value.
The PSF theoretical value of SM / h (where / h indicates a vector h; the same applies hereinafter) is calculated by the following equation, and is substituted into the real part of the PSF model h, and 0 is substituted into the imaginary part. .

【0044】[0044]

【数5】 ここで、aはEFCLSMの受光ピンホールの透過関数
で、次式で表される。
(Equation 5) Here, a is a transmission function of the light receiving pinhole of the EFCLSM, and is represented by the following equation.

【0045】[0045]

【数6】 (Equation 6)

【0046】[0046]

【数7】 さらに、PSFモデルhの全要素値の和が1になるよう
に、次式のような規格化を行う。
(Equation 7) Further, normalization as in the following equation is performed so that the sum of all element values of the PSF model h becomes 1.

【0047】[0047]

【数8】 (Equation 8)

【0048】次に、ステップ103で、実空間の実際の
像gを、FFTで周波数空間の実際の像Gに変換し、続
けて、ステップ104で、理想像モデルFを、実際の像
Gと同じ大きさの3次元複素数データ配列として用意
し、その初期値として周波数空間の実際の像Gの値を代
入する。
Next, in step 103, the real image g in the real space is converted into the real image G in the frequency space by FFT, and subsequently, in step 104, the ideal image model F is replaced with the real image G. A three-dimensional complex number data array having the same size is prepared, and the value of the actual image G in the frequency space is substituted as its initial value.

【0049】そして、ステップ105で、周波数空間の
PSFモデル比に対する制限条件を与える。この場合、
PSFの理論値/hがステップ101で実空間のPSFモ
デルhに代入されているので、これをFFTで周波数空
間のPSFモデルHに変換し、それを制限条件のデータ
配列/H(ここで、/HはベクトルHを示す。以下同様であ
る。)に代入しておく。ただし、周波数空間のPSF理
論値/Hにはバンドリミットがあるので、それより大きい
周波数の成分を無視し、バンドリミット以内の成分だけ
でデータ配列/Hを構成する。また、無収差のPSF理論
値/hは、原点に関して各軸方向に対称なので、それをF
FTで変換したHは実部のみ値を持つ。よってデータ配
列Hは、バンドリミット以内の要素からなる実数配列と
する。
Then, in step 105, a limiting condition for the PSF model ratio in the frequency space is given. in this case,
Since the theoretical value / h of the PSF has been substituted into the PSF model h in the real space in step 101, this is converted into the PSF model H in the frequency space by FFT, and it is converted into the data array / H (here, / H indicates a vector H. The same applies to the following.) However, since the PSF theoretical value / H in the frequency space has a band limit, components of frequencies higher than that are ignored, and the data array / H is composed only of components within the band limit. Further, since the theoretical PSF theoretical value / h with no aberration is symmetric in each axis direction with respect to the origin, it is expressed as F
H converted by FT has only a real part value. Therefore, the data array H is a real number array including elements within the band limit.

【0050】ステップ106で、理想像モデルfとPS
Fモデルhに対して実空間の非負制限を適用するように
設定する。この制限は後述するステップ112,117
で実行される。さらに、ステップ107で、終了条件と
して、最適化ループの繰り返し回数Nを設定する。
In step 106, the ideal image model f and PS
The non-negative restriction of the real space is set to be applied to the F model h. This restriction is applied to steps 112 and 117 described later.
Executed in Further, in step 107, the number of repetitions N of the optimization loop is set as an end condition.

【0051】次に、ステップ108で、実空間のPSF
モデルhを、FFTで周波数空間のPSFモデルHに変
換する。ただし、1回めは既に変換してあるので必要は
ない。そして、ステップ109で、修正されたPSFモ
デルHとの積が実際の像Gになるように、理想像モデル
Fの各成分を次式の差分による更新式で修正する。
Next, at step 108, the PSF of the real space
The model h is transformed into a PSF model H in the frequency space by FFT. However, the first time is not necessary because it has already been converted. Then, in step 109, each component of the ideal image model F is corrected by an update expression based on the following expression so that the product of the corrected PSF model H and the actual image G becomes the actual image G.

【0052】[0052]

【数9】 (Equation 9)

【0053】ステップ110で、理想像モデルFに対す
る周波数空間の制限条件を加えるが、この第1の実施の
形態では、適用しない。ステップ111で、周波数空間
の理想像モデルFを、IFFTで実空間の理想像モデル
fに変換する。
In step 110, a restriction condition of the frequency space with respect to the ideal image model F is added, but this is not applied in the first embodiment. In step 111, the ideal image model F in the frequency space is converted into the ideal image model f in the real space by IFFT.

【0054】そして、ステップ112で、実空間の理想
像モデルfに非負制限を加える。これは以下の手順で実
施される。まず理想像モデルfの、負の実部を持つ要素
値を0で置き換え、それ以外の要素値は実部を複素数の
絶対値で置き換え、虚部を0にする。次に、理想像モデ
ルfの総和が変化しないように、ステップ101で求め
たΣgを使って次式のような規格化を行う。
Then, in step 112, a non-negative restriction is imposed on the ideal image model f in the real space. This is performed in the following procedure. First, element values having a negative real part of the ideal image model f are replaced with 0, and the other element values are replaced with the absolute value of a complex number and the imaginary part is set to 0. Next, normalization such as the following equation is performed using Σg obtained in step 101 so that the total sum of the ideal image model f does not change.

【0055】[0055]

【数10】 (Equation 10)

【0056】ステップ113で、実空間の理想像モデル
fを、FFTで周波数空間の理想像モデルFに変換し、
ステップ114で、修正された理想像モデルFとの積が
実際の像Gになるように、周波数空間のPSFモデルH
の各成分を次式の差分による更新式で修正する。
In step 113, the ideal image model f in the real space is converted into the ideal image model F in the frequency space by FFT.
At step 114, the PSF model H in the frequency space is set so that the product of the corrected ideal image model F and the actual image G is obtained.
Are corrected by an update equation based on the following equation.

【0057】[0057]

【数11】 [Equation 11]

【0058】ステップ115で、周波数空間のPSFモ
デルHに、ステップ105で設定した制限条件を加え
る。これは以下の手順で実施される。まず、PSFモデ
ルHの各成分の絶対値を、対応する制限条件Hの成分と
比較する。そして、前者のほうが大きいときのみ、
At step 115, the limiting condition set at step 105 is added to the PSF model H in the frequency space. This is performed in the following procedure. First, the absolute value of each component of the PSF model H is compared with the corresponding component of the limiting condition H. And only when the former is larger,

【0059】[0059]

【数12】 に示すように、周波数空間のPSFモデルHの成分を置
き換える。対応する制限条件Hの成分が無い場合、つま
り各軸のバンドリミットより周波数の大きいPSFモデ
ルHの成分は0で置き換える。
(Equation 12) , The components of the PSF model H in the frequency space are replaced. When there is no corresponding component of the limiting condition H, that is, the component of the PSF model H having a frequency higher than the band limit of each axis is replaced with 0.

【0060】ステップ116で、周波数空間のPSFモ
デルHを、IFFTで実空間のPSFモデルhに変換す
る。そして、ステップ117で、実空間のPSFモデル
hに非負制限を加える。これは以下の手順で実施され
る。まずPSFモデルhの、負の実部を持つ要素値を0
で置き換え、それ以外の要素値は実部を複素数の絶対値
で置き換え、虚部を0にする。次に、PSFモデルhの
全要素値の和が1になるように、(式11)の規格化を
行う。
In step 116, the PSF model H in the frequency space is converted into a PSF model h in the real space by IFFT. Then, in step 117, a non-negative restriction is imposed on the PSF model h in the real space. This is performed in the following procedure. First, the element value of the PSF model h having a negative real part is set to 0.
For the other element values, the real part is replaced with the absolute value of the complex number, and the imaginary part is set to 0. Next, (Expression 11) is normalized so that the sum of all element values of the PSF model h becomes 1.

【0061】その後、ステップ118で、最適化ループ
であるステップ108〜117の繰り返し回数が107
で設定した回数Nに達したことを判断すると、ステップ
119に進み、処理を終了する。このステップ119で
は、最適化ループであるステップ108〜117により
繰り返し修正された理想像モデルfが、実際の像gから
ボケを除去した理想像として出力され、復元の画像処理
を終了する。
Thereafter, in step 118, the number of repetitions of steps 108 to 117, which is the optimization loop, is 107
When it is determined that the number of times N set in has been reached, the process proceeds to step 119, and the process ends. In step 119, the ideal image model f repeatedly corrected in steps 108 to 117, which is an optimization loop, is output as an ideal image obtained by removing blur from the actual image g, and the image processing for restoration is completed.

【0062】従って、このようにすれば、更新式や他の
制限条件、終了条件などに関係なく、すべての交互法に
よるブラインドデコンボリューションに対し有効な方法
が得られる。
Accordingly, in this way, an effective method is obtained for blind deconvolution by all the alternating methods, irrespective of the updating formula, other restriction conditions, termination conditions, and the like.

【0063】なお、この実施の形態では、ステップ10
9と114での更新式に(式2)を用いたが、それを
(式3)〜(式5)などに置き換えてもよい。なお、
(式5)のような更新式を使用した場合は、理想像モデ
ルの初期値を設定する必要はなくなる。 (第2の実施の形態)この第2の実施の形態は、実際の
PSFを包括する理論値を用い、第1の実施の形態のP
SFモデルhの初期値および周波数空間のPSFモデル
Hに対する制限条件を以下のように変更したものであ
る。
In this embodiment, step 10
(Equation 2) is used as the update equation in 9 and 114, but it may be replaced with (Equation 3) to (Equation 5). In addition,
When an update equation such as (Equation 5) is used, it is not necessary to set an initial value of the ideal image model. (Second Embodiment) This second embodiment uses a theoretical value covering the actual PSF, and uses the P value of the first embodiment.
The limiting conditions for the initial value of the SF model h and the PSF model H in the frequency space are changed as follows.

【0064】落射蛍光共焦点レーザ走査顕微鏡(EFC
LSM)の解像力は、受光ピンホールの径を無限小にし
たとき最大になる。逆にいうと、周波数空間におけるP
SFの各周波数成分値は、受光ピンホールの径を無限小
から大きくしていくと、受光ピンホールの径を無限小に
した場合の対応する周波数成分値以下になる。従って、
任意の受光ピンホール径で測定した3次元画像を復元す
るときにも、受光ピンホールの径を無限小にした場合の
PSF理論値を周波数空間のPSFモデルHに対する制
限条件として用いることができる。つまり、第1の実施
の形態で述べた(式8)の代わりに
An epi-fluorescence confocal laser scanning microscope (EFC)
The resolving power of LSM) becomes maximum when the diameter of the light receiving pinhole is made infinitely small. Conversely, P in the frequency space
When the diameter of the light receiving pinhole is increased from infinity to small, the frequency component value of each SF becomes equal to or less than the corresponding frequency component value when the diameter of the light receiving pinhole is reduced to infinity. Therefore,
Also when restoring a three-dimensional image measured with an arbitrary light receiving pinhole diameter, the theoretical value of the PSF when the diameter of the light receiving pinhole is made infinitely small can be used as a limiting condition for the PSF model H in the frequency space. That is, instead of (Equation 8) described in the first embodiment,

【0065】[0065]

【数13】 を用いてもよい。また、PSFモデルhの初期値とし
て、この値を用いることもできる。
(Equation 13) May be used. Further, this value can be used as an initial value of the PSF model h.

【0066】このようにすれば、上述した第1の実施の
形態より復元される理想像の精度は低下するが、PSF
モデルhの初期値と周波数空間のPSFモデルHに対す
る制限条件の準備が簡略になるという効果が期待でき
る。 (第3の実施の形態)この第3の実施の形態は、実際の
PSFを包括する近似値を用い、第1の実施の形態のP
SFモデルhの初期値および周波数空間のPSFモデル
Hに対する制限条件を以下のように変更したものであ
る。
In this way, the accuracy of the ideal image restored from the first embodiment described above decreases, but the PSF
The effect of simplifying the preparation of the initial value of the model h and the limiting condition for the PSF model H in the frequency space can be expected. (Third Embodiment) In the third embodiment, an approximate value including the actual PSF is used, and the P value of the first embodiment is used.
The limiting conditions for the initial value of the SF model h and the PSF model H in the frequency space are changed as follows.

【0067】この場合、予め、PSF理論値の大まかな
分布が分かっているものとすると、それを包含するよう
な分布で代用することができる。つまり、これを図7
(b)を参照して説明すると、PSF理論値を包含する
分布408とは、各周波数成分がPSF理論値402以
上の値を持つ分布であることから、このような分布を簡
単な近似式で表して、(式8)の代わりに用いてもよ
い。
In this case, if it is assumed that a rough distribution of the PSF theoretical value is known in advance, a distribution including the rough distribution can be used. That is, this is shown in FIG.
Explaining with reference to (b), since the distribution 408 including the PSF theoretical value is a distribution in which each frequency component has a value equal to or higher than the PSF theoretical value 402, such a distribution is expressed by a simple approximate expression. It may be expressed and used instead of (Equation 8).

【0068】このようにすれば、PSFモデルhの初期
値と周波数空間のPSFモデルHに対する制限条件の準
備がさらに簡略になる。復元される理想像の精度は、第
1の実施の形態より低下するが、従来のバンドリミット
のみの制限による復元よりも、理想像の精度を高くする
ことができる。 (第4の実施の形態)この第4の実施の形態は、PSF
の測定値を用い、第1の実施の形態のPSFモデルhの
初期値および周波数空間のPSFモデルHに対する制限
条件を以下のように変更したものである。
In this way, the preparation of the initial values of the PSF model h and the limiting conditions for the PSF model H in the frequency space is further simplified. Although the accuracy of the restored ideal image is lower than that of the first embodiment, the accuracy of the ideal image can be made higher than that of the conventional restoration using only the band limit. (Fourth Embodiment) This fourth embodiment uses a PSF
Are used to modify the initial values of the PSF model h and the limiting conditions for the PSF model H in the frequency space as follows.

【0069】この場合、PSF理論値の計算が困難な光
学機器や、実際のPSFと理論値の乖離が大きい光学機
器では、第1の実施の形態の(式8)のような理論値の
代わりにPSFの測定値を用いている。例えば、蛍光顕
微鏡のPSFを、微小な蛍光ビーズを点光源に見立てて
測定する方法が知られている。ただし測定したPSF
は、測定誤差により実際のPSFより劣化していること
があるので注意が必要であり、適宜、第3の実施の形態
で述べたように、実際のPSFを包含するような修正が
必要である。 (第5の実施の形態)この第5の実施の形態は、PSF
の上限値を用いたもので、第1の実施の形態〜第4の実
施の形態での周波数空間のPSFモデルHに対する制限
条件は、復元される理想像の精度を向上させるととも
に、計算誤差の原因となる特異値を除去する効果を有し
ている。このうち、少なくとも後者の効果が得られるよ
うに変更した例を、上述した図1に図2を加えて説明す
る。
In this case, in an optical device in which it is difficult to calculate the theoretical value of the PSF, or in an optical device in which the actual value of the PSF is largely different from the theoretical value, the theoretical value of the first embodiment is replaced with the theoretical value as shown in (Equation 8). The measured value of PSF is used for the measurement. For example, a method is known in which the PSF of a fluorescence microscope is measured by treating minute fluorescent beads as point light sources. However, the measured PSF
It is necessary to pay attention to the fact that the actual PSF may be deteriorated due to a measurement error, and it is necessary to appropriately modify the actual PSF to include the actual PSF as described in the third embodiment. . (Fifth Embodiment) The fifth embodiment uses a PSF.
In the first to fourth embodiments, the limiting condition for the PSF model H in the frequency space improves the accuracy of the restored ideal image and reduces the calculation error. It has the effect of removing the singular value that causes it. Among them, an example in which at least the latter effect is obtained will be described with reference to FIG. 1 and FIG. 2 described above.

【0070】この場合、図1で述べたステップ105に
代えて、図2(a)に示すステップ105′を、ステッ
プ115に代えて、図2(b)に示すステップ11
5′、115″をそれぞれ用いている。
In this case, step 105 'shown in FIG. 2A is replaced with step 105' shown in FIG. 1 and step 11 shown in FIG.
5 'and 115 "are used.

【0071】そして、ステップ105′で、周波数空間
のPSFモデルHに対する制限条件として、従来技術と
同様にバンドリミットを設定する。そして、図1に示す
最適化ループにおいて、ステップ115′で、周波数空
間のPSFモデルHに対してバンドリミットを加えると
ともに、ステップ、115″で、各成分の絶対値を1以
下に制限する。つまり、絶対値が1より大きい成分だけ
を、
Then, in step 105 ', a band limit is set as a restriction condition for the PSF model H in the frequency space, similarly to the prior art. Then, in the optimization loop shown in FIG. 1, in step 115 ', a band limit is added to the PSF model H in the frequency space, and in step 115 ", the absolute value of each component is limited to 1 or less. , Only those components whose absolute value is greater than 1

【0072】[0072]

【数14】 のように置き換える。[Equation 14] Replace as

【0073】このようにすれば、光学機器のPSFの各
周波数成分は一般に1以下であるので、この第5の実施
の形態での制限条件は、明らかに誤りであるPSFモデ
ルを除外し、かつPSFモデルを不当に制限しない。そ
して、極端に大きい特異値だけを除去するようにもでき
る。 (第6の実施の形態)この第6の実施の形態は、周波数
空間の理想像モデルを制限する例で、第5の実施の形態
の周波数空間のPSFモデルHに対する制限条件は、そ
れとほぼ等価な周波数空間の理想像モデルFに対する制
限条件によっても実現できることから、このことを上述
の図1に図2および図3を加えて説明する。
In this way, since each frequency component of the PSF of the optical device is generally 1 or less, the limiting condition in the fifth embodiment is to exclude a PSF model that is obviously wrong, and Does not unduly limit the PSF model. Then, only extremely large singular values can be removed. (Sixth Embodiment) The sixth embodiment is an example in which the ideal image model in the frequency space is restricted. The restriction condition on the PSF model H in the frequency space according to the fifth embodiment is substantially equivalent to that. Since this can be realized also by the restriction condition for the ideal image model F in the frequency space, this will be described with reference to FIGS.

【0074】この場合、図1で述べたステップ105に
代えて、図2(a)に示すステップ105′を、ステッ
プ115に代えて、図2(b)に示すステップ115′
(ここでは、ステップ115″を除く)をそれぞれ用
い、さらに図1で述べたステップ110に代えて、図3
に示すステップ110′を用いている。
In this case, step 105 'shown in FIG. 2A is replaced by step 105' shown in FIG. 2A, and step 115 'shown in FIG.
(Here, except for step 115 ″), and in place of step 110 described in FIG. 1, FIG.
Step 110 'shown in FIG.

【0075】そして、この場合も、ステップ105′
で、周波数空間のPSFモデルHに対する制限条件とし
て、従来技術と同様にバンドリミットを設定し、次い
で、図1に示す最適化ループにおいて、ステップ11
0′で、周波数空間の理想像モデルFの各成分の絶対値
を、周波数空間の実際の像Gの対応する成分の絶対値よ
り小さくならないように制限する。つまり、絶対値が実
際の像Gより小さい成分だけ
Then, also in this case, step 105 '
Then, a band limit is set as a restriction condition for the PSF model H in the frequency space in the same manner as in the related art, and then, in the optimization loop shown in FIG.
At 0 ', the absolute value of each component of the ideal image model F in the frequency space is limited so as not to be smaller than the absolute value of the corresponding component of the actual image G in the frequency space. That is, only the component whose absolute value is smaller than the actual image G

【0076】[0076]

【数15】 のように置き換える。(Equation 15) Replace as

【0077】そして、ステップ115′で、周波数空間
のPSFモデルHに対してバンドリミットを加えるよう
になる。このようにすれば、像の各周波数成分は一般に
元の物体の対応する成分より小さくなるから、この第6
の実施の形態での制限条件は理想像モデルを不当に制限
しない。そして、第5の実施の形態と同様に、次回のP
SFモデルHの修正(ステップ114)における極端に
大きい特異値の発生を防止することができる。
Then, in step 115 ', a band limit is added to the PSF model H in the frequency space. In this way, each frequency component of the image is generally smaller than the corresponding component of the original object,
The restriction condition in the embodiment does not unduly restrict the ideal image model. Then, as in the fifth embodiment, the next P
It is possible to prevent occurrence of an extremely large singular value in the modification of the SF model H (step 114).

【0078】なお、上述した各実施の形態では、蛍光共
焦点顕微鏡や蛍光顕微鏡を例に説明したが、(式1)の
ような畳込みで形成されるすべての画像に適用できるこ
とは言うまでもない。また復元する画像は、上記のよう
な3次元像に限らず、他の次元でも可能である。例えば
2次元の画像を復元するには、2次元の実際の像gに対
して、2次元の理想像モデルとPSFモデルを上記と同
様の方法で最適化すればよい。また、PSFモデルhの
初期値としてPSF理論値あるいはそれに準じる分布を
用いたが、従来のようなインパルスなどで初期値を与え
てもよい。このような場合にも、周波数空間のPSFモ
デルに対する本発明の制限により、復元される理想像の
精度は従来よりも向上する。
In each of the above embodiments, the fluorescence confocal microscope or the fluorescence microscope has been described as an example. However, it is needless to say that the present invention can be applied to all images formed by convolution as shown in (Equation 1). The image to be restored is not limited to the three-dimensional image as described above, but may be in other dimensions. For example, in order to restore a two-dimensional image, the two-dimensional ideal image model and the PSF model may be optimized for the two-dimensional actual image g by the same method as described above. Although the PSF theoretical value or a distribution similar thereto is used as the initial value of the PSF model h, the initial value may be given by a conventional impulse or the like. Even in such a case, the accuracy of the restored ideal image is improved as compared with the related art due to the limitation of the present invention on the PSF model in the frequency space.

【0079】なお、本発明には、以下の発明も含まれ
る。 (1)請求項1記載の画像復元方法において、予め定め
られた分布は、予め定められた周波数以下の成分が1
で、他の成分が0の分布である。 (2)請求項1記載の画像復元方法において、PSFモ
デルhの初期値として、像gを取得した装置のPSF理
論値あるいはそれに準じる分布を設定している。 (3)請求項1記載の画像復元方法において、理想像モ
デルfとPSFモデルhに対する実空間の制限が非負制
限である。 (4)請求項1記載の画像復元方法において、繰り返し
の処理が所定の回数に達したことを終了条件としてい
る。 (5)請求項1記載の画像復元方法において、像gを取
得する装置が共焦点顕微鏡である。 (6)請求項1記載の画像復元方法において、像gを取
得する装置が顕微鏡である。 (7)請求項3記載の画像復元方法において、予め定め
られた分布が周波数空間の像Gである。 (8)請求項3記載の画像復元方法において、PSFモ
デルhの初期値として、像gを取得した装置のPSF理
論値あるいはそれに準じる分布を設定する。 (9)請求項3記載の画像復元方法において、理想像モ
デルfとPSFモデルhに対する実空間の制限が非負制
限である。 (10)請求項3記載の画像復元方法において、繰り返
しの処理が所定の回数に達したことを終了条件としてい
る。 (11)請求項3記載の画像復元方法において、像gを
取得する装置が共焦点顕微鏡である。 (12)請求項3記載の画像復元方法において、像gを
取得する装置が顕微鏡である。
The present invention includes the following inventions. (1) In the image restoring method according to claim 1, the predetermined distribution is such that a component equal to or lower than a predetermined frequency is one.
Where the other components have a distribution of zero. (2) In the image restoration method according to the first aspect, the theoretical value of the PSF of the device that has acquired the image g or a distribution similar thereto is set as the initial value of the PSF model h. (3) In the image restoration method according to the first aspect, the restriction on the real space for the ideal image model f and the PSF model h is a non-negative restriction. (4) In the image restoration method according to the first aspect, the termination condition is that a predetermined number of repetitive processes have been performed. (5) In the image restoration method according to the first aspect, the device for acquiring the image g is a confocal microscope. (6) In the image restoration method according to the first aspect, the apparatus for acquiring the image g is a microscope. (7) In the image restoration method according to claim 3, the predetermined distribution is an image G in a frequency space. (8) In the image restoration method according to claim 3, as the initial value of the PSF model h, a theoretical value of the PSF of the device that has acquired the image g or a distribution similar thereto is set. (9) In the image restoration method according to the third aspect, the restriction on the real space for the ideal image model f and the PSF model h is a non-negative restriction. (10) In the image restoring method according to the third aspect, the termination condition is that a predetermined number of repetitive processes have been performed. (11) In the image restoration method according to the third aspect, the device for acquiring the image g is a confocal microscope. (12) In the image restoration method according to the third aspect, the apparatus for acquiring the image g is a microscope.

【0080】[0080]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ブ
ラインドデコンボリューションで復元される理想像の精
度を向上することができるとともに、理想像への収束に
要する計算時間を短縮することができる。
As described above, according to the present invention, the accuracy of an ideal image restored by blind deconvolution can be improved, and the calculation time required for convergence to the ideal image can be reduced. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1乃至第6の実施の形態を説明する
ためのフローチャート。
FIG. 1 is a flowchart for explaining first to sixth embodiments of the present invention.

【図2】本発明の第5および第6の実施の形態の説明に
用いられるフローチャート。
FIG. 2 is a flowchart used for describing fifth and sixth embodiments of the present invention.

【図3】本発明の第6の実施の形態の説明に用いられる
フローチャート。
FIG. 3 is a flowchart used to explain a sixth embodiment of the present invention.

【図4】従来の画像復元方法を説明するためのフローチ
ャート。
FIG. 4 is a flowchart for explaining a conventional image restoration method.

【図5】画像復元方法におけるバンドリミットの決め方
を説明する図。
FIG. 5 is a view for explaining how to determine a band limit in the image restoration method.

【図6】PSFモデルを制限する方法を説明する図。FIG. 6 is a view for explaining a method of restricting a PSF model.

【図7】従来と本発明の技術の違いを説明する図。FIG. 7 is a view for explaining a difference between the conventional technique and the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

201…物体のスペクトル、 202…PSFのスペクトル、 203…PSFのバンドリミット、 204…像のスペクトル、 205…像のバンドリミット、 401…像のスペクトル、 402、405…PSFのスペクトル、 403、406…PSFのバンドリミット、 404、407…理想像のスペクトル、 408…PSF理論値を包含する分布。 201: Object spectrum, 202: PSF spectrum, 203: PSF band limit, 204: Image spectrum, 205: Image band limit, 401: Image spectrum, 402, 405: PSF spectrum, 403, 406 ... PSF band limit, 404, 407: spectrum of ideal image, 408: distribution including PSF theoretical value.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 物体と点像分布関数(PSF)の畳込み
として取得されたn次元の像gから、点像分布関数によ
るボケを除去したn次元の理想像fを得るための画像復
元方法において、 n次元のPSFモデルhの初期値を設定したのち、 周波数空間に変換された像GとPSFモデルHにより、
周波数空間の理想像モデルFを修正し、 実空間に変換された理想像モデルfに対して、実空間の
制限を加え、 周波数空間に変換された像Gと理想像モデルFにより、
周波数空間のPSFモデルHを修正し、 周波数空間のPSFモデルHの各周波数成分値が、予め
定められた分布の対応する成分値を超えないように制限
し、 実空間に変換されたPSFモデルhに対して実空間の制
限を加えるような処理を所定の終了条件を満たすまで繰
り返し実行し、最終的な理想像モデルfを理想像として
生成することを特徴とする画像復元方法。
1. An image restoration method for obtaining, from an n-dimensional image g acquired as a convolution of an object and a point spread function (PSF), an n-dimensional ideal image f in which blurring due to the point spread function has been removed. In the above, after setting the initial value of the n-dimensional PSF model h, by using the image G and the PSF model H converted to the frequency space,
The ideal image model F in the frequency space is corrected, the real image is converted into the real space, and the real space is restricted. By the image G and the ideal image model F converted into the frequency space,
The PSF model H in the frequency space is modified so that each frequency component value of the PSF model H in the frequency space is restricted so as not to exceed a corresponding component value of a predetermined distribution, and the PSF model h converted to the real space An image restoration method characterized by repeatedly executing a process of imposing a restriction on a real space on a target image until a predetermined end condition is satisfied, and generating a final ideal image model f as an ideal image.
【請求項2】 前記の予め定められた分布は、像gを取
得した装置の周波数空間のPSF理論値あるいはそれに
準じる分布であることを特徴とする請求項1記載の画像
復元の方法。
2. The image restoration method according to claim 1, wherein the predetermined distribution is a theoretical PSF value in a frequency space of a device that has acquired the image g or a distribution similar thereto.
【請求項3】 物体と点像分布関数(PSF)の畳込み
として取得されたn次元の像gから、点像分布関数によ
るボケを除去したn次元の理想像fを得るための画像復
元の方法において、 n次元のPSFモデルhの初期値を設定したのち、 周波数空間に変換された像GとPSFモデルHにより、
周波数空間の理想像モデルFを修正し、 周波数空間の理想像モデルFの各周波数成分値が、予め
定められた分布の対応する成分値より小さくならないよ
うに制限し、 実空間に変換された理想像モデルfに対して、実空間の
制限を加え、 周波数空間に変換された像Gと理想像モデルFにより、
周波数空間のPSFモデルHを修正し、 周波数空間のPSFモデルHが、予め定められた周波数
を超える成分を持たないように制限し、 実空間に変換されたPSFモデルhに対して、実空間の
制限を加えるような処理を所定の終了条件を満たすまで
繰り返し実行し、最終的な理想像モデルfを理想像とし
て生成することを特徴とする画像復元方法。
3. An image restoration method for obtaining an n-dimensional ideal image f in which blurring due to a point spread function has been removed from an n-dimensional image g obtained as a convolution of an object and a point spread function (PSF). In the method, after setting an initial value of an n-dimensional PSF model h, by using the image G and the PSF model H converted to the frequency space,
The ideal image model F in the frequency space is modified, and each frequency component value of the ideal image model F in the frequency space is limited so as not to be smaller than a corresponding component value of a predetermined distribution. The image model f is restricted in the real space, and the image G converted to the frequency space and the ideal image model F
The PSF model H in the frequency space is corrected. The PSF model H in the frequency space is restricted so as not to have a component exceeding a predetermined frequency. An image restoration method characterized by repeatedly executing a process for adding a restriction until a predetermined end condition is satisfied, and generating a final ideal image model f as an ideal image.
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