專利名稱：基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及圖像處理和計算機視覺技術領域，特別涉及一種基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法和裝置。
背景技術：
熒光顯微鏡方法是目前快速發展的一種顯微鏡技術，主要是利用熒光或是磷光現象來研究樣本的屬性。生物樣本光學切片圖像可以利用熒光顯微鏡獲得，然而，由于成像過程中噪聲和模糊的物理限制，因此無法得到完美的圖像信息。由于光子轉換和光學成像系統自身的缺陷等原因，熒光顯微圖像無法避免噪聲的出現，這些噪聲的統計分布通常是已知的，因此圖像的噪聲通常可以使用恰當的濾波方法去除。圖像的模糊過程本質上與點擴散函數密切相關，由于顯微成像系統的有限光圈只 能收集到點光源的一部分光，因此光學成像系統無法匯聚點光源的像為一個點，相反，這個點光源的像會擴展為衍射模式，每一張光學切片圖像除了包含聚焦信息之外，同時還包含樣本其它部分的散焦信息，這就使得圖像看起來模糊。利用反卷積對熒光顯微切片圖像進行去噪及去模糊的過程是一個圖像復原(image restoration)的過程，即對原始信號的降質觀測的有效恢復。然而，由于點擴散函數(point spread function/PSF)是反卷積技術不可或缺的必要條件,又不能準確地預先獲知，因此使用反卷積進行圖像復原是一個嚴重的病態問題，為此，準確地估計點擴散函數是反卷積關鍵工作之一。傳統的獲取點擴散函數要么通過理論計算得到，要么通過測量熒光液珠強度的實驗方法獲得。但是，實驗方法得到的點擴散函數本身信息量微弱，很容易受到噪聲的干擾，且只能描述顯微鏡在某次使用時的特殊情況下的成像屬性，一旦再次使用顯微鏡，條件改變，那么前次測得的點擴散函數就無法適用，也不能夠根據實際情況調整和改變。理論方法計算得到的點擴散函數由于公式中使用的參數在成像過程中有可能發生改變，因此會導致計算得到的點擴散函數與實際情況不符。同其他的反卷積方法相比，盲反卷積有一個顯著的優勢，就是可以在復原樣本的同時，根據實際條件和施加的約束不斷更新迭代點擴散函數，使其盡可能反映成像的實際情況，進而獲得更好的顯微圖像復原結果。
發明內容
本發明旨在至少解決上述技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種對復原的圖像對比度和清晰度高，有效的保持了紋理的細節信息，圖像視覺效果更加清晰，自然，復原得到的PSF具有更高的準確度的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法。本發明的另一目的在于提出一種基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原
>J-U ρ α裝直。為了實現上述目的，本發明第一方面實施例提出了一種基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，包括以下步驟通過熒光顯微鏡獲得樣本的觀測圖像，并基于所述樣本建立目標函數，其中，所述目標函數包括基于泊松噪聲統計模型構建的正則項和基于稀疏理論構建的約束項；根據所述目標函數獲得所述樣本的圖像復原迭代公式和點擴散函數迭代公式；以及通過所述圖像復原迭代公式和所述點擴散函數迭代公式對所述觀測圖像進行計算以得到復原的熒光顯微圖像和修正的點擴散函數。本發明第二方面實施例提出了一種基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，包括圖像獲取裝置，用于獲取樣本的觀測圖像；函數建立模塊，用于根據所述樣本建立目標函數，其中，所述目標函數包括基于泊松噪聲統計模型構建的正則項和基于稀疏理論構建的約束項；迭代公式建立模塊，用于根據所述目標函數獲得所述樣本的圖像復原迭代公式和點擴散函數迭代公式；以及圖像復原模塊，用于通過所述圖像復原迭代公式 和所述點擴散函數迭代公式對所述觀測圖像進行計算以得到復原的熒光顯微圖像和修正的點擴散函數。根據本發明實施例的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法和裝置，推導出熒光顯微圖像(復原的熒光顯微圖像)及相應的點擴散函數(修正的點擴散函數)的復原模型，有效克服了傳統復原圖像方法易受噪聲影響及復原圖像模糊的缺陷，使得圖像在復原的同時提高了對比度與清晰度，有效的保持了紋理的細節信息，圖像視覺效果更加清晰，自然，復原得到的PSF(修正的點擴散函數)也具有更高的準確度。本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發明實施例的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法的流程圖；圖2為根據本發明一個實施例的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法的詳細流程圖；圖3為根據本發明一個實施例的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法的盲反卷積過程示意圖；圖4A為根據本發明一個實施例的人工合成圖像；圖4B為對圖4A所述的人工合成圖像添加泊松噪聲后的模糊圖像；圖5A為應用現有的維納濾波方法對圖4B所示的模糊圖像進行復原的結果示意圖；圖5B為應用現有的RL方法對圖4B所示的模糊圖像進行復原的結果示意圖；圖5C為應用現有的BD方法對圖4B所示的模糊圖像進行復原的結果示意圖；圖為根據本發明實施例的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法對圖4B所示的模糊圖像進行復原的結果示意圖；圖6A為本發明一個實施例的真實熒光顯微圖像(觀測圖像)的示意圖6B為應用現有的維納濾波方法對圖6A所示真實熒光顯微圖像進行復原的結果示意圖；圖6C為應用現有的BD方法對圖6A所示真實熒光顯微圖像進行復原的結果示意圖；圖6D為應用本發明實施例所述的基于盲反卷積和稀疏表不的突光顯微圖像復原方法對圖6A所示真實熒光顯微圖像進行復原的結果示意圖；圖7A為圖6A所示的真實熒光顯微圖像的局部放大圖；圖7B為圖6B所示的對真實熒光顯微圖像復原結果的局部放大圖；圖7C為圖6C所示的對真實熒光顯微圖像復原結果的局部放大圖；
圖7D為圖6D所示的對真實熒光顯微圖像復原結果的局部放大圖；以及圖8為本發明一個實施例的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置的結構圖。
具體實施例方式現在將詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。雖然示出了特定實施例，但是應理解不意味著將本發明限于這些特定實施例。相反地，本發明包括在所附的權利要求的精神和范圍內的替代、修改和等同。闡明多個具體細節是為了提供對本文提出的主題的全面理解。但是本領域的普通技術人員應明白，可以不使用這些具體細節來實施該主題。在其他情況下，沒有詳細描述公知的方法、程序、部件和電路，從而避免不必要 地使本實施例的方面模糊。盡管本文可能使用術語第一、第二等等來描述各種元件，但是這些元件不應受這些術語限制。這些術語僅僅用于將一個元件與另一個元件區別開。例如第一排序標準可以稱為第二排序標準，類似地，第二排序標準可以稱為第一排序標準，在不脫離本發明的范圍的情況下。第一排序標準和第二排序標準都是排序標準，但是它們不是相同的排序標準。本文中本發明的描述中使用的術語僅僅是為了描述特定實施例的目的，并不意味著對本發明的限制。如本發明及所附權利要求的描述中所使用的，單數形式“一個”“一種”和“所述”意味著也包括復數形式，除非上下文另外清楚指出。還應理解，本文所使用的術語“和/或”表示并包含一個或多個的相關聯的列出的項目的任何一個和所有可能組合。還應進一步理解，當在說明書中使用時，術語“包括”和/或“包含”指定陳述的特征、操作、元件和/部件的存在，但不排除一個或多個其他特征、操作、元件、部件和/或它們的組的存在或添加。如本文所使用的，根據上下文，術語“如果”可理解為是指“當”或“在......時”
或“響應于確定”或“根據......的確定”或“響應于檢測”，陳述的先決條件是真實的。類
似地，根據上下文，短語“如果確定[陳述的先決條件是真實的]”或“如果[陳述的先決條
件是真實的]”或“當[陳述的先決條件是真實的]”可理解為是指“在確定......時”或
“響應于確定”或“根據.......的確定”或“在檢測......時”或“對應于檢測”陳述的先
決條件是真實的。以下結合附圖首先描述根據本發明實施例的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法。
在本發明的示例中，利用盲反卷積對熒光顯微切片圖像進行去噪及去模糊的過程是一個圖像復原(image restoration)的過程，即對原始信號的降質觀測的有效恢復。傳統顯微成像系統所得到的是原始樣本的退化圖像，這種退化一般包括成像系統光學衍射等造成的模糊和各種噪聲干擾，盲反卷積的目的就是從觀測到的退化圖像最大可能地恢復樣本的本來面目，其過程如圖3所示.參見圖I和圖2，根據本發明實施例的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，包括如下步驟步驟S101，通過熒光顯微鏡獲得樣本的觀測圖像(對應圖2所示的步驟S203)，并基于所述樣本建立目標函數(對應圖2所示的步驟S201)，其中，目標函數包括基于泊松噪聲統計模型構建的正則項和基于稀疏理論構建的約束項。在本發明的示例中，目標函數表示為
權利要求
1.一種基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，其特征在于，包括以下步驟 通過熒光顯微鏡獲得樣本的觀測圖像，并基于所述樣本建立目標函數，其中，所述目標函數包括基于泊松噪聲統計模型構建的正則項和基于稀疏理論構建的約束項； 根據所述目標函數獲得所述樣本的所述圖像復原迭代公式和所述點擴散函數迭代公式；以及 通過所述圖像復原迭代公式和所述點擴散函數迭代公式對所述觀測圖像進行計算以得到復原的熒光顯微圖像和修正的點擴散函數。
2.根據權利要求I所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，其特征在于，所述通過圖像復原迭代公式和所述點擴散函數迭代公式對所述觀測圖像進行計算以得到復原的熒光顯微圖像和修正的點擴散函數，進一步包括 設置迭代次數閾值， 通過所述圖像復原迭代公式和所述點擴散函數迭代公式對所述觀測圖像進行迭代，直至迭代次數到達所述迭代次數閾值后停止迭代以得到所述復原的熒光顯微圖像和修正的點擴散函數。
3.根據權利要求I所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，其特征在于，所述目標函數為
4.根據權利要求3所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，其特征在于，所述正則項Lfidelity (g I f，h)為
5.根據權利要求4所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，其特征在于，還包括 對所述正則項Lfidelity(g| f, h)和所述約束項Lspqree(f, h)進行推導。
6.根據權利要求I所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，其特征在于，所述根據目標函數獲得所述樣本的圖像復原迭代公式，進一步包括 設置點擴散函數h(x)的初始值，且通過F(X)Ia = I對所述點擴散函數進行標準化；根據所述目標函數并應用變分法得到對應的基于所述復原的熒光顯微圖像的歐拉方程；以及 根據所述歐拉方程得到所述圖像復原迭代公式。
7.根據權利要求I所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，其特征在于，根據所述目標函數獲得所述樣本的點擴散函數迭代公式，進一步包括 設置復原的熒光顯微圖像f(x)的初始值； 根據所述目標函數應用梯度下降算法得到所述點擴散函數迭代公式。
8.根據權利要求7所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，其特征在于，所述復原的熒光顯微圖像f (X)的初始值為觀測圖像g(x)。
9.根據權利要求6所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，其特征在于，所述點擴散函數h(x)的初始值為高斯近似模型為
10.根據權利要求9所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法，其特征在于， 當所述熒光顯微鏡為寬場顯微鏡時，所述
11.一種基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，其特征在于，包括 圖像獲取裝置，用于獲取樣本的觀測圖像； 函數建立模塊，用于根據所述樣本建立目標函數，其中，所述目標函數包括基于泊松噪聲統計模型構建的正則項和基于稀疏理論構建的約束項； 迭代公式建立模塊，用于根據所述目標函數獲得所述樣本的圖像復原迭代公式和點擴散函數迭代公式；以及 圖像復原模塊，用于通過所述圖像復原迭代公式和所述點擴散函數迭代公式對所述觀測圖像進行計算以得到復原的熒光顯微圖像和修正的點擴散函數。
12.根據權利要求11所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，其特征在于，所述圖像復原模塊用于設置迭代次數閾值，并通過所述圖像復原迭代公式和所述點擴散函數迭代公式對所述觀測圖像進行迭代，直至迭代次數到達所述迭代次數閾值后停止迭代以得到所述復原的熒光顯微圖像和修正的點擴散函數。
13.根據權利要求11所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，其特征在于，所述目標函數為
14.根據權利要求13所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，其特征在于，所述正則項Lfidelity(g|f，h)為
15.根據權利要求14所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，其特征在于，所述函數建立模塊，進一步包括 求解模塊，用于對所述正則項Lfidelity(gI f，h)和所述約束項Lsparee(f，h)進行推導。
16.根據權利要求11所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，其特征在于，所述迭代公式建立模塊用于設置點擴散函數h(x)的初始值，且通過P(X)Ia =1對所述點擴散函數進行標準化，并根據所述目標函數并應用變分法得到對應的基于所述復原的熒光顯微圖像的歐拉方程，以及根據所述歐拉方程得到所述圖像復原迭代公式。
17.根據權利要求11所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，其特征在于，所述迭代公式建立模塊還用于設置復原的熒光顯微圖像f(x)的初始值，并根據所述目標函數應用梯度下降算法得到所述點擴散函數迭代公式。
18.根據權利要求17所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，其特征在于，所述復原的熒光顯微圖像的初始值為觀測圖像g(x)。
19.根據權利要求16所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，其特征在于，所述點擴散函數h(x)的初始值采用高斯近似模型為
20.根據權利要求19所述的基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原裝置，其特征在于，所述圖像獲取裝置為熒光顯微鏡，且所述熒光顯微鏡包括寬場顯微鏡和共焦顯微鏡，其中， 當所述熒光顯微鏡為寬場顯微鏡時，所述0 * = 0. 21入effl/NA ； 當所述熒光顯微鏡為共焦顯微鏡時，所述V = OllSAexAem I NA^2ex+Alf2， 其中，NA為數值孔徑，入 和分別表示激發激光波長和熒光發射波長。P和q分別為預設值，用于控制所述h(x)的尺寸。
全文摘要
本發明提出一種基于盲反卷積和稀疏表示的熒光顯微圖像復原方法和裝置，所述方法包括通過熒光顯微鏡獲得樣本的觀測圖像，并基于樣本建立目標函數，其中，目標函數包括正則項和約束項；根據目標函數獲得樣本的圖像復原迭代公式和點擴散函數迭代公式；通過圖像復原迭代公式和點擴散函數迭代公式對觀測圖像進行計算以得到復原的熒光顯微圖像和修正的點擴散函數。通過本發明的實施例復原的圖像對比度和清晰度高，有效的保持了紋理的細節信息，圖像視覺效果更加清晰，自然，復原得到的點擴散函數同樣具有較高的準確度。
文檔編號G06T5/00GK102708543SQ201210117309
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月19日 優先權日2012年4月19日
發明者姜同強, 王瑜, 郭培源 申請人:北京工商大學