基于空間變化點擴散函數的熒光顯微圖像重建方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及計算機視覺和圖像處理技術領域，尤其涉及一種基于空間變化點擴散 函數的熒光顯微圖像重建方法及系統。
【背景技術】
[0002] 熒光顯微圖像3D復原或重建作為計算機視覺與圖像處理領域具有挑戰性的工 作，在生物，醫學和生命科學研宄中具有重要價值。但是由于光學成像設備自身的衍射、有 限的數值孔徑等因素限制，使得所成圖像中有一定程度的模糊現象，這種模糊現象用點擴 散函數（point spread function，PSF)來表征。隨著成像深度的增加，這種模糊現象更加 嚴重。
[0003] 目前，很多技術都能夠實現生物樣本的3D圖像重建，并被不斷的改進和完善。為 了簡化計算，其中一些算法假設PSF是空間不變的。這種假設在PSF變化不明顯的薄樣本 中可以近似成立，但對于厚熒光顯微樣本，由于樣本折射率的變化和球形像差的影響，使得 空間不變PSF的假設不再成立。
[0004] 目前有兩種方法可以得到PSF，分別為實驗法和理論法。實驗法是通過光學顯微 鏡對直徑小于200納米的熒光小珠成像，這種方法得到PSF具有較高的可信度，但實際顯 微成像系統的PSF與生物樣本自身的光學特性有關，而不同的生物樣本其光學特性是不同 的，因此直接測量法難以準確描繪實際顯微成像時準確的PSF。另外由于熒光小球的幾何尺 寸較小，測量時信噪比相對較低，這就需要光學系統盡量調整到理想狀態，但實際的實驗環 境下，這種狀態很難實現。理論法是將光波長，樣本折射率，成像設備的數值孔徑等參數帶 入Gibson S. F.和Lanni F.的經典衍射理論公式中，進而計算得到PSF，但由于公式中所需 的參數較多，而在實際中有些參數有時很難準確得到且具有易變性，因此理論法得到的PSF 往往會與實際情況有所偏差。
[0005] 現有的利用空間變化點擴散函數（space variant point spread function，SV PSF)模型來進行樣本三維重建的算法中，主要是將圖像分成各個子區域，每個子區域內使 用空間不變點擴散函數，為了減少區域間的塊效應，需要實現兩個PSF之間的平滑過渡。
【發明內容】
[0006] 本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的 第一方面目的在于提出一種整體性好、分辨率高的基于空間變化點擴散函數的熒光顯微圖 像重建方法。
[0007] 本發明第二方面目的在于提出一種基于空間變化點擴散函數的熒光顯微圖像重 建系統。
[0008] 為了實現上述目的，本發明第一方面實施例提出一種基于空間變化點擴散函數的 熒光顯微圖像重建方法，包括以下步驟：S1，輸入熒光顯微圖像序列，并根據預定條件將所 述熒光顯微圖像序列分為多組圖像棧；S2,獲取每組所述圖像棧的中心位置圖像的點擴散 函數，并將所述點擴散函數作為所述圖像棧的點擴散函數；S3,將每組所述圖像棧的點擴散 函數組成點擴散函數序列，對所述點擴散函數序列進行處理以獲取預定空間深度的插值函 數；S4,根據所述插值函數獲取每組所述圖像棧的空間變化點擴散函數；S5,根據所述空間 變化點擴散函數進行熒光顯微圖像的三維重建。
[0009] 根據本發明實施例的基于空間變化點擴散函數的熒光顯微圖像重建方法，使用不 同深度處估計出的空間不變點擴散函數序列構建樣條插值函數，得到關于軸向深度的插值 函數，再由計算出位于預定空間深度處的點擴散函數。利用空間不變點擴散函數序列來得 到空間變化點擴散函數序列模型的方法，使相鄰兩PSF之間的平滑過渡更自然，生成的空 間變化點擴散函數更符合實際成像系統的特點，本發明的方法考慮了所有空間不變點擴散 函數的信息，克服了現有階層法只利用相鄰兩點擴散函數來進行平滑的局部性缺點。
[0010] 在一些示例中，所述步驟S2利用盲反卷積方法獲取所述每組所述圖像棧的中心 位置圖像的點擴散函數。
[0011] 在一些示例中，所述步驟S3利用三次樣條插值法對所述點擴散函數序列進行處 理以獲取預定空間深度的插值函數，包括：獲取m個位于不同空間深度的點擴散函數作為 樣條插值的m個節點；將每個所述點擴散函數的強度值作為節點值；設置起始點擴散函數 和終止點擴散函數，獲取每兩個點擴散函數之間位于預定空間深度的插值函數。
[0012] 在一些示例中，可利用所述插值函數，獲取位于任意兩個所述點擴散函數之間的 點擴散函數。
[0013] 在一些示例中，步驟S5利用反卷積算法對所述空間變化點擴散函數進行熒光顯 微圖像的三維重建。
[0014] 本發明第二方面實施例提出一種基于空間變化點擴散函數的熒光顯微圖像重建 系統，包括：分組模塊，用于輸入熒光顯微圖像序列，并根據預定條件將所述熒光顯微圖像 序列分為多組圖像棧；預處理模塊，用于獲取每組所述圖像棧的中心位置圖像的點擴散函 數，并將所述點擴散函數作為所述圖像棧的點擴散函數；插值模塊，用于將每組所述圖像棧 的點擴散函數組成點擴散函數序列，對所述點擴散函數序列進行處理以獲取預定空間深度 的插值函數；空間變化點擴散函數模塊，根據所述插值函數獲取每組所述圖像棧的空間變 化點擴散函數；重建模塊，用于根據所述空間變化點擴散函數進行熒光顯微圖像的三維重 建。
[0015] 根據本發明實施例的基于空間變化點擴散函數的熒光顯微圖像重建系統，使用不 同深度處估計出的空間不變點擴散函數序列構建樣條插值函數，得到關于軸向深度的插值 函數，再由計算出位于預定空間深度處的點擴散函數。利用空間不變點擴散函數序列來得 到空間變化點擴散函數序列模型的方法，使相鄰兩PSF之間的平滑過渡更自然，生成的空 間變化點擴散函數更符合實際成像系統的特點，本發明的系統考慮了所有空間不變點擴散 函數的信息，克服了現有階層法只利用相鄰兩點擴散函數來進行平滑的局部性缺點。
[0016] 在一些示例中，所述預處理模塊利用盲反卷積方法獲取所述每組所述圖像棧的中 心位置圖像的點擴散函數。
[0017] 在一些示例中，所述插值模塊還用于利用三次樣條插值法對所述點擴散函數序列 進行處理以獲取預定空間深度的插值函數，包括：獲取m個位于不同空間深度的點擴散函 數作為樣條插值的m個節點；將每個所述點擴散函數的強度值作為節點值；設置起始點擴 散函數和終止點擴散函數，獲取每兩個點擴散函數之間位于預定空間深度的插值函數。
[0018] 在一些示例中，所述插值模塊還用于可利用所述插值函數，獲取位于任意兩個所 述點擴散函數之間的點擴散函數。
[0019] 在一些示例中，所述重建模塊利用反卷積算法對所述空間變化點擴散函數進行熒 光顯微圖像的三維重建。
[0020] 本發明附加的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。
【附圖說明】
[0021] 圖1是根據本發明一個實施例的基于空間變化點擴散函數的熒光顯微圖像重建 方法的流程圖；
[0022] 圖2是本發明一個實施例的基于空間變化點擴散函數的熒光顯微圖像重建方法 的過程圖；
[0023] 圖3是本發明一個實施例的一組SI PSF圖像示例示意圖；和
[0024] 圖4是根據本發明一個實施例的基于空間變化點擴散函數的熒光顯微圖像重建 系統的結構框圖。
【具體實施方式】
[0025] 在本發明的描述中，需要理解的是，術語"中心"、"縱向"、"橫向"、"長度"、"寬度"、 "厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底" "內"、"外"、"順時 針"、"逆時針"、"軸向"、"徑向"、"周向"等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或 位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必 須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0026] 此外，術語"第一"、"第二"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性 或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或 者隱含地包括至少一個該特征。在本發明的描述中，"多個"的含義是至少兩個，例如兩個， 三個等，除非另有明確具體的限定。
[0027] 在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語"安裝"、"相連"、"連接"、"固定"等 術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連 接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內 部的連