[发明专利]一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法，该方法是数字共焦显微技术中三维生物显微图像复原处理的一个重要环节，属于数字图像复原处理技术领域。该方法的应用，可按照一般观察浏览和分析测量的不同需要，结合复原效果和处理时间的综合权衡考虑，作出三维点扩散函数不同空间大小的选取。 

二、背景技术

数字共焦显微技术以普通生物光学显微镜为基础，配置图像探测器、精密移动控制机构和电脑，采用数字图像处理技术，对采集的生物样本显微图像进行复原处理，消除焦面以外的散焦的影响，以提高细胞图像的分辨率。 

数字共焦显微技术中的复原处理，采用的是三维显微图像去卷积复原方法。表征显微镜光学系统的三维点扩散函数，直接决定着去卷积复原处理的效果。三维点扩散函数越准确地反映显微镜光学系统的能量分布，复原效果越好。在此基础上，三维点扩散函数的空间大小选取越大，复原效果越好，同时处理时间越长，空间大小极限为样本体积的2倍。三维点扩散函数为对顶双漏斗结构，如图1所示，绝大部分能量集中在中部的双漏斗对顶处。进行图像复原处理时，以该处为原点选取邻域一定空间大小的三维点扩散函数进行处理。研究表明，随着空间大小的逐渐增大，复原效果提升逐步趋缓，而处理时间却迅速增加， 复原效率下降。因此，如何根据观察浏览和分析测量的不同需要，综合和权衡考虑复原效果和处理时间，选取不同空间大小三维点扩散函数进行复原处理，是数字共焦技术中三维显微图像去卷积复原处理需要解决的重要问题。 

三、发明内容

本发明的目的是提供一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法，该方法能够根据观察浏览和分析测量的不同需要，综合和权衡考虑复原效果和处理时间，选取相应空间大小的三维点扩散函数对采集的序列显微切片图像进行复原处理。 

本发明通过以下技术方案达到上述目的：一种基于复原效率的三维点扩散函数空间大小选取方法，三维点扩散函数以下简写为3D-PSF。包括如下步骤： 

(1)用一幅清晰高信噪比细胞图像作为初始二维样本，制作序列相互关联的二维图像，构建一个清晰仿真三维图像f； 

(2)按照显微镜物镜放大倍数、数值孔径等参数、光源波长、相机靶面大小和分辨率参数，并设定一个光学切片层距，制作用于卷积的显微镜光学系统仿真三维点扩散函数h，由小到大制作用于复原的不同直径的不同空间大小序列三维点扩散函数h_i(h₁、h₂、…、h_i)； 

(3)用h与f卷积得到模糊仿真三维图像g； 

(4)用不同空间大小的三维点扩散函数h_i分别对模糊仿真三维图像g进行去卷积复原处理，复原算法采用最大似然法，同时记录复原效果和处理时间； 

(5)去卷积复原处理的复原效果的评价，采用改善信噪比ISNR，处理时间采用秒，并以最小的空间大小三维点扩散函数h₁的处理时间为基数进行时间归一化，计算不同空间大小三维点扩散函数h_i对模糊仿真三维图像g进行复原处理的复原效率：q＝ISNR/t，其中q为图像复原效率，t为归一化图像复原处理时间； 

(6)对各空间大小三维点扩散函数的复原效率q与由小到大不同直径M的不同空间大小序列三维点扩散函数h_i的数据进行拟合，得到q-M关系曲线，求q对M的二阶导数d²q/dM²，设二阶导数为零找出曲线拐点，将直角坐标横轴上与拐点最接近的直径M的三维点扩散函数，确定为可选最小空间三维点扩散函数； 

(7)三维点扩散函数空间大小的选取，如果复原图像用于一般观察浏览，对复原效果要求不太高，可以选取“可选最小空间三维点扩散函数”或稍大的空间大小的三维点扩散函数进行图像复原，以减少复原处理时间，如果复原图像用于研究、分析测量，则选取较大空间大小的三维点扩散函数，以获得更精确的复原效果，对复原图像的效果要求越高，选取越大空间大小的三维点扩散函数。 

图像复原仿真实验，实验步骤如下： 

1)采用直径不同的不同空间大小的序列三维点扩散函数对三维仿真细胞图像复原进行复原实验，获得图像复原效果和复原时间与不同空间大小的三维点扩散函数之间的关系数据。 

2)复原效率的计算：根据得到的实验数据，计算复原效率并绘制出曲线，找出曲线拐点，确定三维点扩散函数选取的最小空间。