[发明专利]基于傅里叶功率谱的冷冻电镜单颗粒图像配准方法

说明书

一种基于傅里叶功率谱的冷冻电镜单颗粒图像配准方法，通过对待测冷冻电镜单颗粒图片集进行功率谱高通滤波器参数估计，然后计算待配准图像的傅里叶功率谱，并提取特征点，根据特征点对待配准图像进行反旋转后对图像进行矫正；基于傅里叶功率谱的旋转周期性，再次根据特征点计算另一相对旋转角后进行相对反旋转和相对矫正，最后根据矫正以及相对矫正得到的矫正图像与目标图像进行相似性计算，取相似性最高的矫正图像作为配准参数结果。本发明使用傅里叶功率谱域的分析对噪声、颗粒以及背景进行了有效分离，同时基于快速傅里叶变换的有效实现大大提高了算法的计算性能，无需进行迭代修正可直接计算出配准参数，使得配准无论从计算速度还是精度与鲁棒性上都得到了提升。

技术领域

本发明涉及的是一种图像处理领域的技术，具体是一种基于傅里叶功率谱的冷冻电镜单颗粒图像配准方法。

背景技术

在冷冻电镜的检测过程中，为了保证生物大分子的活性尽量不受电子辐射影响，电子显微镜使用的电子剂量必须保证在一个很低的程度下，导致冷冻电镜单颗粒图像的噪声很大，信噪比极低(通常低至0.1以下)。冷冻电镜图像的分析技术包括二维分析技术与三维分析技术，二维分析技术主要对图像进行聚类来降低噪声获取较为清晰的电镜图像，而三维分析技术则通过冷冻电镜图像重建其三维结构。无论是二维分析技术还是三维分析技术都需要在实施过程中对冷冻电镜图像进行配准以便于更好计算图像距离、图像相似性以及相对方向关系，且最终结果严重依赖于配准算法的准确性。

冷冻电镜图像配准的主要难点在于图像极低的信噪比以及颗粒部分只占据图像的一部分使得颗粒需要与背景进行分离。目前的冷冻电镜配准算法主要还是迭代算法，这样的方法无法保证收敛速度，使得算法非常耗时，且对噪声的抗性也不强。配准算法是整个冷冻电镜分析中的重要一环，也是重要耗时环节，因此目前需要一种全新的配准算法来对整个过程进行加速并且能保证算法的精度与鲁棒性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于傅里叶功率谱的冷冻电镜单颗粒图像配准方法，使用傅里叶功率谱域的分析对噪声、颗粒以及背景进行了有效分离，同时基于快速傅里叶变换的有效实现大大提高了算法的计算性能，无需进行迭代修正可直接计算出配准参数，使得配准无论从计算速度还是精度与鲁棒性上都得到了提升。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于傅里叶功率谱的冷冻电镜单颗粒图像配准方法，通过对待测冷冻电镜单颗粒图片集进行功率谱高通滤波器参数估计，然后计算待配准图像的傅里叶功率谱，并提取特征点，根据特征点对待配准图像进行反旋转后对图像进行矫正；基于傅里叶功率谱的旋转周期性，再次根据特征点计算另一相对旋转角后进行相对反旋转和相对矫正，最后根据矫正以及相对矫正得到的矫正图像与目标图像进行相似性计算，取相似性最高的矫正图像作为配准参数结果。

所述的功率谱高通滤波器参数估计是指：利用配准算法在随机挑选的小样本数据集上进行配准精度评估，选取最佳的功率谱高通滤波器参数，即功率谱域滤波半径r作为后续完整配准过程的方法参数。

所述的配准精度评估是指：将小样本数据集上的所有数据向指定图像进行配准，并计算所有配准过后的图像与指定图像的相似度的均值作为精度指标，该精度指标采取相关熵其中：P，Q分别为两幅冷冻电镜单颗粒图像，m，n分别为其高度与宽度，e为自然对数，P_ij，Q_ij为两幅图像位于(i，j)处的像素值，σ为给定参数，一般设为1。

所述的待配准图像的傅里叶功率谱P(u，v)＝|F(u，v)|²，其中：F(u，v)是图像的傅里叶变换，u，v是频域坐标，|·|表示取幅值操作，P(u，v)是图像的功率谱，对于两张需要进行配准的冷冻电镜单颗粒图像I₁、I₂，分别计算其傅里叶功率谱并根据估计所得参数进行高通滤波得到对应功率谱P₁、P₂。