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《荧光显微图像3D重建技术与应用》可供从事光学显微图像处理技术的科研人员和工程人员参考。
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| 內容簡介： |
《荧光显微图像3D重建技术与应用》以显微光学成像系统获取的降质荧光显微样本图像或图像栈为研究对象，利用有效的图像去噪、去模糊和3D重建方法，获得更高清晰度和对比度的荧光显微图像，或者样本3D模型，便于后期观察与分析。《荧光显微图像3D重建技术与应用》分为6章，第1～2章是基础知识部分，主要介绍显微样本3D立体成像技术
的发展与现状；第3～5章是算法研究部分，主要利用压缩感知、偏微分方程、反卷积和正则化等技术，提出一系列2D荧光显微图像去噪、去模糊和3D荧光显微图像栈重建等相关算法；第6章详细介绍设计并搭建的荧光显微图像显示与分析系统。
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| 目錄：
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目录
前言
第1章绪论1
1.1引言1
1.2研究背景1
1.3显微镜成像原理4
1.3.1人眼的可见光范围4
1.3.2显微镜的基本成像原理4
1.4国内外显微样本3D立体成像发展与现状5
1.4.1波前重建显微镜方法5
1.4.2全息显微镜方法6
1.4.3共焦显微镜方法8
1.4.4CT显微镜方法9
1.4.5倾斜视角重建显微镜方法11
1.4.6基于微透镜阵列的显微镜方法12
1.4.7体视显微镜方法15
1.4.8荧光显微镜3D重建方法15
1.5本章小结20
参考文献21
第2章荧光显微图像3D重建24
2.1引言24
2.2荧光显微图像3D重建方法的思路与优势24
2.2.1算法设计思路24
2.2.2荧光显微图像3D重建方法的优势26
2.3物理与统计模型26
2.3.1物理模型26
2.3.2统计模型27
2.4光场表示与性质29
2.4.1光场表示29
2.4.2微观光场性质30
2.4.3基于微观光场的几点讨论31
2.5荧光显微图像3D重建方法34
2.5.1近邻方法34
2.5.2线性方法35
2.5.3非线性方法37
2.5.4统计方法38
2.5.5盲反卷积方法40
2.6本章小结42
参考文献43
第3章荧光显微图像去噪算法研究47
3.1引言47
3.2偏微分方程47
3.2.1偏微分方程的概念47
3.2.2偏微分方程的特点50
3.3基于方向四阶偏微分方程的荧光显微图像去噪51
3.3.1方法介绍51
3.3.2评价方法56
3.3.3实验与讨论57
3.4基于四阶偏微分方程和对比度增强的荧光显微图像去噪61
3.4.1方法介绍61
3.4.2实验与讨论62
3.5本章小结65
参考文献66
第4章2D荧光显微图像复原算法研究68
4.1引言68
4.2基于稀疏表示约束的2D荧光显微图像复原69
4.2.1基本理论知识69
4.2.2方法介绍75
4.2.3实验与讨论82
4.3基于Gabor小波分解和增益图约束的2D荧光显微图像复原93
4.3.1基本理论知识93
4.3.2方法介绍94
4.3.3实验与讨论96
4.4本章小结101
参考文献101
第5章3D荧光显微图像重建算法研究107
5.1引言107
5.2基于各阶强度导数的荧光显微图像3D重建107
5.2.1基本理论知识107
5.2.2方法介绍109
5.2.3实验与讨论113
5.3基于空间变化点扩散函数的荧光显微图像3D重建122
5.3.1基本理论知识122
5.3.2方法介绍123
5.3.3实验与讨论125
5.4本章小结129
参考文献130
第6章荧光显微图像显示与分析系统133
6.1引言133
6.2系统设计133
6.3系统功能实现135
6.3.12D图像复原136
6.3.23D图像重建139
6.4评价标准144
6.5本章小结145
参考文献145
彩图
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| 內容試閱：
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第1章绪论
1.1引言
医学、生命科学、生物学、细胞学、材料学等世界前沿研究领域，迫切需要以三维（ThreeDimension，3D）形式展现显微样本的结构细节，以使人们能够以新的视角和方式，重新认识和理解周围的微观世界，而显微成像技术、荧光探针技术、光物理技术、计算机技术和CCD技术的飞速发展，为3D显微样本结构重建提供了必要的基础和条件。该课题相关研究已经快速成为一种生物、医学研究的客观标准，用于判别科学结论的正确性和可靠性，丰富人们的理解和需求。
本章详细介绍荧光显微样本3D重建这一研究课题的背景与意义，并从显微光学成像系统的基本原理入手，系统阐述显微样本3D立体成像技术的发展与现状，重点介绍荧光显微样本3D重建方法的研究内容，为后续章节提供必要的知识准备。
1.2研究背景
传统显微成像技术展现的多是样本的二维（TwoDimension，2D）信息，往往成像不充分，主要有以下几点原因。首先，2D图像只能提供生物样本的局部信息，有关样本的整体结构、形状、尺寸，以及感兴趣部分和整体结构之间的相互关系等详细的形态学信息，则无法通过传统2D形式准确地表达，相比之下，3D图像重建可以提供更丰富的内涵。其次，由于每幅2D图像只能提供一定的局部信息，为了完整地理解所研究的样本，需要分析样本的多幅2D图像，而2D图像间的相互影响和理解具有很大的不确定性，所以结果的准确性难以保证。相比之下，3D图像重建（如图1.1所示）可以提供更多更准确的量化数据，进而避免对样本的误解，使人们更加信任得到的结果。总之，3D图像重建可以使样本更加清晰、明确，更重要的是，可以发现得更多、展示得更多、表达得更多。为了充分满足医学、生命科学、生物学、细胞学、材料学等领域的科学研究和生产生活的迫切需要，亟须开展荧光显微样本3D图像重建的研究。
图1.1 3D图像重建实例（见彩图）
荧光显微样本3D重建与分析研究的主要问题包括利用显微光学成像系统的变焦方法，以及图像理解和相关性分析等理论指导，获得荧光显微样本的光学截面图像栈；研究荧光显微图像去噪、图像融合等方法，提高图像栈的质量；在准确估计点扩散函数的基础上，对图像栈进行3D重建与分析，图1.2显示了荧光显微样本3D重建与分析的流程示意图。
图1.2荧光显微样本3D重建与分析的流程示意图
该课题的研究大致分为光学截面图像栈采集、预处理和3D重建三个阶段，区别于以往的2D显微光学成像技术，3D图像重建具有许多特有的属性，从而引发了相应的多项技术需求。首先，在采集阶段，3D图像重建需要利用显微光学成像系统的变焦手段，密集采集多幅图像（图像栈），为了重建精确，变焦步长需要选择恰当，太小会导致产生海量数据，造成计算复杂，耗时费力，同时增加了存储资源的成本，太大则会导致关注区域信息丢失，结果粗糙，甚至导致对样本理解错误，因此，选择适当的变焦步长，既保证获得准确结果，又满足降低计算复杂度的需求，已经成为众多研究者普遍关注的问题；其次，由于3D图像重建建立在同一样本图像栈的基础上，所以除了要注重单幅图像内容的理解，同时也要非常注重图像间的相互影响和理解，这些有价值的信息反过来也可以正确指导变焦步长的正确选择，可见，如何正确理解单幅图像的内容和多幅图像间的相互关系，也是相关领域专家面临的难题；再次，在预处理阶段，为了获得高质量的3D模型，各种提高图像栈质量的措施不可或缺，包括背景估计、去噪技术和融合技术等；*后，在3D重建阶段，需要准确、高效地估计点扩散函数，并重建样本模型，在三个维度上进行反卷积处理，面对成百上千幅光学截面图像，如何准确、高效地完成相关预处理的工作和重建显微样本的3D结构，已经成为图像处理和数学领域的典型难题。综上所述，该课题涉及荧光显微成像、图像理解与增强、信息处理、计算机视觉、应用数学等诸多相关研究领域，海量数据、大空间存储、复杂理解、高效运算等问题对高质量3D图像重建的研究提出了严峻的挑战，其具有极强的科学意义和实用价值，具体体现在以下几方面。
（1）为了实现荧光显微样本3D重建，需要认真分析现有显微光学成像系统的成像机理、成像模型、退化因素等，同时以光场、小波分析、压缩感知、反卷积等理论为研究基础，在图像理解、图像去噪、图像融合、图像复原等关键技术上取得突破，这是对上述基础理论研究从宏观到微观，从2D到3D的重要延伸与探索。
（2）3D建模与分析方法不仅适用于宽场或共焦显微光学成像系统，而且可以有效移植于任何一种显微光学成像系统，用于提高显微图像的对比度与清晰度，更好地发挥这些光学成像系统的性能。
（3）较传统2D成像技术，3D重建与分析的研究成果具有很多显著优势，更具实用性。例如，反卷积的使用可以进一步提高传统2D图像细节信息的清晰度和对比度；可以在采集图像栈以后，按照研究人员的意愿，随时进行计算机后期处理工作，操作更灵活；可以对样本进行3D建模仿真，满足科研人员随意调整视角进行观察的需要，观察更方便，理解更透彻等。同时，相应的研究成果可以广泛应用于医疗诊断、生物制药、新型材料分析、集成电路设计和科教研究等领域，具有很大的商业潜力和实用价值。
目前，荧光显微样本3D重建的研究已经成为国际上的热点课题，而国内相关研究则非常匮乏，但是该项课题的研究对医学、生命科学、生物学、细胞学、材料学等很多学科领域的显著影响和由此产生的巨大经济效益是不容忽视的。随着新型显微成像、荧光探针、光物理、计算机、激光和CCD等技术的不断涌现和突破创新，以及人们需求的不断增长，相信准确、直观、高效、鲁棒的荧光显微样本3D重建技术将对相关学科领域和人们的生产生活发挥越来越重要的作用。
1.3显微镜成像原理
1.3.1人眼的可见光范围人眼可以观测到样本的可见光范围如图1.3所示，属于白光光谱的一部分，为400～750nm[1]。
图1.3白光光谱图[1]（见彩图）
1.3.2显微镜的基本成像原理
显微镜成像原理图如图1.4所示，可见光光源被聚光镜（condenser）聚光后照射到标本（specimen）上，经物镜（objective）在中间成像面上得到一次放大的实像，再利用目镜（eyepiece）在无穷远处成二次放大的虚像，并呈现在视网膜（retina）上[2]。
图1.4显微镜成像原理图[2]（见彩图）
从显微镜的成像原理简图可以看出，显微镜属于垂直视角成像，同时需要考虑光的波动属性，如光的波长等，由于标本一般为透明或半透明状态，所以能够得到标本不同焦平面的图像，称为图像栈。
1.4国内外显微样本3D立体成像发展与现状
1.4.1波前重建显微镜方法
利用显微镜记录微观样本的信息并重建其3D模型，*早是由Gabor[3]提出的，他使用两束一致性光束进行干涉的方法来记录样本信息，主要是为了解决物镜的球面像差限制成像分辨率的问题，因为在理论上，成像分辨率要想提高10倍，其物镜的球差校正准确率需要提高10000倍[3]，这在现实中几乎是无法实现的，所以有人提出利用其他方法取代物镜的使用，进而避免校正物镜的环节来提高成像分辨率。为此Gabor提出了波前重建理论，如图1.5所示。
图1.5中显示，样本被聚焦的电子光束（也称为主光束）照射，光束以半角?从焦点处向外散射，只有当焦点的直径，又称Gaussian直径小于分辨率限制?2?sin?时，才能保证光束充分的一致性。样本放置在焦点后面或前面很小的距离处，成像平面放置在几倍于焦点与样本之间的距离处，同时样本需放置在光照范围内，传递主光波中的部分光信息。成像记录由主光波和样本散射的二次光波发生干涉产生，可以看出，至少在图示的外围，**干涉产生得比较密集，并且只有主光波发生干涉的那部分被强烈地传递，在相位上和振幅上都模拟了二次光波。通过实验证明，这种干涉图像具有显著的属性，不仅记录了标本的平面信息，同时记录了标本的3D信息。然而，这种方法由于一致性光源的限制，无法应用于现实生活中，而只能在严格的实验室环境下复现，所以波前重建的普适性受到了限制，并且立体成像的质量并不好，但是Gabor新颖的立体显微成像理论，为进一步提高光学显微镜分辨力提供了崭新的思想和途径。
图1.5Gabor的波前重建理论[3]
1.4.2全息显微镜方法在Gabor的波前重建理论启发下，El-Sum[4]使用X射线波生成全息图，并用于波阵面重建成像，但是由于当时技术条件的限制，无法生成一致的X射线双光束，使得该项技术无法应用于实际，同时，也没有X射线显微镜方法能够真正接近全息技术的理论分辨率极限（一般为埃的数量级）。激光技术的发明将光波的范围扩展到紫外线和X射线范围，这种一致的强辐射光源有望使得Gabor波阵面重建技术显微镜在这些光波范围付诸实现。后来，Leith和Upatnieks[5，6]提出了全息理论，并在信息理论的框架下进行了讨论。该理论主要分为三个主要部分：图像的散焦或空频域的离散化、全息记录、3D重建过程的聚焦或压缩。该方法具体示意图如图1.6所示。
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