扫描成像模式下的动态图像重建方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种扫描成像模式下的动态图像重建方法及装置，其中，方法包括以下步骤：通过扫描方程、运动或变形方程与小变形条件下图像强度不变假设建立动态物体的扫描成像模型；获取扫描方程和运动或变形方程的参数信息；根据参数信息和动态物体的扫描成像模型得到动态物体的扫描成像公式，并通过代数‑插值法对畸变图像进行重建，以得到最终重建图像。该方法基于扫描方程、运动或变形方程以及小变形下图像强度不变假设，建立了动态物体的扫描成像理论，通过对动态物体扫描成像理论的逆求解，从而可在扫描成像模式下实现运动或变形物体的清晰成像及其运动或变形测量。

Dynamic Image Reconstruction Method and Device in Scanning Imaging Mode

The invention discloses a method and device for dynamic image reconstruction in scanning imaging mode, which comprises the following steps: establishing a scanning imaging model of dynamic object through scanning equation, motion or deformation equation and assuming that the image intensity is invariant under small deformation condition; obtaining parameters of scanning equation and motion or deformation equation. The scanning imaging formulas of dynamic objects are obtained according to the parameters information and the scanning imaging model of dynamic objects, and the distorted images are reconstructed by algebraic interpolation to obtain the final reconstructed images. Based on the scanning equation, the motion or deformation equation and the assumption that the image intensity remains unchanged under small deformation, the scanning imaging theory of dynamic objects is established. By solving the inverse problem of the scanning imaging theory of dynamic objects, the clear imaging and motion or deformation measurement of moving or deformed objects can be realized under the scanning imaging mode.

【技术实现步骤摘要】
扫描成像模式下的动态图像重建方法及装置
本专利技术涉及扫描显微成像和图像处理
，特别涉及一种扫描成像模式下的动态图像重建方法及装置。
技术介绍
目前，运动和变形造成的模糊或畸变图像的恢复和重建都集中在光学图像上，且已发展了丰富的恢复和重建方法。例如，在一般的光学图像恢复方法中包括逆滤波、维纳滤波、平滑约束最小二乘滤波和最大熵恢复等。所有这些方法都是基于成像系统的线性空间不变性前提，因而在图像空间为均匀模糊。但是，当成像系统是扫描成像系统时，由于每次成像只能成像一个点，导致图像模糊在空间上是序列化且不均匀的，即空间上每一点的模糊方程是不同的。对于这类空间上非均匀的模糊，目前的研究仅只是关注于相机抖动和散焦，常采用空间变化的点扩散函数和投影运动路径模糊模型来恢复图像。对于目前广泛应用的扫描成像模式中由于物体运动和变形所产生的扫描图像的模糊的研究很少，仅有的几个例子如，模糊SEM(scanningelectronmicroscope，扫描电子显微镜)图像的模糊边缘获得了MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，)器件的振动幅度信息，但是其所建立的模型不能给出图像的模糊机理和过程，更无法恢复和重建MEMS器件清晰的全场SEM扫描图像。旋转泵和涡轮泵振动对SEM图像的影响，并使用带通滤波器恢复模糊图像，而没有考虑扫描成像模式实际上在空间上是不均匀的。使用数字图像相关校正SEM的漂移和空间失真，但无法对运动和动态变形的模糊图像进行处理。通过频闪扫描电子显微镜避免了图像模糊，测试了MEMS机械性能，但是依然不能实现运动和连续变形物体的连续清晰成像。
技术实现思路
本申请是基于专利技术人对以下问题的认识和发现作出的：光学成像是并行成像，它可以瞬间将物体的像成在像平面。通过适当的记录介质，人们能够记录从静态到每秒几百万帧数字图像。对于光学成像，即使是瞬态或超高速事件也可有合适的光学系统予以成像和记录。然而，正如众所周知的事实，对于光学成像其空间分辨率受限于光学系统衍射的极限，对于可见光来说这一数值在0.2微米左右。显然对于特征尺度为微米至纳米尺度的材料、结构或器件的成像和测量来说，这样的空间分辨显然是不能接受的。随着扫描电子显微镜(SEM)、TEM(Transmissionelectronmicroscope，透射电子显微镜)和AFM(AtomicForceMicroscope，原子力扫描显微镜)等扫描显微类技术的发展，其所具有的高空间分辨成像能力使得人们可以分辨到亚原子尺度。尤其是对于静态扫描显微成像，人们能从微米尺度一直到亚原子尺度对材料进行高分辨、精细表征。但是，几十年来围绕扫描显微成像一个重要的议题，就是如何实现运动和变形物体的扫描成像。尽管人们可以通过高速帧扫描，实现动态物体成像，但是由于扫描成像的序列扫描特性，每一个像素点的图像不处于同一时刻，即所谓的非并行成像。这对于利用扫描成像模式对运动和变形的物体成像或测量动态物体表面的运动和变形来说，必然造成图像运动模糊或者畸变，并导致各点位移在时间尺度发生滞后效应，进而导致位移表征混乱。显然在扫描模式下，1)、扫描成像只能获得运动或变形物体的模糊或者畸变图像；2)、直接使用这些模糊或者畸变的扫描图像测量物体表面的运动和变形参数如位移时，将导致时间尺度上位移的延迟和扭曲，进而对物体表面的位移和变形给出不准确的甚至失败的表征。因此，在扫描成像模式下研究运动和变形物体的扫描成像机理及动态模糊图像恢复是非常重要的课题。现有的方法均未考虑到扫描成像下的动态图像恢复问题，即未能从扫描成像的基本机理出发对动态物体在扫描模式下的图像模糊和畸变进行分析，并建立真正的物理模型进而提出动态物体在扫描模式下图像模糊或者畸变的恢复方法。显然，如果可以建立物理机理明晰的扫描成像模型，描述扫描模式下的动态物体成像过程，就能够通过这个模型的逆求解过程实现动态图像的恢复。而这一研究可将目前广泛使用的SEM、AFM、TEM等扫描成像仪器的应用扩展到动态成像和运动变形量的定量测量中，具有重要的理论和工程应用价值。综上所述，现有的图像恢复方法主要针对于光学成像系统，在扫描成像模式下缺乏相应的动态图像的成像机制和恢复模型和方法。需要研究和开发出一种确实可行的针对扫描成像模式的成像模型和动态模糊图像的恢复方法。本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种扫描成像模式下的动态图像重建方法，该方法可在扫描成像模式下实现运动或变形物体的清晰成像及其运动或变形测量。本专利技术的另一个目的在于提出一种扫描成像模式下的动态图像重建装置。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种扫描成像模式下的动态图像重建方法，包括以下步骤：通过扫描方程、运动或变形方程与小变形条件下图像强度不变假设建立动态物体的扫描成像模型；获取所述扫描方程和所述运动或变形方程的参数信息；根据所述参数信息和所述动态物体的扫描成像模型得到动态物体的扫描成像公式，并通过代数-插值法对畸变图像进行重建，以得到最终重建图像。本专利技术实施例的扫描成像模式下的动态图像重建方法，基于扫描方程、运动或变形方程以及小变形下图像强度不变假设，建立了动态物体的扫描成像理论，通过对动态物体扫描成像理论的逆求解，从而可在扫描成像模式下实现运动或变形物体的清晰成像及其运动或变形测量。另外，根据本专利技术上述实施例的扫描成像模式下的动态图像重建方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述通过扫描方程、运动或变形方程与小变形条件下图像强度不变假设建立动态物体的扫描成像模型，进一步包括：对于扫描成像系统使得扫描模式为光栅扫描模式，并且时间和扫描的位置之间关系为：其中，tD为扫描驻留时间，tS为驻留完移动到下一个像素需要的时间，tJ为扫描完一行后从前一行末尾移动到下一行初始的时间，tR为扫描完一整行所需要的时间，且扫描得到图像为P·Q的尺寸，P为列数，Q为行数，则所述图像的像素坐标x、y满足1≤x≤P、1≤y≤Q；对于物体上的点(X,Y)在t时刻移动到了(x,y)位置，通过运动或变形方程表示如下：x＝x(X,Y,t)y＝y(X,Y,t)，其中，(X,Y)是拉格朗日坐标，(x,y)是欧拉坐标，且所述拉格朗日坐标与所述欧拉坐标一一对应，以将运动或者变形方程改写为：X＝X(x,y,t)Y＝Y(x,y,t)，在小变形条件下图像强度不变，且在物体发生微小的变形时，物体表面的成像特征不发生改变，表面成像特征随着物质点的运动而运动，其中，由所述小变形条件下图像强度不变假设引出方程如下：g(x,y)＝f(X,Y)，其中，g(x,y)为动态物体扫描生成的畸变图像函数，f(X,Y)为静止物体的图像函数；将所述扫描方程和所述运动或变形方程代入所述小变形条件下图像强度不变假设，以得到动态物体的扫描成像公式如下：g(x,y)＝f(X(x,y,t),Y(x,y,t))＝f(X(x,y,(x-1)(tS+tD)+(y-1)tR),Y(x,y,(x-1)(tS+tD)+(y-1)tR))。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述通过代数-插值法对畸变图像进行重建，进一步包括：通过代数法求解法得到所述重建图像f1；然后通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扫描成像模式下的动态图像重建方法，其特征在于，包括以下步骤：通过扫描方程、运动或变形方程与小变形条件下图像强度不变假设建立动态物体的扫描成像模型；获取所述扫描方程和所述运动或变形方程的参数信息；以及根据所述参数信息和所述动态物体的扫描成像模型得到动态物体的扫描成像公式，并通过代数‑插值法对畸变图像进行重建，以得到最终重建图像。

【技术特征摘要】
1.一种扫描成像模式下的动态图像重建方法，其特征在于，包括以下步骤：通过扫描方程、运动或变形方程与小变形条件下图像强度不变假设建立动态物体的扫描成像模型；获取所述扫描方程和所述运动或变形方程的参数信息；以及根据所述参数信息和所述动态物体的扫描成像模型得到动态物体的扫描成像公式，并通过代数-插值法对畸变图像进行重建，以得到最终重建图像。2.根据权利要求1所述的扫描成像模式下的动态图像重建方法，其特征在于，所述通过扫描方程、运动或变形方程与小变形条件下图像强度不变假设建立动态物体的扫描成像模型，进一步包括：对于扫描成像系统使得扫描模式为光栅扫描模式，并且时间和扫描的位置之间关系为：tR＝P(tD+tS)+tJ，其中，tD为扫描驻留时间，tS为驻留完移动到下一个像素需要的时间，tJ为扫描完一行后从前一行末尾移动到下一行初始的时间，tR为扫描完一整行所需要的时间，且扫描得到图像为P·Q的尺寸，P为列数，Q为行数，则所述图像的像素坐标x、y满足1≤x≤P、1≤y≤Q；对于物体上的点(X,Y)在t时刻移动到了(x,y)位置，通过运动或变形方程表示如下：x＝x(X,Y,t)y＝y(X,Y,t)，其中，(X,Y)是拉格朗日坐标，(x,y)是欧拉坐标，且所述拉格朗日坐标与所述欧拉坐标一一对应，以将运动或者变形方程改写为：X＝X(x,y,t)Y＝Y(x,y,t)，在小变形条件下图像强度不变，且在物体发生微小的变形时，物体表面的成像特征不发生改变，表面成像特征随着物质点的运动而运动，其中，由所述小变形条件下图像强度不变假设引出方程如下：g(x,y)＝f(X,Y)，其中，g(x,y)为动态物体扫描生成的畸变图像函数，f(X,Y)为静止物体的图像函数；将所述扫描方程和所述运动或变形方程代入所述小变形条件下图像强度不变假设，以得到动态物体的扫描成像公式如下：g(x,y)＝f(X(x,y,t),Y(x,y,t))＝f(X(x,y,(x-1)(tS+tD)+(y-1)tR),Y(x,y,(x-1)(tS+tD)+(y-1)tR))。3.根据权利要求2所述的扫描成像模式下的动态图像重建方法，其特征在于，所述通过代数-插值法对畸变图像进行重建，进一步包括：通过代数法求解法得到所述重建图像f1；然后通过插值法得到所述复原图像f2；以及将所述重建图像f1中无法求解的点或者求解奇异的点用所述复原图像f2中的数值填补，以得到所述最终重建图像f。4.根据权利要求3所述的扫描成像模式下的动态图像重建方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：李喜德，谢鸿福，王振，梁杰存，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11