一种透射式无透镜三维显微重构方法及系统技术方案

一种透射式无透镜三维显微重构方法及系统，涉及无透镜显微领域，其中，所述方法包括：获取不同采集位置所对应的图像样本并计算所述图像样本的样本振幅；对获取的所有图像样本进行图像对齐；基于图像对齐后的所有图像样本计算物平面预测光场；使用所有图像样本的样本振幅的计算结果将物平面预测光场迭代恢复至物平面实际光场。解决了如何通过无透镜系统对透明样本进行光场的三维重构的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种透射式无透镜三维显微重构方法及系统
本专利技术涉及无透镜显微领域，更具体地，涉及一种透射式无透镜三维显微重构方法及系统。
技术介绍
在显微领域，传统的光学显微镜往往必须借助高倍率的镜片来获取更清晰的图像。而传统的光学显微镜在为了获得更清晰、大视场的图像，通常需要占用较多的图像处理资源或计算资源，进一步地使得光学显微镜的硬件要求较高。现有技术更多是通过提高镜头倍率或者提高分辨率的方式来提高透镜的使用效率及重构结果，但这种图像获取方式对硬件的要求较高，同时其价格也相对高昂。在较多应用场景下，人们更倾向于选择在满足其使用需求的基础上，价格更为低廉的重构器械。无透镜显微成像(LenslessMicroscopicImaging,LMI)技术是一种不需要光学透镜，直接将微观物体的投影记录到传感器上的技术。该技术由于具有便携，价格低廉，大视场等优点，在生物医疗等方面具有广泛的应用前景，是传统显微镜的简单和廉价替代品。光场的空间分布由复函数表示，包含光强与相位信息。目前的光学成像器件如电荷耦合器件(Charge-coupledDevice,CCD)或光电倍增管(Photomultipliertube,PMT)等只能记录光场的光强信息，造成了其中相位信息的丢失。因此如何从易于测量的强度信息反算出相位信息，从而完成光场的完整重构成为光学领域的一个经典研究问题，进一步的，如何通过无透镜系统对透明样本进行光场的三维重构的是现有技术中所存在的一个问题。
技术实现思路
本专利技术旨在克服上述现有技术中存在的问题，提供了一种透射式无透镜三维显微重构方法及系统，解决了如何通过无透镜系统对透明样本进行光场的三维重构的问题。一种透射式无透镜三维显微重构方法，所述方法包括：获取不同采集位置所对应的图像样本并计算所述图像样本的样本振幅；对获取的所有图像样本进行图像对齐；基于图像对齐后的所有图像样本计算物平面预测光场；使用所有图像样本的样本振幅的计算结果将物平面预测光场迭代恢复至物平面实际光场。在无透镜显微领域，对图像样本的重构方式或者重构算法往往对于其最终重构出的结果而言是影响巨大的，本专利技术提出了一种区别于现有技术且精度更高的重构方法。在本专利技术所述方法中，所述图像样本为数字图像，通过数字图像所述方法可以清晰且直观地在不同采集位置获取到重构对象的不同图像样本的振幅及相位。进一步的，通过所述图像样本的振幅及相位，可以通过衍射方程计算并得到所述图像样本衍射到物平面位置时的相位及样本，此时根据其所衍射的结果已经可以通过均值计算重构出重构对象对应的大视场物平面光场了，但若在此时进行重构，往往会导致最终结果出现光信息的不对应或是细节轮廓丢失的问题，进而使得所述结果不具备参考价值，因此若需进一步得到更好的图像，则需要对图像样本进行进一步地处理。本专利技术所述方法基于更高的重构需求还设计了以下步骤，首先是基于图像样本衍射至物平面的光场信息进行图像对齐处理，通过图像对齐可以克服由于图像传感器的CMOS或CCD平面与样本平面不是完全平行的问题，并以此提升不同采集位置所对应的图像样本之间的关联性以及样本信息的可靠性。在执行初始化步骤之后，本专利技术所述方法使用迭代对重构对象的相位进行恢复，进而重构出重构对象的物面实际光场。基于上述步骤，所述方法可以在不借助光学透镜的情况下，重构出重构对象的可用于三维显示的物面实际光场，可以有效去除重构结果中的孪生像、改善信噪比，进而解决了如何通过无透镜系统对透明样本进行光场的三维重构的问题。优选的，所述获取不同采集位置所对应的图像样本并计算所述图像样本的样本振幅包括：设置图像采集平面在不同水平高度获取完整样本的至少两副数字图像；根据采集位置的不同将采集的数字图像对应为不同采集位置的图像样本并计算其所对应的样本振幅。优选的，所述对获取的所有图像样本进行图像对齐：根据获取的所有图像样本的样本振幅计算其对应的物平面光场；使用相位相关法对不同采集位置的图像样本所对应的物平面光场进行图像对齐；其中，所述物平面光场为在物平面位置上的光场，所述物平面位置是固定且预先确定的。优选的，所述基于图像对齐后的所有图像样本计算物平面预测光场包括：根据图像对齐的结果确认每个图像样本对应的物平面光场；将所有图像样本对应的物平面光场进行均值计算得到物平面预测光场。优选的，所述使用所有图像样本的样本振幅的计算结果将物平面预测光场迭代恢复至物平面实际光场包括：根据物平面预测光场推算在不同采集位置对应的样本采集平面并将其记录为新的测算面；使用不同采集位置对应的图像样本的样本振幅替代所述新的测算面的样本振幅并将其按采集位置的不同记录为其所对应的新的记录面；通过衍射方程将所有新的记录面的光场信息衍射至物平面位置并对衍射结果进行均值计算；将均值计算结果记录为新的物平面预测光场；重复上述迭代过程，直到满足迭代停止条件；当停止迭代后，将物平面预测光场输出为物平面实际光场。优选的，所述使用不同采集位置对应的图像样本的样本振幅替代所述新的测算面的样本振幅并将其按采集位置的不同记录为其所对应的新的记录面的具体计算方式为：其中，为新的测算面的衍射结果，l表示第l个样本，i表示虚数，表示当前物平面预测光场的包裹相位，k表示当前迭代的次数。优选的，其中，所述迭代停止条件为：计算新的测算面的振幅相对于图像样本的振幅的均方误差，当所述均方误差的值小于预设阈值时，停止迭代。一种透射式无透镜三维显微重构系统，所述系统包括：图像传感器、对齐模块、初始化模块及重构模块；所述图像传感器用于在不同的采集位置上获取到完整样本的数字图像作为图像样本并计算其所对应的振幅；所述对齐模块用于执行图像对齐以校准图像样本；所述初始化模块通过校准后的图像样本计算物平面预测光场；所述重构模块使用图像样本的样本振幅通过迭代恢复的方式将物平面预测光场重构为物平面实际光场。优选的，其中，所述对齐模块、初始化模块及重构模块都被布置在GPU上运行。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：在不使用高倍率的光学透镜的情况下，实现了对样本的高精度显微重构；通过对数字图像的分析及处理，对多个图像样本的相位及振幅信息进行了有效地整合及使用；而且提出了一种用于终止重构迭代的停止算法；同时，设置了一种迭代终止条件使得本专利技术所述方法在重构效果上优于现有技术。附图说明图1为本专利技术所述的一种透射式无透镜三维显微重构方法的流程图。图2为本专利技术所述的一种透射式无透镜三维显微重构系统的框架图。图3为本专利技术所述的一种透射式无透镜三维显微重构系统的结构实体图。图4为本专利技术所述的一种透射式无透镜三维显微重构方法及系统的效果图。图5为本专利技术所述的一种透射式无透镜三维显微重构方法及系统的又一效果图。图6为本专利技术所述的一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种透射式无透镜三维显微重构方法，其特征在于，所述方法包括：/n获取不同采集位置所对应的图像样本并计算所述图像样本的样本振幅；/n对获取的所有图像样本进行图像对齐；/n基于图像对齐后的所有图像样本计算物平面预测光场；/n使用所有图像样本的样本振幅的计算结果将物平面预测光场迭代恢复至物平面实际光场。/n

【技术特征摘要】
1.一种透射式无透镜三维显微重构方法，其特征在于，所述方法包括：
获取不同采集位置所对应的图像样本并计算所述图像样本的样本振幅；
对获取的所有图像样本进行图像对齐；
基于图像对齐后的所有图像样本计算物平面预测光场；
使用所有图像样本的样本振幅的计算结果将物平面预测光场迭代恢复至物平面实际光场。


2.如权利要求1所述的一种透射式无透镜三维显微重构方法，其特征在于，所述获取不同采集位置所对应的图像样本并计算所述图像样本的样本振幅包括：
设置图像采集平面在不同水平高度获取完整样本的至少两副数字图像；
根据采集位置的不同将采集的数字图像对应为不同采集位置的图像样本并计算其所对应的样本振幅。


3.如权利要求2所述的一种透射式无透镜三维显微重构方法，其特征在于，所述对获取的所有图像样本进行图像对齐：
根据获取的所有图像样本的样本振幅计算其对应的物平面光场；
使用相位相关法对不同采集位置的图像样本所对应的物平面光场进行图像对齐；
其中，所述物平面光场为在物平面位置上的光场，所述物平面位置是固定且预先确定的。


4.如权利要求3所述的一种透射式无透镜三维显微重构方法，其特征在于，所述基于图像对齐后的所有图像样本计算物平面预测光场包括：
根据图像对齐的结果确认每个图像样本对应的物平面光场；
将所有图像样本对应的物平面光场进行均值计算得到物平面预测光场。


5.如权利要求4所述的一种透射式无透镜三维显微重构方法，其特征在于，所述使用所有图像样本的样本振幅的计算结果将物平面预测光场迭代恢复至物平面实际光场包括：
根据物平面预测光场推算在不同采集位置对应的样本采集平面并将其记录为新的测算面；
使用不...

【专利技术属性】
技术研发人员：余健辉，张军，何烨林，陈哲，吴朋军，谢梦圆，唐洁媛，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44