基于压缩支撑估计的3D多平面相位恢复算法、介质及设备制造技术

本发明专利技术的一种基于压缩支撑估计的3D多平面相位恢复算法、介质及设备，包括以下步骤，首先利用压缩支撑估计算法(CSD)从单幅衍射强度自适应估计各平面的区域支撑，无需预定义先验知识；然后，CSD

【技术实现步骤摘要】
基于压缩支撑估计的3D多平面相位恢复算法、介质及设备


[0001]本专利技术涉及3D多平面相位恢复
，具体涉及一种基于压缩支撑估计的3D多平面相位恢复算法。

技术介绍

[0002]随着光学成像应用领域的高速发展，越来越多的3D信息设备进入大众的视野。对于3D物体，其相位携带着物体的形状、内部的结构、传播的深度等重要信息，因此3D相位的重建已经成为许多领域的关键研究环节。目前，3D相位恢复技术已经广泛应用于各种光学成像领域，对各行各业的应用技术水平提升产生了重要影响，其中X射线晶体结构分析用来对分子生成3D定量密度图，对日常的医学图像领域具有重大的贡献。提高成像的分辨率一直是3D相位恢复的驱动力，多次多角度的测量造成高昂的实验成本并对样本带来辐射损害，此外，用于规范3D相位恢复的支撑需求仍然是一个具有挑战性的问题。
[0003]从测量强度中恢复相位最广泛的迭代方法是GS（Gerchberg
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Saxton）和混合输入输出((hybrid input
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output ，HIO)算法。傅里叶域的模量约束和目标区域(field)的支撑约束是迭代算法收敛的必要条件，其中支撑掩膜是指目标外部为零的最小封闭区域。当相位未知时，通过满足对目标区域的支撑约束，可以确保恢复的一致性与唯一性。预知的先验知识不仅有助于规范重建过程，而且补偿了其他方面信息的损失。然而先验知识假设的准确性对重建的结果有很大的影响，一般情况下，更严格(更详细)的支撑约束导致算法收敛速度更快。
[0004]光学成像领域中，3D相位恢复技术的科学和工业应用场景十分广泛。传统上，最广泛用于确定3D结构的方案是通过在不同样品方向获取多个测量，如断层扫描和显微镜扫描样本。传统的3D相位恢复的断层扫描算法通常需要在每个角度上计算2D相位，然后将数据输入断层扫描算法，因此需要对不同角度进行多次测量。2015年，Tian等人针对3D断层扫描算法提出了改进，每个角度只需捕获单幅强度即可实现3D样本的重建。然而，多角度的扫描对实验设备同样提出了严格的要求，此外，对于具有敏感特性的样本，每次测量都会造成辐射损伤，从而在原子尺度上改变样本结构。一直以来，由于样品内可能发生多次散射，高分辨率重建厚物体是非常具有挑战性的。近年来，无透镜成像在相位恢复领域取得了一定的进步，为了利用相干衍射显微镜恢复3D物体，需要在不同的样品方向有多个衍射图案，精确的机械倾斜和昂贵的实验成本成为主要限制因素。通常，传统技术需要进行多次、多角度的测量。然而由于实验装置的限制和样品的辐射损伤敏感性，样品的多次扫描或旋转较难实现。因此，从单次测量强度中恢复对象信息是一个重要的研究方向，可以实现高速的高分辨率采集，对实时成像具有重要的参考价值。
[0005]2021年，Latychevskaia提出了一种多切片迭代相位恢复(Multislice Iterative Phase Retrieval，MIPR)方法，该算法提出当对象用相干波进行探测时，其单幅的2D强度测量包含了3D样本分布的所有信息。MIPR方法在反向和正向传播过程中使用透射函数和入射波阵面的交替重建，可以从远场中的单次 2D 强度测量中恢复 3D 对象分布。该算法的提
出突破3D物体需要多次测量的局限性，从远场测量中实现单次重建。然而，远场强度通常是相位恢复问题唯一的测量值，虽然该技术是有效的，但它受到了对区域支撑的先验知识的限制，降低了重建的灵活性，具有较大的局限性。同时由于GS算法对噪声敏感，MIPR表现出较差的鲁棒性。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出的一种基于压缩支撑估计的3D多平面相位恢复算法，可至少解决上述技术问题之一。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于压缩支撑估计的3D多平面相位恢复算法，包括：包括以下步骤，首先利用压缩支撑估计算法（CSD）从单幅衍射强度自适应估计各平面的区域支撑，无需预定义先验知识；然后，CSD
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MIPR
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HIO算法引入HIO循环作为限制条件，通过调整第P个平面的约束条件来改善相位恢复的性能；在迭代过程中，各平面透射函数分别受到傅里叶域的模量约束和目标区域的支撑约束，最终快速收敛到对象的真实分布。
[0008]进一步的，包括以下步骤，S1: 掩膜估计：将单幅2D衍射强度作为CSD模块输入，根据衍射信息自适应估计各平面的支撑掩膜；S2: 初始重建：对输入的单幅2D衍射强度执行中心逆傅里叶变换操作，得到第P个平面的透射函数，运用角谱法ASM模拟平面之间传播过程；由得到的反向传播，并应用支撑约束条件对各平面重建后的2D分布进行滤波，传播结束得到一组初始透射函数、、、
…
、；S3: 前向传播：初始透射函数、、、
…
、正向传播，其中第一个平面的透射波前初始化为，并运用ASM模拟传播获得第二个平面的；同理向前传播得到，对运用中心傅里叶得到衍射强度，并通过模量约束更新为；S4: 反向传播：将更新的衍射信息反向传播，对获得的进行HIO算法约束为，并向后传播更新每一个平面的透射函数，其中、、、
…
、即为本轮迭代的重建结果。
[0009]S5：循环迭代：不断重复S3与S4，直至算法收敛，各平面最终的重建结果即为、、、
…
、。
[0010]再一方面，本专利技术还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
[0011]又一方面，本专利技术还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
[0012]由上述技术方案可知，传统3D多平面相位恢复算法面临预定义支撑以及迭代易停
滞的双重限制，为了降低对已知先验的需求，本专利技术提出了基于压缩支撑估计的3D多平面相位恢复算法(CSD
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MIPR
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HIO)，该算法利用压缩感知自适应估计各平面支撑，无需预知区域先验知识，仅从单幅2D衍射强度中恢复3D物体。同时，CSD
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MIPR
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HIO采用混合输入输出(HIO)迭代算法，改进了传统多平面算法中GS循环容易陷入停滞的缺点，从而提高了算法的收敛性。本专利技术提出的方法打破了传统3D多平面相位恢复对先验条件的局限性，并在噪声环境中表现出较高的鲁棒性，数值和光学实验结果均表明CSD
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MIPR
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HIO方法的可行性、优越性和面向噪声的鲁棒性。
附图说明
[0013]图1是3D多平面物体相干衍射成像光路图；图2是MIPR算法原理图；图3是压缩支撑估计原理图；图4是本专利技术实施例的CSD
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MIPR
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HIO方法流程图；图5是MIPR方法与本专利技术实施例的CSD
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MIPR
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩支撑估计的3D多平面相位恢复算法，其特征在于，包括以下步骤，首先利用压缩支撑估计算法CSD从单幅衍射强度自适应估计各平面的区域支撑，无需预定义先验知识；然后，CSD
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MIPR
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HIO算法引入HIO循环作为限制条件，通过调整第P个平面的约束条件来改善相位恢复的性能；在迭代过程中，各平面透射函数分别受到傅里叶域的模量约束和目标区域的支撑约束，最终快速收敛到对象的真实分布。2.根据权利要求1所述的基于压缩支撑估计的3D多平面相位恢复算法，其特征在于：包括以下步骤，S1：掩膜估计：将单幅2D衍射强度作为CSD模块输入，根据衍射信息自适应估计各平面的支撑掩膜；S2：初始重建：对输入的单幅2D衍射强度执行中心逆傅里叶变换操作，得到第P个平面的透射函数t
P
，运用角谱法ASM模拟平面之间传播过程；由得到的t
P
反向传播，并应用支撑约束条件对各平面重建后的2D分布进行滤波，传播结束得到一组初始透射函数t1、t2、t3、
…
、t
P
；S3：前向传播：初始透射函数t1、t2、t3、
…
、t

【专利技术属性】
技术研发人员：张成，张莉茹，张如，陈明生，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：