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三维点扩散函数空间大小与选取方法研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 国内外发展现状

1.3 论文研究主要目的和内容

1.4 论文安排

1.5 本章小结

第二章 三维图像复原的基本理论

2.1 三维显微图像退化模型

2.1.1 显微图像退化模型

2.1.2 样本光学序列切片采集技术

2.1.3 厚样本成像技术

2.2 显微成像系统点扩散函数及其常用模型

2.2.1 显微成像系统点扩散函数

2.2.2 双锥体结构三维点扩散函数模型

2.2.3 高斯点扩散函数模型

2.3 三维图像经典复原算法

2.3.1 线性复原法

2.3.2 统计复原法

2.3.3 最近邻域法

2.3.4 盲去卷积法

2.4 图像复原效果的评价方法

2.4.1 均方差(MSE)

2.4.2 改善信噪比(ISNR)

2.5 本章小结

第三章 一种基于区间估计的3D-PSF空间大小选取方法

3.1 三维点扩散函数的结构

3.2 基于区间估计的选取方法

3.3 仿真实验

3.4 实验结果分析

3.5 3D-PSF的选取

3.5.1 建立选取模型

3.5.2 选取结果

3.6 本章小结

第四章 SIFT算法与三维点扩散函数空间大小的选取

4.1 SIFT算法

4.1.1 SIFT特征检测

4.1.2 SIFT特征匹配

4.2 SIFT特征匹配与图像复原关系分析

4.3 仿真实验和结果分析

4.3.1 仿真实验

4.3.2 结果与分析

4.4 选取方法的分析与比较

4.4.1 本文两种选取方法分析比较

4.4.2 本文方法与现有方法比较

4.5 本章小结

5.1 研究工作总结

5.2 后续工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表论文情况

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摘要

数字共焦显微(Digital Confocal Microscopy,DCM)技术在传统荧光显微镜基础上,利用数学的算法来去除生物细胞和组织切片显微图像中离焦模糊,从而获得高质量、高分辨率的样本切片显微图像。三维图像复原算法作为DCM技术的核心环节之一,图像复原过程所消耗的时间和复原效果与显微镜光学系统中的三维点扩散函数(Three Dimensional Point Spread Function,3D-PSF)密切相关。如何选取适当空间大小的3D-PSF,直接影响到图像的复原效果,在得到准确的估计情况下,3D-PSF空间大小和密度直接决定了复原效果与复原时间。3D-PSF空间大小和密度选取越大,则复原效果越好,但复原所需时间却越长。因此,在不同的复原要求下如何选取适当大小的3D-PSF,有一定的现实意义。
  本文在已有的理论基础上,研究了在不同的复原要求下,选取合适的径向大小和层数的3D-PSF,主要研究工作如下:
  1.在三种放大倍数下,保持3D-PSF的层距相同,用不同径向大小和层数的3D-PSF对模糊图像进行复原,并以改善信噪比作为复原效果指标,从统计学角度得到归一化后改善信噪比的正态分布图,然后引入区间估计方法,通过构建不同复原要求下的数学模型,提出图像复原质量概念,研究了基于区间估计的三维点扩散函数空间大小选取方法。通过实验验证,该方法具有良好的可行性,为DCM系统的3D-PSF选取提供了另一种方法。
  2.研究了基于尺度不变特征变换(Scale-invariant feature transform,SIFT)算法的3D-PSF选取方法。对于不同放大倍数下得到的复原图像,通过SIFT算法查找每一幅复原后图像、清晰图像与模糊图像的特征点,并将复原后图像与原图做特征点匹配,获取了匹配的特征点数目、匹配点数目增量与对应的3D-PSF层距、直径的关系曲线图,根据匹配点数目增量曲线图,结合3D-PSF结构特性,提出了基于SIFT算法的三维点扩散函数选取方法。
  本文的研究结果为实际应用中,在不同复原要求下对3D-PSF的选取提供了理论依据。

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