本發(fā)明屬于顯微成像技術的去噪領域，特別是一種針對傅立葉疊層顯微成像技術的自適應去噪方法。

背景技術：

在顯微成像領域，更高的分辨率一直是追求的目標，但是在提高分辨率的同時存在一個關鍵性問題，那就是并沒有隨分辨率一起提高的顯微鏡的空間帶寬積，換言之即傳統(tǒng)顯微鏡存在分辨率與視場大小難以同時兼顧的矛盾。因為，傳統(tǒng)顯微鏡使用低倍物鏡進行成像時視場大但是分辨率低，而使用高倍物鏡進行成像時分辨率提高了但是相應的視場就會縮得很小。目前，為了突破分辨率與視場大小難以同時兼顧的矛盾，常見的方法是采用常規(guī)顯微鏡系統(tǒng)配合高精度機械掃描和后期空域圖像拼接方法將多個小視場高分辨率圖像拼接融合生成一幅大視場高分辨率圖像([1]2013205777012，適用于結核桿菌抗酸染色圖像拼接的裝置)。但是由于引入了機械移動裝置，所以系統(tǒng)成像時的穩(wěn)定性和成像速度又成為一對難以調(diào)和的矛盾，提高掃描速度必將影響成像穩(wěn)定性。所以，想要突破分辨率與視場大小難以同時兼顧的矛盾又不引入了機械移動裝置，必須采用近年來提出的計算成像的方法，比如傅立葉疊層顯微成像技術。

傅里葉疊層成像技術是近年來發(fā)展出的一種大視場高分辨率定量相位計算顯微成像技術([2]謝宗良,馬浩統(tǒng),任戈,等.小孔掃描傅里葉疊層成像的關鍵參量研究[J].光學學報,2015,35(10):94-102)，該方法整合了相位恢復和合成孔徑的概念。與其他相位恢復方法相似，傅里葉疊層成像技術的處理過程也是根據(jù)空域中記錄的光強信息和頻域中某種固定的映射關系來進行交替迭代的，特別的是該技術借用了合成孔徑疊層成像的思想。在一個傳統(tǒng)的傅里葉疊層成像的系統(tǒng)中，樣品被不同角度的平面波照明并通過一個低數(shù)值孔徑的物鏡進行成像。由于二維的薄物體被來自不同角度的平面波照明，所以在物鏡后焦面上物體的頻譜被平移到對應的不同位置。因此，一些本來超出物鏡數(shù)值孔徑的頻率成分被平移到物鏡數(shù)值孔徑以內(nèi)從而能夠傳遞到成像面進行成像。反過來看，不同角度的入射光可等效為在頻譜上不同位置的交疊的光瞳函數(shù)(子孔徑)，每次通過不同位置子孔徑的頻譜在頻域上形成疊層。之后再利用相機拍攝到的一系列低分辨率圖像在頻域里迭代，依次更新對應的子孔徑里的頻譜信息，子孔徑與子孔徑交疊著擴展了頻域帶寬并恢復出超過物鏡空間分辨率限制的高頻信息(合成孔徑)，最終同時重構出物體的大視場高分辨率光強和相位圖像(相位恢復)。這樣就實現(xiàn)了使用一個低數(shù)值孔徑、低放大率的物鏡同時獲得大視場和高分辨率成像，最終重構的分辨率取決于頻域中合成數(shù)值孔徑的大小。

傅里葉疊層顯微成像技術是一種新型的大視場高分辨顯微成像技術，但目前其重構質量往往會受到拍攝的低分辨率圖像中噪聲的影響，尤其是那些信號極小、極易受到噪聲影響的暗場圖像會嚴重影響重構圖像的高頻信息，因此如何有效的去除拍攝圖像中的噪聲，使其不影響最終的重構質量就成為了傅里葉疊層顯微成像技術必須克服的一個技術難題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種針對傅立葉疊層顯微成像技術的自適應去噪方法，以提高傅里葉疊層顯微成像重構的圖像質量。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種針對傅立葉疊層顯微成像技術的自適應去噪方法，步驟如下：

步驟一，在光源全部關閉的情況下拍攝一幅圖像作為背景光圖像I^b，然后依次點亮每個LED單元并拍攝到一組照明光圖像

步驟二，將所有照明光圖像減去背景光圖像I^b，得到一組無背景光圖像

步驟三，對無背景光圖像中的所有暗場圖像按照閾值T_k進行去噪，并從零開始逐步提高閾值T_k，直到暗場圖像中非零像素個數(shù)小于圖像總像素個數(shù)的一半，最后得到一組暗場無噪聲圖像

步驟四：在傅立葉疊層顯微成像迭代過程中，計算由初始解產(chǎn)生的圖像與暗場無噪聲圖像兩幅圖像的均值之比G；如果0.5<G<2，則使用圖像進行更新，否則不更新圖像所對應的頻譜。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點：(1)多拍攝了一幅背景光圖像，然后將所有照明光圖像減去背景光圖像，這樣能夠有效避免環(huán)境光對重構質量的影響，降低了傅立葉疊層成像系統(tǒng)中光源亮度的要求和使用環(huán)境的要求。(2)根據(jù)物體分片光滑的假設，采用自適應提高閾值的方法進行閾值去噪，在有效去除暗場圖像噪聲的同時，保留了絕大部分有用信號，保證了重構質量。

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明針對傅立葉疊層顯微成像技術的自適應去噪方法的流程圖。

圖2為獲得暗場無噪聲圖像的處理流程圖。

圖3為以USAF分辨率板作為待測樣品的傅立葉疊層顯微成像結果，圖3(a)表示的是拍攝到的一幅暗場圖像，圖3(b)表示的是圖3(a)經(jīng)過去噪后的暗場無噪聲圖像。圖3(c)、2(d)分別表示的是利用原始拍攝到的圖像以及經(jīng)過本方法去噪后的圖像進行傅立葉疊層顯微成像迭代重構的重構結果。

具體實施方式

本發(fā)明首先拍攝背景光圖像和一組照明光圖像，然后將所有照明光圖像減去背景光圖像，得到一組無背景光圖像。再對無背景光圖像中的所有暗場圖像按照閾值進行去噪，直到暗場圖像中非零像素個數(shù)小于圖像總像素個數(shù)的一半，得到一組暗場無噪聲圖像，最后計算初始解產(chǎn)生的圖像與暗場無噪聲圖像兩幅圖像的均值之比，并以此判斷是否進行更新。

如圖1所示，本發(fā)明針對傅立葉疊層顯微成像技術的自適應去噪方法的實現(xiàn)步驟如下：

步驟一，在光源全部關閉的情況下拍攝一幅圖像作為背景光圖像I^b，然后依次點亮每個LED單元并拍攝到一組照明光圖像

步驟二，將所有照明光圖像減去背景光圖像I^b，得到一組無背景光圖像獲得一組無背景光圖像

$I_k^{cb}=I_k^c-I^b$

其中，為第k幅處理后得到的無背景光圖像，為第k幅處理前的照明光圖像，I^b為背景光圖像。

步驟三，對無背景光圖像中的所有暗場圖像按照閾值T_k進行去噪，并從零開始逐步提高閾值T_k，直到暗場圖像中非零像素個數(shù)小于圖像總像素個數(shù)的一半，最后得到一組暗場無噪聲圖像獲得一組暗場無噪聲圖像的處理流程圖如圖2所示，具體流程為：

①找出一幅無背景光圖像中的暗場圖像

②對閾值進行初始化，T_k＝0，T_k為第k幅圖像的自適應閾值。

③統(tǒng)計圖像中灰度小于閾值T_k的像素個數(shù)

④判斷N是否大于圖像總像素個數(shù)M的一半。如果N<M，則T_k＝T_k+1并回到子步驟③。如果N>M，則進行子步驟⑤。

⑤對暗場圖像進行了閾值去噪處理，所有小于閾值T_k的像素都置零，即

⑥對下一幅暗場圖像進行了處理，即k＝k+1，直到所有暗場圖像均已去噪。

步驟四：在傅立葉疊層顯微成像迭代過程中，計算由初始解產(chǎn)生的圖像與暗場無噪聲圖像兩幅圖像的均值之比G。如果0.5<G<2，則使用圖像進行更新，否則不更新圖像所對應的頻譜。判斷是否更新所對應的頻譜的公式為：

$G=\frac{mean2\left(I_k^{cbd}\right)}{mean2\left(I_k^g\right)}$

其中，G為判斷是否更新所對應的頻譜的標志參數(shù)，如果0.5<G<2，則使用圖像進行更新，否則不更新圖像所對應的頻譜。mean2(...)表示求圖像的均值，為第k幅暗場無噪聲圖像，為第k幅初始解產(chǎn)生的圖像。

通過上述步驟可以看出，本發(fā)明多拍攝了一幅背景光圖像，然后將所有照明光圖像減去背景光圖像，這樣能夠有效避免環(huán)境光對重構質量的影響，降低了傅立葉疊層成像系統(tǒng)中光源亮度的要求和使用環(huán)境的要求。此外，本方法根據(jù)物體分片光滑的假設，采用自適應提高閾值的方法進行閾值去噪，在有效去除暗場圖像噪聲的同時，保留了絕大部分樣品的有效信號，保證了重構質量。

為了測試一種針對傅立葉疊層顯微成像技術的自適應去噪方法的去噪效果，我們以USAF分辨率板作為待測樣品進行了傅立葉疊層顯微成像，圖3(a)表示的是拍攝到的一幅暗場圖像，圖3(b)表示的是圖3(a)經(jīng)過去噪后的暗場無噪聲圖像。圖3(c)、2(d)分別表示的是利用原始拍攝到的圖像以及經(jīng)過本方法去噪后的圖像進行傅立葉疊層顯微成像迭代重構的重構結果。從圖3(a)和2(b)中可以看出，經(jīng)過本方法去噪以后，原始圖像中的所有背景光噪聲和絕大部分散粒噪聲都得到了有效的去除。從圖3(c)和2(d)中可以看出，使用原始圖像進行重構的結果圖中包含很多顆粒噪聲，而使用本方法去噪后的圖像進行重構的重構結果則非常清晰，說明本方法能夠實現(xiàn)很好的傅立葉疊層顯微成像去噪效果。