電子斷層圖像對(duì)位中的圖像匹配及膠體金點(diǎn)鏈生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)生物學(xué)電子斷層成像技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種電子斷層圖像對(duì)位中的圖像匹配及膠體金點(diǎn)鏈生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱電鏡)三維重構(gòu)技術(shù)，利用電子顯微鏡拍攝的生物大分子投影圖像序列進(jìn)行三維重構(gòu)得到生物大分子的三維密度結(jié)構(gòu)，是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中的一種主流的技術(shù)支持手段。
[0003]根據(jù)投影的不同特點(diǎn)和分子樣品的適用范圍，電鏡三維重構(gòu)技術(shù)可分為:電子晶體學(xué)、單顆粒分析和電子斷層成像技術(shù)。其中電子斷層成像技術(shù)能夠重構(gòu)出不具有全同性且不需要結(jié)晶的細(xì)胞及亞細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)，具有其他技術(shù)不可替代的優(yōu)勢(shì)。受一系列機(jī)器及人工誤差的影響，投影圖像序列可能出現(xiàn)一系列的偏移旋轉(zhuǎn)，且樣品在空間中也會(huì)發(fā)生單純的投影圖像序列操作無法修復(fù)的運(yùn)動(dòng)，這極大地影響了重構(gòu)結(jié)果精度，為了得到更高分辨率的三維重構(gòu)結(jié)果，需要在進(jìn)行三維重構(gòu)之前對(duì)投影圖像序列進(jìn)行對(duì)位及空間參數(shù)標(biāo)定。
[0004]基于膠體金的對(duì)位方法是目前最常用且對(duì)位精度最高的方法，該方法通過在樣品中植入膠體金作為標(biāo)記點(diǎn)對(duì)每幅樣品投影圖像進(jìn)行對(duì)位。然而，為了獲得高質(zhì)量的對(duì)位結(jié)果，基于膠體金的對(duì)位一般需要較多的人工干預(yù)，從而使得對(duì)位的效率較低，且對(duì)人工的依賴大。
[0005]目前有很多關(guān)于膠體金自動(dòng)對(duì)位的研究，一般存在兩個(gè)難題:第一個(gè)是膠體金的提取，因膠體金的提取不在本案的討論范圍，故不再做過多描述；第二個(gè)是膠體金的追蹤，即生成穿過各個(gè)電鏡圖像的膠體金點(diǎn)鏈，該膠體金點(diǎn)鏈中的各個(gè)點(diǎn)分別是所拍攝樣品中同一膠體金點(diǎn)在各個(gè)電鏡圖像中的投影。傳統(tǒng)的方法根據(jù)膠體金與周圍膠體金的關(guān)系計(jì)算膠體金的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而生成膠體金點(diǎn)鏈。這種算法在一些情況下是有效的，但是在周圍膠體金數(shù)目較多時(shí)往往會(huì)發(fā)生匹配錯(cuò)誤。因?yàn)檫@類算法只考慮一個(gè)膠體金與周圍一定區(qū)域膠體金的位置關(guān)系，是基于局部幾何信息的匹配，局部幾何信息不能保證全局一致，因此當(dāng)電鏡圖像中的膠體金識(shí)別不全或者電鏡圖像之間的圖像偏移較大時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤。而如果基于現(xiàn)有的對(duì)位算法，根據(jù)全局幾何信息對(duì)各個(gè)電鏡圖像進(jìn)行對(duì)位，則計(jì)算復(fù)雜度會(huì)極大地增加，并且這種計(jì)算復(fù)雜度的增加是海量的，往往會(huì)導(dǎo)致算法無法實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明的任務(wù)是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電子斷層圖像對(duì)位中的圖像匹配及生成膠體金點(diǎn)鏈的解決方案。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種電子斷層圖像對(duì)位中的圖像匹配方法，包括下列步驟:
[0008]I)對(duì)于待匹配的第一電鏡圖像和第二電鏡圖像，找出第一圖像膠體金點(diǎn)集S和第二圖像膠體金點(diǎn)集M中的四點(diǎn)仿射組；
[0009]2)隨機(jī)選取第二圖像膠體金點(diǎn)集M中的四點(diǎn)仿射組，找出一致性比例與該第二圖像膠體金點(diǎn)集M中的四點(diǎn)仿射組接近的第一圖像膠體金點(diǎn)集S中的四點(diǎn)仿射組作為映射的四點(diǎn)仿射組，基于映射的四點(diǎn)仿射組估計(jì)第一圖像至第二圖像的仿射變換T(.);
[0010]3)將第一圖像的膠體金點(diǎn)代入步驟2)所得的仿射變換Τ(.)，計(jì)算仿射變換后的第一圖像的膠體金點(diǎn)與第二圖像的近似點(diǎn)的數(shù)目；
[0011]4)重復(fù)執(zhí)行步驟2)、3)直至得出最優(yōu)仿射變換，所述最優(yōu)仿射變換是使得所述近似點(diǎn)的數(shù)目最多的仿射變換T (.);
[0012]5)基于步驟4)所得的最優(yōu)仿射變換得到第一電鏡圖像和第二電鏡圖像中的匹配的膠體金點(diǎn)集對(duì)。
[0013]其中，所述步驟2)中，四點(diǎn)仿射組的一致性比例包括比例A和比例r 2，其中，假設(shè)四點(diǎn)仿射組S1由a, b, c, d四個(gè)點(diǎn)組成，ab與cd的交點(diǎn)是e，則比例!T1= | | a_e | / | a_b | |，r2= I c-e I/I c-d |。
[0014]其中，所述步驟3)中，第一圖像仿射變換后與第二圖像的近似點(diǎn)根據(jù)兩點(diǎn)之間距離是否小于預(yù)設(shè)的距離誤差閾值來確定。
[0015]其中，所述步驟3)中，所述距離誤差閾值包括:第一閾值和小于第一閾值的第二閾值，所述步驟3)包括下列子步驟:
[0016]31)將第一圖像的膠體金點(diǎn)代入步驟2)所得的仿射變換T(.)，基于第一閾值得到對(duì)應(yīng)于仿射變換后的第一圖像的膠體金點(diǎn)的第二圖像的近似點(diǎn)；
[0017]32)基于預(yù)設(shè)的近似點(diǎn)數(shù)目閾值，根據(jù)步驟31)所得的近似點(diǎn)的數(shù)目，初步篩選出滿足仿射變換的候選點(diǎn)集對(duì)；
[0018]33)對(duì)于步驟32)篩選出的滿足仿射轉(zhuǎn)換的候選點(diǎn)集對(duì)，重新估計(jì)仿射變換T (.)，然后再用第二閾值重新得出第一圖像與第二圖像的近似點(diǎn)的數(shù)目。
[0019]其中，所述步驟4)包括下列子步驟:
[0020]41)基于步驟33)所得的候選點(diǎn)集對(duì)，計(jì)算匹配點(diǎn)相對(duì)于第一電鏡圖像和第二電鏡圖像的原始膠體金點(diǎn)集的覆蓋率，根據(jù)所述覆蓋率更新最大迭代次數(shù)；
[0021]42)回到步驟2)，再次隨機(jī)選取第二圖像膠體金點(diǎn)集M中的另一個(gè)四點(diǎn)仿射組，直至執(zhí)行步驟2)的次數(shù)達(dá)到所述最大迭代次數(shù)，或者第二圖像膠體金點(diǎn)集M中的四點(diǎn)仿射組已經(jīng)遍歷完畢。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種電子斷層圖像對(duì)位中的膠體金點(diǎn)鏈的生成方法，其特征在于，包括下列步驟:
[0023]a)對(duì)于電子斷層圖像序列中的任一電鏡圖像，將該電鏡圖像與相鄰電鏡圖像組合，根據(jù)前文所述的圖像匹配方法進(jìn)行兩兩匹配，得出該電鏡圖像與相鄰電鏡圖像之間匹配的膠體金點(diǎn)集對(duì)；
[0024]b)通過遍歷圖像序列，基于各個(gè)電鏡圖像與其相鄰圖像的匹配結(jié)果，進(jìn)行膠體金點(diǎn)鏈的補(bǔ)全及生長(zhǎng)。
[0025]其中，所述步驟a)還包括:對(duì)于電子斷層圖像序列中的任一電鏡圖像，將該電鏡圖像的前一張電鏡圖像和后兩張電鏡圖像分別視為所述相鄰電鏡圖像，并分別得出該電鏡圖像與三張所述相鄰電鏡圖像之間匹配的膠體金點(diǎn)集對(duì)。
[0026]其中，所述步驟b)還包括:基于步驟a)得出的所述膠體金點(diǎn)集對(duì)，將其中所有兩兩匹配的膠體金點(diǎn)均填入一個(gè)三維結(jié)構(gòu)生成膠體金點(diǎn)鏈。
[0027]其中，所述步驟b)中，所述三維結(jié)構(gòu)使用存儲(chǔ)序列化的坐標(biāo)信息的平衡二叉樹做為同一圖像的特征點(diǎn)的存儲(chǔ)集合，通過各鏈接二叉樹結(jié)點(diǎn)表述膠體金點(diǎn)間的串聯(lián)關(guān)系。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果:
[0029]1、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)基于全局幾何信息的膠體金點(diǎn)匹配，能夠有效地減少甚至消除錯(cuò)誤匹配，從而提高電子斷層圖像對(duì)位的準(zhǔn)確度。
[0030]2、本發(fā)明能夠以相對(duì)較低的計(jì)算復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)基于全局幾何信息的膠體金點(diǎn)鏈生成。
[0031 ] 3、本發(fā)明能夠獲得信息更加完整的膠體金點(diǎn)鏈。
[0032]4、本發(fā)明特別適合應(yīng)用于電鏡圖像中的膠體金識(shí)別不全或者電鏡圖像之間的圖像偏移較大的情形。
【附圖說明】
[0033]以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
[0034]圖1示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的膠體金點(diǎn)鏈的生成方法的整體流程圖；
[0035]圖2示出了四點(diǎn)仿射變換示例圖；
[0036]圖3示出了測(cè)試數(shù)據(jù)A在O度角下的投影的電鏡圖像；
[0037]圖4示出了測(cè)試數(shù)據(jù)B在O度角下的投影的電鏡圖像；
[0038]圖5示出了采用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法在測(cè)試數(shù)據(jù)A中所匹配跟蹤生成的膠體金鏈的長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)，其中橫坐標(biāo)表示:膠體金鏈的長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)表示:長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)值的膠體金鏈的數(shù)量；
[0039]圖6示出了采用RAPTOR算法在測(cè)試數(shù)據(jù)A中所匹配跟蹤生成的膠體金鏈的長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)；
[0040]圖7示出了采用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法在測(cè)試數(shù)據(jù)B中所匹配跟蹤生成的膠體金鏈的長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)；
[0041]圖8示出了采用RAPTOR算法在測(cè)試數(shù)據(jù)B中所匹配跟蹤生成的膠體金鏈的長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)；
[0042]圖9示出了在測(cè)試數(shù)據(jù)A中采用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法所得到的覆蓋所有圖像的點(diǎn)鏈的坐標(biāo)的置加；
[0043]圖10示出了在測(cè)試數(shù)據(jù)B中采用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法所得到的覆蓋所有圖像的點(diǎn)鏈的坐標(biāo)的疊加；
[0044]圖11示出了在測(cè)試數(shù)據(jù)A中采用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法所得到的覆蓋所有圖像的點(diǎn)鏈的坐標(biāo)在校正后的疊加；
[0045]圖12示出了在測(cè)試數(shù)據(jù)B中采用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法所得到的覆蓋所有圖像的點(diǎn)鏈的坐標(biāo)在校正后的疊加。
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
[0047]圖1示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的膠體金點(diǎn)鏈的生成方法的整體流程圖，包括下列步驟:
[0048]步驟