本發(fā)明涉及全息圖像超分辨率重建技術(shù)，特別涉及一種基于壓縮感知的淡水藻類全息圖像增強(qiáng)與重建方法。

背景技術(shù)：

利用無透鏡全息成像裝置獲得的藻類全息圖像有噪聲過多、對比度不高、分辨率過低和孿生像干擾等缺陷，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地對淡水藻類細(xì)胞分類與計(jì)數(shù)，阻礙了無透鏡全息成像裝置應(yīng)用于淡水檢測的目標(biāo)。因此增強(qiáng)和改善圖像像質(zhì)是全息成像、圖像處理等研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容，其研究成果在細(xì)胞檢測、全息成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用意義。

傳統(tǒng)的無透鏡全息圖像的增強(qiáng)與重建方法通常采用合成孔徑的方法來提高圖像分辨率，由于合成孔徑的方法過程是控制光源孔徑的位移來獲得多幅亞像元位移的低分辨率全息圖，經(jīng)過后期的合成處理得到高分辨率圖像。這樣不但增加了裝置，不利于實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于操作和成像效率高的目標(biāo)，而且配準(zhǔn)不精確會使重建圖像質(zhì)量急劇下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文發(fā)明的目的是提供基于壓縮感知的改善淡水藻類全息圖像像質(zhì)的方法，改善無透鏡全息裝置獲取的淡水藻類全息圖像的像質(zhì)，圖像清晰度和對比度都得到一定的增強(qiáng)的同時，去除了圖像包含的噪聲，為淡水藻類細(xì)胞的分類與計(jì)數(shù)奠定良好的基礎(chǔ)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。一種基于壓縮感知的淡水藻類全息圖像增強(qiáng)與重建方法，包括以下步驟：

1)利用無透鏡全息成像裝置獲取淡水藻類全息圖像；

2)利用Savitzky-Golay平滑濾波器(簡稱S-G濾波器)和直方圖均衡化去除圖像噪聲和增強(qiáng)圖像對比度；

3)通過基于壓縮感知(Compressive Sensing，CS)的單幅圖像的超分辨率重建方法,提高全息圖像的分辨率，其步驟如下：

a)根據(jù)圖像建立超分辨重建問題模型：

y＝SF^HGFΨx^％＝SF^HGFx； (1)

式中：F是傅里葉變換矩陣，起到將圖像從空間域轉(zhuǎn)換成頻域內(nèi)處理的作用；

x＝Ψx^％，其中：Ψ是變換基矩陣，x^％則代表的是x在稀疏域的表達(dá)式；

G是低通濾波器，S是下采樣矩陣，y即是待超分辨率重建的全息圖像，x是超分辨率重 建后的全息圖像；

b)求解x的過程為求解無約束凸規(guī)劃的過程，即求目標(biāo)函數(shù)f(x)的最小值：

式中：等號右邊第一項(xiàng)表示觀測數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度；第二項(xiàng)中的Φ(x)是能保持圖像邊緣的對比度與銳度的TV正則化算子。；λ＞0，為正則化參數(shù)；

c)利用兩步迭代收縮算法求解式(2)得到x-即超分辨率重建之后的全息圖像；

4)利用角譜全息再現(xiàn)結(jié)合自動對焦的方法將全息圖像進(jìn)行全息再現(xiàn)以還原淡水藻類細(xì)胞的實(shí)際輪廓結(jié)構(gòu)；其步驟如下：

a)計(jì)算得到頻域的衍射傳遞函數(shù)：

式中：f_x和f_y代表的是水平和垂直方向的空間頻率，n是傳輸介質(zhì)的折射率，z₂為衍射傳播距離；

b)設(shè)定z₂的取值范圍0.7～3mm，相同間隔取值100次；

c)每相同間隔取一次z₂的值后，利用式(3)對超分辨率重建后的圖像x在此位置進(jìn)行全息再現(xiàn)；

d)利用Sobel算子計(jì)算此位置的全息再現(xiàn)圖像梯度，并求得TEG對焦量化函數(shù)F的值，比較F值的大小，F(xiàn)的值最大時，得到最佳全息再現(xiàn)圖像；

5)利用迭代消除方法去除殘留在藻類細(xì)胞圖像周圍的孿生像形成的噪聲。

本發(fā)明能夠更為針對性、有效性地改善淡水藻類全息圖像的像質(zhì)，方法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度較低。而且當(dāng)僅能獲得單幅圖像的情況下，也能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)基于多幅圖像匹配超分辨率重建的圖像像質(zhì)的改善效果，從而降低無透鏡全息成像裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和功能實(shí)現(xiàn)難度。

附圖說明

圖1是無透鏡全息成像裝置中的CCD記錄的全息原圖；

圖2是經(jīng)過S-G濾波處理和直方圖均衡化增強(qiáng)之后的全息原圖；

圖3a1～圖3b2是圖2中部分區(qū)域進(jìn)行超分辨率重建之后的效果對比圖；

其中：圖3a1、圖3a2是超分辨率重建前后的全息原圖；圖3b1、圖3b2是全息原圖的超 分辨率重建前后的去除背景區(qū)域的全息再現(xiàn)圖；

圖4a是圖3a2進(jìn)行孿生像去除之后獲得的全息相位圖；

圖4b是圖4a進(jìn)行全息再現(xiàn)獲得的全息再現(xiàn)圖；

圖5是圖2進(jìn)行超分辨率重建、孿生像去除和全息再現(xiàn)后獲得的圖像。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。參見圖1至圖5,一種基于壓縮感知的改善淡水藻類全息圖像像質(zhì)方法，下面對方法的具體流程進(jìn)行說明：

1)利用無透鏡全息成像裝置獲得淡水藻類全息原圖，如圖1所示。

2)利用S-G平滑濾波器和直方圖均衡化對圖1進(jìn)行濾波和增強(qiáng)對比度的處理，處理效果如圖2所示。

3)截取圖2中的局部區(qū)域獲得圖3a1,然后根據(jù)基于壓縮感知的單幅圖像超分辨率重建方法編制程序并對圖3a1進(jìn)行超分辨率重建得到分辨率得到提高的圖3a2，由于圖像的本身的特殊性，只憑肉眼并不能看出提高分辨率前后圖像的區(qū)別，為了論證算法的有效性，利用角譜全息再現(xiàn)結(jié)合對焦精確測距的方法對圖3a1和圖3a2中同一區(qū)域的細(xì)胞進(jìn)行全息再現(xiàn)并去除圖像背景區(qū)域得到圖3b1和圖3b2，從兩幅圖像發(fā)現(xiàn)，利用基于壓縮感知的單幅圖像超分辨率重建的方法提高分辨率的全息圖像的全息再現(xiàn)圖像的圖像質(zhì)量得到明顯提高，細(xì)胞邊緣鋸齒現(xiàn)象減少，清晰度提升。

4)對圖3a2利用迭代消除方法進(jìn)行處理后得到一幅無孿生像干擾的全息圖像，效果如圖4a所示，之后利用角譜全息再現(xiàn)結(jié)合對焦精確測距的方法對圖4a進(jìn)行全息再現(xiàn)得到圖4b，可以看出，孿生像的干擾明顯減少，細(xì)胞結(jié)構(gòu)輪廓清晰可見。

對圖2重復(fù)步驟4得到圖5，對圖5中三個細(xì)胞區(qū)域進(jìn)行放大，從放大區(qū)域可以看到，細(xì)胞細(xì)節(jié)信息依然得到很好地保留，這為后期淡水藻類細(xì)胞奠定了良好的基礎(chǔ)。