近日，華東師范大學(xué)張?jiān)姲唇淌谡n題組提出一種差分壓縮成像型結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微（DCISIM）技術(shù)，該技術(shù)利用差分圖像增加高頻信息占比，實(shí)現(xiàn)超分辨重構(gòu)圖像質(zhì)量的提升。論文以封面文章的形式發(fā)表在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》“智能光電成像探測(cè)”專題。

一、研究背景

在眾多光學(xué)超分辨技術(shù)中，結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)（SIM）具有光損傷小、成像速度快等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于活細(xì)胞動(dòng)態(tài)過(guò)程的超分辨觀測(cè)。但是SIM對(duì)采集相機(jī)有較高的位深和像素?cái)?shù)需求，在目前硬件條件下難以獲得更高的成像幀率，限制了其成像速度的提升。壓縮成像型結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微技術(shù)（CISIM）將采集的多幅結(jié)構(gòu)光照明圖像編碼后壓縮為一幅圖像，并通過(guò)圖像重構(gòu)得到超分辨圖像，突破了硬件速度的限制。然而CISIM的數(shù)據(jù)壓縮過(guò)程降低了高頻信息的比重，影響了重構(gòu)超分辨圖像的質(zhì)量。

二、研究?jī)?nèi)容

2.1 圖像采集模型

課題組將差分放大的思想引入CISIM，通過(guò)壓縮圖像與寬場(chǎng)圖像的參考差分提高采集圖像中高頻信號(hào)的能量占比，提升對(duì)于待測(cè)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的重構(gòu)效果，并將這種改進(jìn)后的技術(shù)稱為差分壓縮成像型結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微（DCISIM）。相比于CISIM，DCISIM包含了兩個(gè)圖像采樣通道，在原有壓縮成像通道的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)寬場(chǎng)成像通道；DCISIM的壓縮成像方式也與CISIM不同，在3個(gè)方向上只采用兩張相移量為2π/3的條紋照明熒光圖像進(jìn)行編碼壓縮操作。圖1展示了CISIM與DCISIM的圖像采集模型。

圖1CISIM與DCISIM的圖像采集模型

2.2 圖像重構(gòu)實(shí)驗(yàn)

課題組分別選取了胚胎大鼠海馬神經(jīng)元微管結(jié)合蛋白、COS-7細(xì)胞微管和Swiss 3T3細(xì)胞Trio蛋白三種生物結(jié)構(gòu)的熒光圖像作為原始數(shù)據(jù)，分別按照CISIM和DCISIM的圖像采集模型生成相應(yīng)的測(cè)量圖像，并分別利用相應(yīng)的重構(gòu)算法進(jìn)行圖像重構(gòu)，如圖2所示；并且基于BioSR數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)構(gòu)光照明顯微實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步開展了仿真重構(gòu)，如圖3所示。結(jié)果表明，DCISIM相比于CISIM有效地提升了重構(gòu)圖像的質(zhì)量。

圖2不同生物結(jié)構(gòu)的CISIM與DCISIM圖像重構(gòu)結(jié)果對(duì)比

圖3基于SIM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的CISIM與DCISIM圖像重構(gòu)結(jié)果對(duì)比

在抗噪性能仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，DCISIM在低噪聲的條件下獲得了較好的超分辨成像效果，隨著噪聲水平的提升，重構(gòu)質(zhì)量逐漸下降，但是在設(shè)定的噪聲水平下仍能保持其超分辨重構(gòu)效果，如圖4所示。

圖4不同噪聲水平下DCISIM圖像重構(gòu)質(zhì)量對(duì)比

三、總結(jié)與展望

差分壓縮成像型結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微技術(shù)DCISIM，通過(guò)采用結(jié)構(gòu)光照明壓縮成像和寬場(chǎng)成像雙通道圖像差分采集方式，從一張差分圖像中恢復(fù)出一張超分辨圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的高速超分辨顯微成像。在未來(lái)，DCISIM有望成為諸多高速精細(xì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程觀測(cè)的重要工具。