激光共焦扫描光学显微镜系统中的图像层间插值枯术

　　1　引　言

　　激光共焦扫描光学显微镜(LCSM)是近十年来才迅速发展起来的一种高精度显微成像技术,它是以光学为基础,融机械、电子、计算机为一体的高精度现代化显微测试仪器。其基本原理是:由激光源发出的激光经显微光学系统聚焦到被探测物体上一点,采取精密共焦空间滤波和目标物体分层的快速激光扫描,逐点探测来自目标物体上的微弱光信号,该输出光信号送入计算机经快速处理和图像合成,呈现出目标物体的三维图像。它克服了传统光学显微镜把被观察物体一定纵深范围的结构都加以成像的缺点,把物体分为若干光学断层,逐层扫描成像,层与层之间有高的纵深分辨率。它是迄今为止较为理想的三维显微成像系统。

　　三维图像更有利于人们对目标物体的观察、分析。因此,基于所采集的系列断层图像的三维重构是LCSM系统的最终目的。但由于设备、费用等方面的限制,由LCSM系统所采集到的图像,z方向的采样间隔比x,y方向大。换言之,层间分辨率比层内分辨率要低得多。由于断层间存在着信息的不确定性,这就影响到最后对其进行三维重构的效果。于是就提出了这样一个问题:如何在两幅断层图像之间插入适当数量的断层图像,以获得符合要求的三维数据场[1]。

　　由于算法比较简单,人们常用灰度图像线性插值来获得一个所需的插层。在某些情况下,如z间隔与x,y间隔相差不多的情况下,此方法能获取较好的结果。但当层间分辨率比层内分辨率要低得多时,这种方法使得插值有时与实际数值的误差较大。这是由于它只用到了一些局部的信息,而没考虑到结构形态特征。由于结构形态特征往往是整体性的,因此,线性插值适合于相邻图片具有较大相似性的图像,而对于非相似性的图像,就要求我们从原始断层图像中的结构形态的整体特征出发来对层间的插值图像进行估计。

　　图1为LCSM系统所采集到的不同深度的细胞断层图像。

　　可以看到,LCSM系统所采集到的图像具有较大的非相似性。因此基于本系统所采集到的图像特点,我们采用了这样一种插值方法:首先对原断层图像进行图像分割,提取出目标物体,再对分割后的两幅二值图像中的一幅施行距离变换(DistanceTransformation)[2,3],以求取一个模板对应于一个被插值图像,最后,利用该模板来指导该插层图像的生成。下面主要介绍利用此方法进行层间插值的原理及方法。

　　所谓距离是指这样的函数,如果对所有点p,q,r有这样的关系:

　　在一般情况下,距离函数被定义成欧几里德距离。在数字图像中距离可定义成更简单的函数,通常有市区距离、棋盘距离等。距离变换是基于数学形态学的一种数字图像处理技术,主要用于图像的数据压缩、骨架提取等。对于二值图像的距离变换是计算并标记图像中每个前景点到背景点的最近距离过程。即将原始图像由距离定义变换成一个灰度级图像,每个像素的灰度级是该像素与距其最近的背景像素间的距离。