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近日，華東師范大學(xué)張詩按教授課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”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，被廣泛運用于活細(xì)胞動態(tài)過程的超分辨觀測。但是SIM對采集相機有較高的位深和像素數(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、研究內(nèi)容

2.1 圖像采集模型

課題組將差分放大的思想引入CISIM，通過壓縮圖像與寬場圖像的參考差分提高采集圖像中高頻信號的能量占比，提升對于待測動態(tài)場景的重構(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)上增加了一個寬場成像通道；DCISIM的壓縮成像方式也與CISIM不同，在3個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)實驗

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)庫中的結(jié)構(gòu)光照明顯微實驗數(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)果對比

圖3基于SIM實驗數(shù)據(jù)的CISIM與DCISIM圖像重構(gòu)結(jié)果對比

在抗噪性能仿真實驗當(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，通過采用結(jié)構(gòu)光照明壓縮成像和寬場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，DCISIM有望成為諸多高速精細(xì)動力學(xué)過程觀測的重要工具。