基于时域统计聚焦评价的红细胞数字全息图重建研究

摘要

血细胞具有运输氧气、防御病菌、止血等功能，通过血细胞检测可以为疾病防御和诊疗提供依据。光学显微镜因其可视化的检测优势成为应用最广泛的血细胞检测手段，但其存在的人工操作复杂、成像视野小、硬件系统复杂且难以集成、无法实现三维成像等问题限制了它的发展。无透镜数字全息成像技术用图像传感器记录物参干涉图样，并在计算机上还原物体真实三维原像，能够规避光学显微镜在血细胞成像分析中的不足，被广泛应用于血细胞成像领域。对于全息图中血细胞的参数计算、形态的观测离不开数字全息再现像，而再现像的质量高低与重建距离密切相关，只有当全息再现时的再现距离和全息图记录时的物距数值相等时，才能获得聚焦像，而记录距离通常难以直接测量，需使用自动聚焦来确定最佳像面。因此，对于聚焦过程及其所涉及参数的系统研究是无透镜数字全息领域的重要研究方向之一。　　本文围绕红细胞数字全息图重建，针对自动聚焦所涉及到的聚焦搜索算法、聚焦评价函数及聚焦搜索参数确定等环节展开系统研究。首先介绍了遍历法、斐波那契变长法和“盲人”爬山法三种聚焦搜索算法的基本原理，通过分析选择遍历法作为本文所用聚焦搜索算法；然后重点探究了现有聚焦评价函数的评价依据，依据不同评价原理对函数进行分类，并以目前应用最为广泛且算法复杂度最低的时域统计聚焦评价函数为代表，介绍其基本评价依据及数学表达式。最后，采用课题组搭建的无透镜数字全息成像系统获取血红细胞全息图，应用matlab平台编写相关算法，探讨了菲涅尔重建、卷积重建、角谱重建三种重建算法，聚焦区域尺寸、聚焦区域位置、搜索范围和搜索步长这些聚焦搜索参数对聚焦效果的影响，确定了最优聚焦搜索参数并应用于对不同质量红细胞全息图在各时域统计聚焦评价函数下进行自动聚焦测试，采用定性和定量评价指标对其聚焦性能进行综合比较。　　实验结果表明，角谱重建在聚焦搜索中比卷积重建和菲涅尔重建表现更好，代表性局部聚焦区域尺寸选择256×256大小较为合适，聚焦搜索区域位置不影响聚焦结果，可选择任意位置，搜索步长确定为0.01mm，而对于搜索范围而言，实际应用可选1.1~2.1mm，若用以分析和比较聚焦评价函数性能，0.6~2.6mm更为合适。另外，不同函数在不同质量的全息图中的聚焦表现不一，而强度平方函数是聚焦性能最好的时域统计聚焦评价函数。对于含有杂质的全息图而言，杂质所含信息会覆盖细胞所含信息从而导致所有聚焦评价函数聚焦失败。研究还发现时域统计聚焦评价函数整体抗噪性均较弱。综上所述，本文确定了红细胞全息图重建聚焦中的最优搜索参数，避免了聚焦参数选择不当影响聚焦过程，并在最优搜索参数下挑选出性能最好的聚焦评价函数，提升了聚焦准确性和再现像质量，有利于推动血细胞计数、细胞内部参数计算及形态观测等相关研究的发展。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 无透镜数字全息研究进展

1.3 数字全息聚焦再现研究进展

1.3.2 自动聚焦研究进展

1.4 研究目的及内容

2 无透镜数字全息基本理论

2.1 无透镜数字全息的记录

2.2 无透镜数字全息的再现

2.2.1 数字全息重建算法

2.2.2 数字自动聚焦

2.3 本章小结

3 基于时域统计的聚焦评价函数

3.1 时域统计聚焦评价函数原理及分类

3.1.2 相关类聚焦评价函数

3.1.3 熵类聚焦评价函数

3.1.5 阈值类函数

3.2 聚焦评价函数优劣评价指标

3.2.1 定性评价指标

3.2.2 定量评价指标

3.3 聚焦评价函数曲线标准化处理

3.4 本章小结

4 数字全息图拍摄系统及全息图获取

4.1 数字全息图拍摄系统介绍

4.1.2 软件系统

4.2 红细胞全息图获取

4.3 本章小结

5 聚焦搜索参数确定

5.1 用于聚焦搜索的全息图块尺寸

5.2 用于聚焦搜索的全息图块位置

5.3 搜索步长

5.4 搜索范围

5.5 本章小结

6 时域统计聚焦评价函数对比分析

6.1 用于测试的全息图类型

6.2 聚焦评价曲线的对比分析

6.3 聚焦评价指标的对比分析

6.3.3 平缓区波动量

6.3.4 灵敏度因子

6.3.5 时耗性

6.4 聚焦重建结果对比分析

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果

B. 学位论文数据集

致谢