[发明专利]一种原子力显微镜超分辨率图像重构的方法及系统

说明书

本发明涉及一种原子力显微镜超分辨率图像重构的方法及系统，将低分辨率原子力显微镜图像L映射到重建高分辨率原子力显微镜图像所需要的空白模板上，得到中间高分辨率图像X，并根据中间高分辨率图像的像素位置信息构造一个相应的特殊测量矩阵，最后利用重构算法重构出高分辨率的原子力显微镜图像。本发明具有整体成像时间短，测量效率高等优点，同时可以降低探针针尖磨损和减少样品表面损伤。

技术领域

本发明涉及超分辨图像重构技术领域，特别是一种原子力显微镜超分辨率图像重构的方法及系统。

背景技术

原子力显微镜是一种探索纳米尺度特征的有力工具，它可以在空气和液体环境中观察纳米尺度的物体。这种独特的能力可以使得原子力显微镜作为一种纳米工具在生理溶液环境下进行各种测量。由于采用奈奎斯特-香农采样定理获取原子力显微镜图像，标准的原子力显微镜需要很长时间才能获得准确的图像。此外，探针尖端对试样表面施加的力，会对试样造成损伤，尤其是生物细胞等软表面试样。在保证成像质量的情况下，提高测量速度，减小尖端和样品相互作用的是非常重要的。目前实现原子力显微镜高效率测量的方法主要有两种。第一种解决方案为了使原子力显微镜尖端在样品上移动更快，提高成像质量，实现高速原子力显微镜，人们设计了各种新的物理元件，例如小悬臂，微谐振器，新的执行机构等。然而，复杂的硬件设计和标准原子力显微镜的修改将带来昂贵的硬件成本。第二种解决方案是采用新的控制器和算法，如前馈和反馈控制、鲁棒控制器和迭代控制方法的结合等。

高分辨率图像能够提供更多的细节信息，在许多领域中高分辨率图像的获取具有重要意义。图像分辨率受成像设备、成像原理以及环镜等诸多因素的影响具有一定的局限性，因此在实际应用中通常采用超分辨率成像来提升图像的分辨率。图像超分辨率重建是指由一幅或多幅低分辨率的观测图像重建高分辨率图像的过程，其中，通过多幅观测图像重建高分辨率图像简称为多图像超分辨率重建，通过一幅观测图像重建高分辨率图像简称为单图像超分辨率重建。传统的超分辨率方法通常是采用多幅低分辨率图像，利用它们之间的互补信息重构出高分辨率图像，然而对原子力显微镜而言，要成像单幅图像就需要很长时间，且观测样品前进行定位和寻找特征结构较难，很难获取同一区域的多幅低分辨率图像，这使得用单幅低分辨率原子力显微镜图像提升分辨率成为目前原子力显微镜超分辨率技术中一个亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种原子力显微镜超分辨率图像重构的方法及系统，具有整体成像时间短，测量效率高等优点，同时可以降低探针针尖磨损和减少样品表面损伤。

本发明采用以下方案实现：一种原子力显微镜超分辨率图像重构的方法，具体为：将低分辨率原子力显微镜图像L映射到重建高分辨率原子力显微镜图像所需要的空白模板上，得到中间高分辨率图像X，并根据中间高分辨率图像的像素位置信息构造一个相应的特殊测量矩阵，最后利用重构算法重构出高分辨率的原子力显微镜图像。

进一步地，具体包括以下步骤：

步骤S1：通过原子力显微镜扫描样品表面获取一幅低分辨率图像L，大小为M×N，表示低分辨率图像L的行、列的像素点个数分别为M、N；

步骤S2：将低分辨率原子力显微镜图像L中的像素映射到一个重构高分辨率图像H所需要的空白模板上，得到一副大小为2M×2N中间高分辨率图像X；

步骤S3：将低分辨率图像L和与其对应的中间高分辨率图像X分别按列组合成向量y、x，维数分别为MN×1和4MN×1；

步骤S4：构造一个维数为MN×4MN的测量矩阵Ф，利用该测量矩阵对中间高分辨率图像X进行测量，使得到的测量值刚好为低分辨率图像L中的像素值；其中测量过程表示如下：

y＝Φx (1)；

步骤S5：选择一个维数为4MN×4MN的稀疏变换基Ψ，则向量采用下式表示：

x＝Ψα (2)；

式中，α是向量x的稀疏表示；