[发明专利]微粒子偏光显微成像的三维重建方法和系统

说明书

本申请公开了一种微粒子偏光显微成像的三维重建方法和系统，方法包括步骤：获取待处理图像；构建平面直角坐标系，以待处理图像中任意微粒子的球心为原点；采用最小二乘拟合方法处理待处理图像，得到待处理图像中微粒子上像素点的光强最大值和光强最小值；通过像素点的光强最大值和光强最小值，得到像素点的偏振度、法线天顶角和入射光方位角；通过法线天顶角和入射光方位角，得到微粒子表面的法向量在平面直角坐标系上的梯度场，得到微粒子表面函数，根据正交投影约束和表面积最小化准则建立微粒子表面函数优化模型；利用基于分裂布莱格曼的迭代函数优化方法迭代获得最优的微粒子表面函数，更好的满足了微粒子三维重建的准确性要求。

技术领域

本发明涉及微粒子三维重建技术领域，尤其涉及一种微粒子偏光显微成像的三维重建方法和系统。

背景技术

近年来，随着对微观世界研究的深入发展，无论是医学辅助诊疗，还是生物大分子研究，亦或是微粒子光谱分析，微粒子三维重建技术都是其中最为重要和常见的研究手段之一。一般情况下，自然物体通过相机捕捉到的不同角度的图像来实现三维重建，然而由于粒子的方向无法被操纵，很难获得类似宏观物体的图像。因此，设计出一款适用于微粒子的三维重建算法，具有十分重要的意义。

偏振形状重建法能够通过观察物体表面反射光的偏振特性，可以获得物体的形状信息，在非理想光强下仍能获得相对清晰的偏振信息，从而重建三维表面特征。其中，表面反射的光主要包括偏光镜面反射、偏光漫反射和非偏光漫反射三部分。由于偏光镜面反射是单一的反射，从一个方向获取全局镜面反射具有很大的挑战性。因此，可以使用偏光漫反射偏振形状重建法来实现粒子三维重建，通过粒子表面函数的正交投影实现三维重建。然而，由于投影结果单方向梯度严重失真，重建结果往往存在严重畸变。以及，相较于宏观物体，微粒子的表面纹理起伏较小，无法重建出细微纹理，只能获得部分锐化的边缘。因此，如何确保微粒子三维重建的准确性和实时性，成为亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微粒子偏光显微成像的三维重建方法和系统。

一方面，本发明提供了一种微粒子偏光显微成像的三维重建方法包括步骤：

获取待处理图像；

构建平面直角坐标系，确定原点、横轴以及纵轴，其中，以所述待处理图像中任意微粒子的球心为所述原点；

采用最小二乘拟合方法处理所述待处理图像，得到所述待处理图像中所述微粒子上像素点的光强最大值和光强最小值；

通过所述像素点的光强最大值和光强最小值，得到所述像素点的偏振度；

通过所述偏振度得到所述像素点的法线天顶角和入射光方位角；

通过所述法线天顶角和所述入射光方位角，得到所述微粒子表面的法向量在所述平面直角坐标系上的梯度场，得到所述微粒子表面函数；

根据所述微粒子表面函数，根据正交投影约束和表面积最小化准则建立微粒子表面函数优化模型；

所述微粒子表面函数优化模型通过以下方法得到：

其中，z是微粒子表面函数，z₀是微粒子表面函数的真实值，λ,μ,ν和f是常数，dx为所述微粒子表面的法向量在所述平面直角坐标系中所述横轴上的梯度的微分，dy为所述微粒子表面的法向量在所述平面直角坐标系中所述纵轴上的梯度的微分，I为所述像素点的光强，Ω是所述微粒子区域，R是实数集；

利用基于分裂布莱格曼的迭代函数优化方法迭代获得最优的微粒子表面函数；

对所述微粒子表面函数优化模型进行k次迭代；

当||z^k+1-z^k||≤ε时，迭代停止，z^k为所述最优的粒子表面函数；