[發(fā)明專利]基于傅里葉功率譜的冷凍電鏡單顆粒圖像配準(zhǔn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110022500.5
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112614170B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳宇軒;沈紅斌
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06F17/14
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種基于傅里葉功率譜的冷凍電鏡單顆粒圖像配準(zhǔn)方法，通過對待測冷凍電鏡單顆粒圖片集進(jìn)行功率譜高通濾波器參數(shù)估計(jì)，然后計(jì)算待配準(zhǔn)圖像的傅里葉功率譜，并提取特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)對待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行反旋轉(zhuǎn)后對圖像進(jìn)行矯正；基于傅里葉功率譜的旋轉(zhuǎn)周期性，再次根據(jù)特征點(diǎn)計(jì)算另一相對旋轉(zhuǎn)角后進(jìn)行相對反旋轉(zhuǎn)和相對矯正，最后根據(jù)矯正以及相對矯正得到的矯正圖像與目標(biāo)圖像進(jìn)行相似性計(jì)算，取相似性最高的矯正圖像作為配準(zhǔn)參數(shù)結(jié)果。本發(fā)明使用傅里葉功率譜域的分析對噪聲、顆粒以及背景進(jìn)行了有效分離，同時(shí)基于快速傅里葉變換的有效實(shí)現(xiàn)大大提高了算法的計(jì)算性能，無需進(jìn)行迭代修正可直接計(jì)算出配準(zhǔn)參數(shù)，使得配準(zhǔn)無論從計(jì)算速度還是精度與魯棒性上都得到了提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種圖像處理領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于傅里葉功率譜的冷凍電鏡單顆粒圖像配準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)

在冷凍電鏡的檢測過程中，為了保證生物大分子的活性盡量不受電子輻射影響，電子顯微鏡使用的電子劑量必須保證在一個(gè)很低的程度下，導(dǎo)致冷凍電鏡單顆粒圖像的噪聲很大，信噪比極低(通常低至0.1以下)。冷凍電鏡圖像的分析技術(shù)包括二維分析技術(shù)與三維分析技術(shù)，二維分析技術(shù)主要對圖像進(jìn)行聚類來降低噪聲獲取較為清晰的電鏡圖像，而三維分析技術(shù)則通過冷凍電鏡圖像重建其三維結(jié)構(gòu)。無論是二維分析技術(shù)還是三維分析技術(shù)都需要在實(shí)施過程中對冷凍電鏡圖像進(jìn)行配準(zhǔn)以便于更好計(jì)算圖像距離、圖像相似性以及相對方向關(guān)系，且最終結(jié)果嚴(yán)重依賴于配準(zhǔn)算法的準(zhǔn)確性。

冷凍電鏡圖像配準(zhǔn)的主要難點(diǎn)在于圖像極低的信噪比以及顆粒部分只占據(jù)圖像的一部分使得顆粒需要與背景進(jìn)行分離。目前的冷凍電鏡配準(zhǔn)算法主要還是迭代算法，這樣的方法無法保證收斂速度，使得算法非常耗時(shí)，且對噪聲的抗性也不強(qiáng)。配準(zhǔn)算法是整個(gè)冷凍電鏡分析中的重要一環(huán)，也是重要耗時(shí)環(huán)節(jié)，因此目前需要一種全新的配準(zhǔn)算法來對整個(gè)過程進(jìn)行加速并且能保證算法的精度與魯棒性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于傅里葉功率譜的冷凍電鏡單顆粒圖像配準(zhǔn)方法，使用傅里葉功率譜域的分析對噪聲、顆粒以及背景進(jìn)行了有效分離，同時(shí)基于快速傅里葉變換的有效實(shí)現(xiàn)大大提高了算法的計(jì)算性能，無需進(jìn)行迭代修正可直接計(jì)算出配準(zhǔn)參數(shù)，使得配準(zhǔn)無論從計(jì)算速度還是精度與魯棒性上都得到了提升。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明涉及一種基于傅里葉功率譜的冷凍電鏡單顆粒圖像配準(zhǔn)方法，通過對待測冷凍電鏡單顆粒圖片集進(jìn)行功率譜高通濾波器參數(shù)估計(jì)，然后計(jì)算待配準(zhǔn)圖像的傅里葉功率譜，并提取特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)對待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行反旋轉(zhuǎn)后對圖像進(jìn)行矯正；基于傅里葉功率譜的旋轉(zhuǎn)周期性，再次根據(jù)特征點(diǎn)計(jì)算另一相對旋轉(zhuǎn)角后進(jìn)行相對反旋轉(zhuǎn)和相對矯正，最后根據(jù)矯正以及相對矯正得到的矯正圖像與目標(biāo)圖像進(jìn)行相似性計(jì)算，取相似性最高的矯正圖像作為配準(zhǔn)參數(shù)結(jié)果。

所述的功率譜高通濾波器參數(shù)估計(jì)是指：利用配準(zhǔn)算法在隨機(jī)挑選的小樣本數(shù)據(jù)集上進(jìn)行配準(zhǔn)精度評估，選取最佳的功率譜高通濾波器參數(shù)，即功率譜域?yàn)V波半徑r作為后續(xù)完整配準(zhǔn)過程的方法參數(shù)。

所述的配準(zhǔn)精度評估是指：將小樣本數(shù)據(jù)集上的所有數(shù)據(jù)向指定圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，并計(jì)算所有配準(zhǔn)過后的圖像與指定圖像的相似度的均值作為精度指標(biāo)，該精度指標(biāo)采取相關(guān)熵其中：P，Q分別為兩幅冷凍電鏡單顆粒圖像，m，n分別為其高度與寬度，e為自然對數(shù)，P_ij，Q_ij為兩幅圖像位于(i，j)處的像素值，σ為給定參數(shù)，一般設(shè)為1。

所述的待配準(zhǔn)圖像的傅里葉功率譜P(u，v)＝|F(u，v)|²，其中：F(u，v)是圖像的傅里葉變換，u，v是頻域坐標(biāo)，|·|表示取幅值操作，P(u，v)是圖像的功率譜，對于兩張需要進(jìn)行配準(zhǔn)的冷凍電鏡單顆粒圖像I₁、I₂，分別計(jì)算其傅里葉功率譜并根據(jù)估計(jì)所得參數(shù)進(jìn)行高通濾波得到對應(yīng)功率譜P₁、P₂。