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蔡司激光共聚焦顯微鏡提升圖像信噪比的方法

分類:公司新聞 發(fā)布時(shí)間:2023-09-26 18505次瀏覽

  衡量蔡司激光共聚焦顯微鏡圖片質(zhì)量的主要有三大重要因素:亮度、分辨率和信噪比。...

  衡量蔡司激光共聚焦顯微鏡圖片質(zhì)量的主要有三大重要因素:亮度、分辨率和信噪比。能夠大做文章的因素其實(shí)是信噪比。這里我們主要來探討如何提升圖像的信噪比。

  蔡司激光共聚焦顯微鏡ZEN軟件中能提供三大類提升信噪比的方法

蔡司激光共聚焦顯微鏡

  一、基于平滑處理的去噪模塊

  二、基于去卷積的直接去除非焦平面模糊信號(hào)

  三、基于深度學(xué)習(xí)的人工智能降噪

  下面我們來具體介紹這三大類方法。

  通過平滑處理

  提高信噪比最直接的方法就是去噪,常見的就是在拍攝共聚焦圖片時(shí)候會(huì)選中“Interpolation”這個(gè)按鈕,這也是屬于去噪的一種。其原理是讓兩個(gè)像素點(diǎn)之間的邊界變得模糊,從而使圖片變得柔和,到達(dá)去噪的目的。

360截圖20230926153207709.jpg

  ▲ 圖1. Interpolation功能對(duì)比差異

  常規(guī)“去噪”和平滑處理類似,去噪的內(nèi)涵是把圖像中的噪點(diǎn)變得平滑,在ZEN軟件的圖像處理模塊中Smooth大類下就包含了很多去噪方法(如表1)。

360截圖20230926153246388.jpg

  ▲ 表1. 各種平滑處理特點(diǎn)注釋

  除了“Denoise”算法采用小波算法外,其他算法都是常規(guī)線性代數(shù)的方法,小波變換能更多的保留邊緣信號(hào),就是圖片中的細(xì)節(jié)信息。選中合適的去噪算法,會(huì)讓圖像看起來變得平滑,沒有所謂的噪點(diǎn)。

360截圖20230926153316565.jpg

  ▲ 圖2. Denoise算法處理效果展示。信噪比較差的圖片(共聚焦拍攝時(shí)激光強(qiáng)度極弱,Gain值打的特別高的情況下),用Denoise算法處理可以得到效果比較好的圖片

  通過簡(jiǎn)單去卷積

  ——Deblurring模塊

  去卷積有很多種不同的算法,蔡司ZEN軟件中Deblurring功能用比較簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了信噪比提升,這個(gè)功能符合很多人對(duì)“去噪”效果的預(yù)期。

  在Smooth模塊下的去噪算法大多是對(duì)噪點(diǎn)本身下功夫,而Deblurring則考慮了成像過程產(chǎn)生的“噪聲”。

  Deblurring是基于最鄰近函數(shù)去除背景的一種方法,對(duì)Z-Stack圖像作Deblurring處理的時(shí)候,考慮某一層圖象的噪聲只是由其相鄰兩層圖像帶來的非焦平面信號(hào)和顯微系統(tǒng)本身引起的;處理單張二維圖像的時(shí)候,則是運(yùn)用該圖本身非焦平面的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)估算其相鄰的噪聲。選用Deblurring則是真的會(huì)去除那些噪點(diǎn),而不是作平滑處理。

  通過深度學(xué)習(xí)的方法

  ——AI Denoising模塊

  除了常規(guī)的平滑和去卷積算法外,蔡司ZEN軟件中還有“AI Denoising”模塊,其內(nèi)核是 Noise2Void (N2V) [1]深度學(xué)習(xí)的去噪方法。N2V只需要信噪比很低的圖像就能實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí),是一種直接在噪聲圖像上進(jìn)行訓(xùn)練的自我監(jiān)督深度學(xué)習(xí)方法。因此,成像過程中就可以用更低的熒光光強(qiáng)進(jìn)行成像,特別適合活細(xì)胞成像。

  蔡司ZEN軟件里的AI Denoising主要有兩大板塊構(gòu)成,一個(gè)是在Analysis板塊中的Intellesis Denoising,用戶可以自己訓(xùn)練模型,而不是給一個(gè)通用模型。另一個(gè)就是調(diào)用訓(xùn)練好模型的地方在processing板塊中直接搜索Intellesis Denoising就可以了。

  N2V只能夠?qū)ο袼攸c(diǎn)獨(dú)立的噪聲進(jìn)行處理,所以想讓AI Denoising效果更好可以對(duì)圖像先進(jìn)行Whitening(白噪聲處理),然后再去訓(xùn)練AI Denoising的模型,模型訓(xùn)練好后運(yùn)用的時(shí)候,還是要輸入白噪聲處理后的目標(biāo)圖像,最終導(dǎo)出圖像是不含白噪聲的圖像。還有一點(diǎn)小技巧就是用8bit的圖像能獲得更好的去噪效果。

  AI Denoising不止效果顯著,還可以對(duì)多維圖像進(jìn)行降噪處理。

  這次介紹了這么多圖像去噪的方法,從普通平滑處理降噪、到非焦平面信號(hào)去除、再到深度學(xué)習(xí)的人工智能降噪,蔡司君相信總有一款是適合要發(fā)表高分文章,攀登科研高峰的你,要不要現(xiàn)在就拿出以前已經(jīng)拍攝好的圖像進(jìn)行搶救一下呢?

  備注:ZEN 3.4版本及以上才有Deblurring模塊;ZEN 3.6版本及以上才有AI Denoising模塊。


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