论文部分内容阅读
电子断层(Electron Tomography,ET)三维重构技术能够在纳米尺度下重构出不具有全同性的细胞或大分子的三维结构，已成为一种公认的研究复杂生物大分子结构的强有力手段。虽然电子断层成像技术已有数十年的研究历史，但是仍有很多基本问题尚待解决。在电子断层重构技术中，需要对样品从各个不同角度进行投影得到一组电子显微图像序列(tilt-series)。由于投影拍摄过程中，仪器的不稳定、样品的移动以及工作人员操作的影响，所得到的图像序列的实际参数无法与仪器所显示的参数精确匹配，必须对图像序列进行标定和对位才可以进行后续的三维重构。图像序列标定和对位的质量直接决定了三维重构结果的质量，因此一直是电子断层成像领域备受关注的焦点。基于实际应用中样品的特性，本文从对位精度和处理流程自动化的角度出发，针对电子断层重构中图像序列的对位问题，提出了多种电子断层图像序列的自动对位算法，提高了对位结果的精度和处理的自动化程度。本文的主要贡献如下: 1.针对无胶体金的投影图像序列，本文提出了一种基于特征匹配的全自动无胶体金对位算法，解决了无胶体情况下的图像对位问题。首先，本文首次将旋转不变特征(SIFT)引入到ET图像序列的标定中，利用特征点周围的信息，提高了特征点的定位精度与匹配的精确度。其次，本文提出了针对特征点的快速匹配和跟踪策略，以及与其相对应的快速检索的数据结构，解决了在大量特征点情况下的快速匹配问题。并且针对对位中特征点链多而短的问题，本文进一步提出了增量式的捆绑调整(incrementalbundle adjustment)算法，保证了在高噪声情况下投影参数估计的精确性和鲁棒性。实际数据的测试结果表明，我们算法的对位能够媲美基于胶体金的图像序列对位精度。 2.针对嵌入胶体金的投影图像序列，本文提出了一种新的高鲁棒的全自动胶体金识别与跟踪框架，其最大的特点是高精度、全自动和高鲁棒性。首先，针对现有的算法胶体金识别率不高、参数依赖严重的问题，本文提出了一种基于采样与分类的胶体金识别算法，实现了胶体金的高效准确识别。其次，本文提出了一种胶体金定位的优化策略，将胶体金的定位精度提高到亚像素，解决了现有胶体金对位流程中因定位不准确而需要人工干预的问题。然后，针对现有算法中胶体金无法有效匹配的问题，本文提出了一种基于点集匹配(point set registration)的胶体金匹配算法，实现了全局性的胶体金跟踪与匹配。实际数据的实验表明，我们的方法在精度和自动化程度上均优于现有的对位框架，为下一步简化电子断层重构技术流程和实现高通量电子断层重构奠定了技术基础。 3.针对双轴电子断层图像序列的对位问题，本文提出了一种新的双轴对位算法框架。首先将前文中的全自动胶体金识别与跟踪的思想引入到了双轴对位中，解决了跨图像序列胶体金跟踪的问题。其次本文提出一种全新的全局投影模型，统一了单双轴和多轴电子断层图像序列的参数标定。最后，本文提出一种基于胶体金点链的粗对位算法，准确确定了捆绑调整变量的初始参数，并通过最优化方法获得了统一坐标系下的投影参数。实验结果表明，基于我们的双轴对位算法在精度上优于现有的对位方法，为末来更好地发挥双轴电子断层重构的优势提供了技术支持。 4.针对当前领域内缺少高精度全自动的电子断层重构软件的问题，我们设计实现了一个新的全自动电子断层三维重构平台AuTom。AuTom平台在功能上覆盖了三维重构中的图像预处理、图像序列对位、重构几何参数估计、三维重构和二维数据的可视化等基本功能，并且对于当中的多个步骤都使用了全新的技术，包括高精度无胶体金对位、全自动胶体金对位、自适应联合代数迭代重构算法、基于blob的GPU加速模型等。首先，AuTom平台在图像序列对位上进行了多项优化，拥有更高的对位精确度和自动化程度。其次，AuTom平台在数据处理的流程和跟踪管理上与现有软件有很大不同，AuTom基于不同数据的特性对流程进行了分别设计，使得软件更加用户友好，易于使用。最后，AuTom在软件架构上可扩展性更强。AuTom是当前领域内唯一提供了全自动的基于胶体金的图像序列对位流程、可以在零参数输入、无人工干预的情况下实现有胶体金图像序列对位和三维重构的软件，可以对电子断层数据进行批量处理。