Супер ажыратымдылықты кескіндеу - Super-resolution imaging

Бұл мақала сияқты жазылады жеке рефлексия, жеке эссе немесе дәлелді эссе Википедия редакторының жеке сезімін баяндайтын немесе тақырып туралы түпнұсқа дәлел келтіретін. өтінемін оны жақсартуға көмектесу оны қайта жазу арқылы энциклопедиялық стиль. (Қазан 2019) (Бұл шаблон хабарламасын қалай және қашан жою керектігін біліп алыңыз)

Супер ажыратымдылықты кескіндеу (SR) - арттыратын (көбейтетін) әдістер класы рұқсат туралы бейнелеу жүйе. Жылы оптикалық SR The дифракция шегі жүйелер трансцендентті, ал геометриялық SR сандық ажыратымдылық бейнелеу сенсорлары жақсартылған.

Кейбіреулерінде радиолокация және сонар бейнелеу қосымшалары (мысалы, магниттік-резонанстық бейнелеу (МРТ), жоғары ажыратымдылықты компьютерлік томография ), ішкі кеңістік ыдырауға негізделген әдістер (мысалы. МУЗЫКА^[1]) және қысылған зондтау негізделген алгоритмдер (мысалы, SAMV^[2]) SR стандартына жету үшін қолданылады периодограмма алгоритм.

Супер ажыратымдылықты кескіндеу әдістері жалпы қолданыста қолданылады кескінді өңдеу және супер ажыратымдылықтағы микроскопия.

Негізгі түсініктер

Супершешімге қатысты кейбір идеялар іргелі мәселелерді көтеретіндіктен, бастапқыда тиісті физикалық және ақпараттық-теориялық қағидаларды зерттеу қажет:

• Дифракция шегі: Оптикалық құрал кескінде көбейте алатын физикалық объектінің бөлшектері физика заңдарымен бекітілген шектерге ие, дифракция теңдеулер жарықтың толқындық теориясы^[3] немесе оған тең белгісіздік принципі фотондар үшін кванттық механика.^[4] Ақпаратты тасымалдауды бұл шекарадан тыс ешқашан көбейтуге болмайды, бірақ шектеулерден тыс пакеттерді оның ішіндегі кейбіреулеріне ақылды түрде ауыстыруға (немесе көбейтуге) болады.^[5] Дифракция шегін «айналып өту» емес, «бұзу» көп емес. Электромагниттік бұзылыстарды молекулалық деңгейде зерттейтін жаңа процедуралар (жақын өріс деп аталатын жерде)^[6] толығымен сәйкес келеді Максвелл теңдеулері.
  • Кеңістіктік-жиіліктік аймақ: кеңістіктік-жиіліктік аймақта дифракциялық шектің қысқаша өрнегі келтірілген. Жылы Фурье оптикасы жарық үлестірілімдері, техникалық жағынан, жиектердің ені шеңберіндегі торлы жарық үлгілерінің суперпозициясы ретінде көрсетілген кеңістіктік жиіліктер. Әдетте, дифракция теориясы жоғарғы шекараны, кеңістіктік жиілікті кесуді көздейді, одан тыс элементтер элементтері оптикалық кескінге көшірілмейді, яғни шешілмейді деп үйретеді. Бірақ шын мәнінде дифракция теориясымен бекітілген нәрсе - бұл жоғарғы шегі емес, өткізу жолағының ені. Шектік кеңістіктегі жиілік диапазонын оның ішіндегі біреуіне ауыстырған кезде физика заңдары бұзылмайды: бұл әлдеқашан жүзеге асырылған қараңғы өрісті микроскопия. Ақпараттық-теориялық ережелер бірнеше диапазонды қою кезінде бұзылмайды,^[7][8] оларды алынған кескінде ажырату көптеген экспозициялар кезінде объектілік инварианттылық туралы болжамдарды қажет етеді, яғни бір белгісіздік түрін екіншісіне ауыстыру.
• ақпарат: Супер ажыратымдылық термині кескінді статистикалық өңдеуден стандартты рұқсат ету шектерінде объектілік бөлшектерді шығару техникасында қолданылған кезде, мысалы, бірнеше экспозицияны орташалау, бұл ақпараттың бір түрін (шуылдан сигнал шығару) екіншісіне ауыстыруды көздейді. (мақсат өзгермейтін болып қалды деген болжам).
• Ажыратымдылық және оқшаулау: Шынайы шешім мақсат, мысалы, ма, жоқ па екенін ажыратуды қамтиды. жұлдыз немесе спектральды сызық, әдетте кескіннің бөлінетін шыңдарын қажет ететін бір немесе екі болып табылады. Нысананың жалғыз екендігі белгілі болған кезде, оның орналасқан жерін кескін жарығының таралу центроидін (ауырлық орталығы) табу арқылы кескіннің енінен жоғары дәлдікпен анықтауға болады. Сөз ультра ажыратымдылық осы үдеріске ұсынылған болатын^[9] бірақ ол орындалмады және жоғары дәлдіктегі локализация процедурасы әдетте супер ажыратымдылық деп аталады.

Бейнелеуді қалыптастыратын және сезгіш құрылғылардың жұмысын жақсартудағы техникалық жетістіктер қазіргі кезде супер ажыратымдылыққа жатқызылған, олар толық көлемде пайдаланады, бірақ әрдайым физика заңдары мен ақпарат теориясы шеңберінде болады.

Супер ажыратымдылық термині қолданылған әдістер

Оптикалық немесе дифрактивті супер ажыратымдылық

Кеңістіктік-жиіліктік диапазондарды ауыстыру: Дифракция арқылы рұқсат етілген өткізу қабілеттілігі бекітілгенімен, оны кеңістіктік-жиіліктік спектрдің кез келген жеріне орналастыруға болады. Қараңғы жарықтандыру микроскопияда мысал бола алады. Сондай-ақ қараңыз апертура синтезі.

Супер-ажыратымдылықтың «құрылымдық жарықтандыру» техникасы байланысты муар өрнектері. Нысана, жіңішке жиектер жолағы (жоғарғы қатар), дифракция шегінен тыс. Біршама дөрекі шешілетін шеттердің жолағы (екінші қатар) жасанды түрде орналастырылған кезде, комбинация (үшінші қатар) мире дифракция шегіне кіретін және кескінде қамтылған компоненттер (суретте (төменгі қатарда), егер олар кескінде өздері болмаса да, ұсақ жиектердің болуын анықтауға мүмкіндік береді.

Кеңістіктік-жиіліктік жолақтарды мультиплекстеу

Кескін оптикалық құрылғының кәдімгі өткізу жолағын пайдаланып жасалады. Содан кейін белгілі бір жарық құрылымы, мысалы, өткізу жолағының шегінде орналасқан жарық жиектер жиынтығы нысанаға қойылады.^[8] Енді кескінде мақсат пен қабаттасқан жарық құрылымының үйлесуі нәтижесінде пайда болатын компоненттер бар, мысалы. муир шеттері және қарапайым, құрылымдалмаған жарықтандыруды көрсетпейтін мақсатты бөлшектер туралы ақпарат береді. «Өте шешілген» компоненттерді ашу қажет, бірақ оларды ажырату қажет. Мысал үшін құрылымдалған жарықтандыруды қараңыз (сол жақтағы сурет).

Дәстүрлі дифракция шегінде бірнеше параметрді қолдану

Егер мақсатта арнайы поляризация немесе толқын ұзындығы қасиеттері болмаса, мақсатты бөлшектерді кодтау үшін екі поляризация күйін немесе толқын ұзындығының қабаттаспайтын аймақтарын пайдалануға болады, олардың біреуі кесінді ішіндегі кеңістіктік-жиіліктік диапазонда екіншісін шектейді. Екеуі де өткізу жолағының қалыпты берілісін пайдаланады, бірақ кеңейтілген ажыратымдылықпен мақсатты құрылымды қалпына келтіру үшін бөлек декодталады.

Өріске жақын электромагниттік бұзылуларды зондтау

Әдеттегі супер ажыратымдылықты талқылау объектінің әдеттегі бейнесін оптикалық жүйе арқылы жүргізді. Бірақ заманауи технологиялар көзден молекулалық қашықтықтағы электромагниттік бұзылуларды зондтауға мүмкіндік береді^[6] жоғары ажыратымдылық қасиеттеріне ие, қараңыз элевесценттік толқындар және жаңаның дамуы Супер линза.

Геометриялық немесе суретті өңдеудің супер ажыратымдылығы

Оны иемдену немесе беру кезінде шуылданған бір суретпен салыстырғанда (сол жақта) шу мен сигналдың арақатынасы бірнеше бөлек алынған суреттердің үйлесімі арқылы жақсарады (оң жақта). Бұған тек осындай егжей-тегжейлерді ашуға арналған бейнелеу процесінің ішкі шешімділік қабілеті шеңберінде қол жеткізуге болады.

Көп экспозициялық кескін шуын азайту

Кескін шудың әсерінен нашарлаған кезде көптеген экспозициялардың орташа деңгейінде, тіпті дифракция шегінде де толығырақ мәліметтер болуы мүмкін. Оң жақтағы мысалды қараңыз.

Бір кадрлы жою

Сияқты берілген бейнелеу жағдайындағы белгілі ақаулар фокус немесе ауытқулар, кейде тіпті бір кескінді қолайлы кеңістіктік-жиіліктік сүзгілеу арқылы толық немесе ішінара азайтуға болады. Мұндай процедуралар дифракциялық мандатталған өткізу жолағында қалады және оны ұзартпайды.

Екі мүмкіндік те 3 пикселден асады, бірақ әртүрлі мөлшерде, оларды пиксель өлшемінен жоғары дәлдікпен локализациялауға мүмкіндік береді.

Пиксельдің суретін оқшаулау

Бір көздің орналасуын «ауырлық центрін» есептеу арқылы анықтауға болады (центроид ) бірнеше іргелес пиксельдерге таралатын жарықтың таралуы (сол жақтағы суретті қараңыз). Жарық жеткілікті болған жағдайда, оны анықтаушы аппараттардың пиксельдік енінен және көздің бір немесе екі есе екендігі туралы шешім шектерінен әлдеқайда жақсы, ерікті дәлдікпен алуға болады. Барлық жарық бір көзден шығады деген болжамды қажет ететін бұл әдіс, белгілі болған нәрсенің негізінде жатыр супер ажыратымдылықтағы микроскопия, мысалы. стохастикалық оптикалық реконструкция микроскопиясы (STORM), мұнда молекулаларға бекітілген флуоресцентті зондтар береді наноөлшемі қашықтық туралы ақпарат. Бұл визуалды негізде тұрған механизм гиперқабілеттілік.^[10]

Дәстүрлі дифракция шегінен тыс Байес индукциясы

Кейбір объектілік ерекшеліктер, дифракция шегінен тыс болса да, белгілі бір шектеулерде болатын және сол себепті суреттегі объектілік белгілермен байланысты болуы мүмкін. Содан кейін статистикалық әдістерді қолдана отырып, толық объектінің болуы туралы қолда бар кескін деректерінен қорытынды жасауға болады.^[11] Классикалық мысал - Toraldo di Francia ұсынысы^[12] кескіннің бір немесе екі жұлдызды екенін оның ені бір жұлдыздан таралуына артық екенін анықтау арқылы бағалау. Бұған классикалық ажыратымдылық шегінен едәуір төмен болған кезде қол жеткізуге болады және «жалғыз ба, екі еселі ме?» Таңдауына алдын-ала шектеу қажет.

Тәсіл келесі түрінде болуы мүмкін экстраполяциялау объекті деп болжай отырып, жиіліктік домендегі сурет аналитикалық функция және біз дәл біле аламыз функциясы кейбір мәндер аралық. Бұл әдіс сандық бейнелеу жүйелеріндегі шуылмен қатты шектелген, бірақ ол жұмыс істей алады радиолокация, астрономия, микроскопия немесе магниттік-резонанстық бейнелеу.^[13] Жақында жабық түрдегі шешімге негізделген бірыңғай кескіннің жылдамдығы жоғары алгоритмі ${ displaystyle ell _ {2} - ell _ {2}}$ қолданыстағы Bayesian супершешім әдістерінің көпшілігін едәуір жеделдету үшін проблемалар ұсынылды және көрсетілді.^[14]

Бүркеншік

SR геометриялық қайта құру алгоритмдер егер рұқсаты төмен кескіндер аз іріктелген болса және сол себепті болса ғана мүмкін болады лақап. Осы лақаптың арқасында қалаған қалпына келтіру кескінінің жоғары жиілікті мазмұны байқалған кескіндердің әрқайсысының төменгі жиілікті мазмұнына енеді. Бақылау кескіндерінің жеткілікті мөлшерін ескере отырып, егер бақылаулар жиынтығы олардың фазасында өзгеретін болса (яғни, көрініс кескіндері кіші пиксель шамасына ауысса), онда фазалық ақпараттарды бүркеншік жоғары жиілікті бөлуге пайдалануға болады шынайы төмен жиілікті мазмұннан алынған мазмұн және толық ажыратымдылықтағы кескін дәл қалпына келтірілуі мүмкін.^[15]

Іс жүзінде бұл жиілікке негізделген тәсіл қайта құру үшін пайдаланылмайды, бірақ тіпті кеңістіктік тәсілдер жағдайында да (мысалы, ауысымдық қосу синтезі)^[16]), лақап аттың болуы әлі де SR-ді қалпына келтірудің қажетті шарты болып табылады.

Техникалық бағдарламалар

SR-дің бір кадрлық және бірнеше кадрлық нұсқалары бар. Бірнеше кадрлы SR ішкі қосымшаны пайдаланадыпикселдік ауысым сол көріністің бірнеше төмен ажыратымдылықтағы суреттері арасында. Бұл барлық төмен ажыратымдылықтағы кескіндерден ақпараттарды біріктіретін жақсартылған кескінді жасайды, ал жоғары ажыратымдылықтағы кескіндер көріністі жақсы сипаттайды. Бір кадрлы SR әдістері бұлыңғырлықсыз суретті үлкейтуге тырысады. Бұл әдістер жоғары ажыратымдылықтағы кескіннің қандай болатынын болжау үшін төмен ажыратымдылықтағы кескіндердің басқа бөліктерін немесе басқа байланысты емес кескіндерді пайдаланады. Алгоритмдерді олардың домені бойынша бөлуге болады: жиілігі немесе ғарыштық домен. Бастапқыда супер ажыратымдылық әдістері тек сұр түсті кескіндерде жақсы жұмыс істеді,^[17] бірақ зерттеушілер оларды түрлі-түсті камера кескіндеріне бейімдеу әдістерін тапты.^[16] Жақында 3D деректері үшін супер ажыратымдылықты қолдану да көрсетілді.^[18]

Зерттеу

Пайдалану бойынша перспективалық зерттеулер бар терең конволюциялық желілер супер ажыратымдылықты орындау үшін.^[19] Атап айтқанда, 20х-тің өзгеруін көрсететін жұмыс көрсетілді микроскоп тозаң дәндерінің бейнесі 1500х электронды микроскопты сканерлеу оны пайдаланып кескін.^[20] Бұл әдіс кескіннің ақпараттық мазмұнын арттыра алатынымен, кеңейтілген сипаттамалардың түпнұсқа кескінінде бар екеніне кепілдік жоқ терең конволюциялық көтергіштер анық емес қосымшалары бар аналитикалық қосымшаларда қолдануға болмайды.

Сондай-ақ қараңыз

• Оптикалық ажыратымдылық
• Артық таңдау

Әдебиеттер тізімі

Осыған байланысты басқа жұмыстар

• Кертис, Крейг Х .; Милстер, Том Д. (қазан 1992). «Магнето-оптикалық деректерді сақтау құрылғыларындағы супершешімді талдау». Қолданбалы оптика. 31 (29): 6272–6279. Бибкод:1992ApOpt..31.6272M. дои:10.1364 / AO.31.006272. PMID  20733840.
• Залевский, З .; Мендлович, Д. (2003). Оптикалық супершешім. Спрингер. ISBN  978-0-387-00591-1.
• Карон, Дж.Н. (Қыркүйек 2004). «Соқыр деконволюцияны қолдану арқылы мультифреймдік тізбектердің жылдам суперсамплингі». Оптика хаттары. 29 (17): 1986–1988. Бибкод:2004 жыл ... 29.1986С. дои:10.1364 / OL.29.001986. PMID  15455755.
• Клемент, Г.Т .; Хаттунен, Дж .; Хынинен, К. (2005). «Артқа жоспарланған қайта құруды қолдана отырып, суперрезолюциялық ультрадыбыстық бейнелеу». Американың акустикалық қоғамының журналы. 118 (6): 3953–3960. Бибкод:2005ASAJ..118.3953C. дои:10.1121/1.2109167. PMID  16419839.
• Гейзлер, АҚШ; Перри, Дж.С. (2011). «Табиғи кескіндердегі нүктелік болжамды оңтайлы статистика». Көру журналы. 11 (12): 14. дои:10.1167/11.12.14. PMC  5144165. PMID  22011382.
• Чэун, V .; Фрей, Дж .; Jojic, N. (20-25 маусым 2005). Бейне эпитомдары (PDF). Компьютерлік көру және үлгіні тану бойынша конференция (CVPR). 1. 42-49 бет. дои:10.1109 / CVPR.2005.366.
• Бертеро, М .; Боккачи, П. (қазан 2003). «Компьютерлік бейнелеудегі супер ажыратымдылық». Микрон. 34 (6–7): 265–273. дои:10.1016 / s0968-4328 (03) 00051-9. PMID  12932769.
• Борман, С .; Стивенсон, Р. (1998). «Төмен ажыратымдылықтағы сурет ретін кеңістіктік шешімді күшейту - болашақ зерттеулердің бағыттарымен жан-жақты шолу» (Техникалық есеп). Нотр-Дам университеті. Журналға сілтеме жасау қажет | журнал = (Көмектесіңдер)
• Борман, С .; Стивенсон, Р. (1998). Кескіндер тізбегінің супер ажыратымдылығы - шолу (PDF). Тізбектер мен жүйелер туралы орта батыс симпозиумы.
• Парк, С .; Парк, М.К .; Kang, M. G. (мамыр 2003). «Суретті супер ажыратымдылықпен қайта құру: техникалық шолу». IEEE сигналдарды өңдеу журналы. 20 (3): 21–36. Бибкод:2003ISPM ... 20 ... 21P. дои:10.1109 / MSP.2003.1203207.
• Фарсиу, С .; Робинсон, Д .; Элад М .; Миланфар, П. (тамыз 2004). «Супер ажыратымдылықтағы жетістіктер мен қиындықтар». Халықаралық бейнелеу жүйесі және технология журналы. 14 (2): 47–57. дои:10.1002 / ima.20007. S2CID  12351561.
• Элад М .; Hel-Or, Y. (тамыз 2001). «Таза трансляциялық қозғалыс және кеңістіктің инвариантты бұлыңғырлығы бойынша жылдам супер ажыратымдылықты қалпына келтіру алгоритмі». IEEE кескінді өңдеу бойынша транзакциялар. 10 (8): 1187–1193. Бибкод:2001ITIP ... 10.1187E. CiteSeerX  10.1.1.11.2502. дои:10.1109/83.935034. PMID  18255535.
• Ирани М .; Пелег, С. (маусым 1990). Кескіндер кезегінен супер ажыратымдылық (PDF). Үлгіні тану жөніндегі халықаралық конференция. 2. 115-120 бб.
• Сроубек, Ф .; Кристобал, Г .; Флюссер, Дж. (2007). «Суперресолюцияға және көпарналы соқыр деконволюцияға біртұтас тәсіл». IEEE кескінді өңдеу бойынша транзакциялар. 16 (9): 2322–2332. Бибкод:2007ITIP ... 16.2322S. дои:10.1109 / TIP.2007.903256. PMID  17784605. S2CID  6367149.
• Калабуйг, Алехандро; Мико, Висенте; Гарсия, Хавьер; Залевский, Зеев; Феррейра, Карлос (наурыз 2011). «Қызыл-жасыл-көк мультиплекстеу арқылы бір экспозициялық супер-шешілген интерферометриялық микроскопия». Оптика хаттары. 36 (6): 885–887. Бибкод:2011 ж. ... 36..885С. дои:10.1364 / OL.36.000885. PMID  21403717.
• Чан, Вай-Сан; Лам, Эдмунд; Нг, Майкл К .; Мак, Джузеппе Ю. (қыркүйек 2007). «Компьютерлік-көзді бейнелеу жүйесінде супер ажыратымдылықты қалпына келтіру». Көпөлшемді жүйелер және сигналды өңдеу. 18 (2–3): 83–101. дои:10.1007 / s11045-007-0022-3. S2CID  16452552.
• Нг, Майкл К .; Шэнь, Хуанфэн; Лам, Эдмунд Ю .; Чжан, Лянпей (2007). «Сандық бейнеге арналған супер-ажыратымдылықты қайта құру алгоритмінің толық нұсқасын регуляциялау». Сигналды өңдеудегі жетістіктер туралы EURASIP журналы. 2007: 074585. Бибкод:2007EJASP2007..104N. дои:10.1155/2007/74585.
• Глазнер, Д .; Багон, С .; Ирани, М. (қазан 2009). Бір суреттегі супер ажыратымдылық (PDF). Компьютерлік көзқарас бойынша халықаралық конференция (ICCV).; «мысал және нәтижелер».
• Бен-Эзра, М .; Лин, Чжучен; Уилберн, Б .; Чжан, Вэй (шілде 2011). «Пенроуз пикселдері супер ажыратымдылық үшін» (PDF). Үлгіні талдау және машиналық интеллект бойынша IEEE транзакциялары. 33 (7): 1370–1383. CiteSeerX  10.1.1.174.8804. дои:10.1109 / TPAMI.2010.213. PMID  21135446. S2CID  184868.
• Тимофте, Р .; Де Смет, V .; Van Gool, L. (қараша 2014). A +: жылдам супершешім үшін реттелген зәкірлік көршілік регрессия (PDF). Компьютерлік көзқарас бойынша 12-ші Азия конференциясы (ACCV).; «кодтар мен деректер».
• Хуанг, Дж-Б; Сингх, А .; Ахуджа, Н. (маусым 2015). Трансформаланған өзіндік мысалдардан алынған бірыңғай кескіннің супершешімі. IEEE конференциясы - компьютерлік көзқарас және үлгіні тану.; «жоба парағы».
• Кристенсен-Джефри, Т .; COUTURE, O .; ДЭЙТОН, П.А .; ELDAR, YC .; ГЙЙНЕН, К .; КИССЛИНГ, Ф .; Орилли, М .; ПИНТОН, Г.Ф .; ШМИЦ, Г .; TANG, M.-X .; ТАНТЕР, М .; Ван Слоун, Р.Ж.Г. (2020). «Супер ажыратымдылықтағы ультрадыбыстық бейнелеу». Med-да ультрадыбыстық. & Биол. 46 (4): 865–891. дои:10.1016 / j.ultrasmedbio.2019.11.013. PMID  31973952.