本發明公開一種實現浮游生物三維成像的改進型灰度層析重構方法，包括步驟：獲取記錄了浮游生物全身輪廓信息的全息圖；根據浮游生物的首尾位置確定重建距離范圍，利用角譜重建算法對所述的全息圖進行數值重建，得到多層浮游生物的再現圖像；對所述的再現圖像進行處理，獲得清晰的浮游生物邊緣，并提取每幅再現圖像中的浮游生物區域，得到只含浮游生物的再現圖像；利用等值面法將所述的只含浮游生物的再現圖像中灰度相同的點進行連接，渲染出浮游生物的三維成像。本發明首次利用灰度層析重構法通過一幅全息圖獲得浮游生物的具體的三維形貌和內部結構，而不是許多浮游生物的空間分布，對浮游生物的現場監測具有重要的指導意義。

技術領域

本發明涉及浮游生物的三維成像領域，特別涉及一種實現浮游生物三維成像的改進型灰度層析重構方法。

背景技術

浮游生物泛指生活于水中而缺乏有效移動能力的漂流生物，其中分有浮游植物及浮游動物。部分浮游生物具游動能力，但其游動速度往往比它自身所在的洋流流速來得緩慢，因而不能有效地在水中靈活游動。浮游生物在海洋、湖泊及河川等水域的生物中，自身完全沒有移動能力，或者有也非常弱，因而不能逆水流而動，而是浮在水面生活。

浮游生物的三維成像對了解浮游生物的形態特征和生活習性具有重要的意義?，F有的掃描電子顯微鏡重構法能夠獲得具有很強立體感的高分辨率表面形貌，但樣品的前處理操作復雜、耗時費力，無法得到浮游生物底部的表面形貌，且難以對大尺寸浮游生物(如50-70μm的海洋卡盾藻)進行成像；位相重構法因浮游生物不透明且內部結構復雜難以獲得大尺寸浮游生物的相位分布圖，而對于小尺寸的浮游生物，獲得的相位分布圖只是浮游生物的厚度分布圖，無法正確地反映浮游生物的表面形貌；光學衍射層析重構法通過計算浮游生物的三維折射率分布可以獲得其外部輪廓和內部結構，但需要在1秒鐘獲得上百張不同視角的浮游生物的全息圖，難以拍攝快速游動的浮游生物。又因為浮游生物通過載玻片和蓋玻片夾在高倍顯微物鏡的焦平面上，無法拍攝大尺寸的浮游生物。此外，該方法依賴于浮游生物的相位分布圖，與位相重構法一樣受到浮游生物不透明、內部結構復雜的影響；因此，掃描電子顯微鏡法和光學衍射層析重構法均不適合浮游生物的現場監測。

灰度層析重構法只需要一幅全息圖便能夠獲得目標的三維成像，在粒子的三維空間分布中具有廣泛的應用，2015年美國明尼蘇達大學的Toloui等人的題為“High fidelitydigital inline holographic method for 3D flow measurement”的論文通過該方法獲得了直徑為2μm的SiO₂粒子的空間分布圖。但這種方法尚未用于浮游生物的三維成像，尤其是較大尺寸(10μm)的浮游生物的具體的三維形貌和內部結構成像。實驗發現，將灰度層析重構法應用于浮游生物的三維成像將面臨兩個嚴重的問題：一是浮游生物前半身的輪廓難以分辨，二是再現圖像存在大量的離焦像噪聲。

通過一幅全息圖實現浮游生物的三維成像在浮游生物的現場監測中具有極大的優勢，既簡化了光學系統，降低了成本，也提高了抗外界干擾能力。根據前面對現有的三維重構方法的比較分析，灰度層析重構法符合要求。但灰度層析重構法難以得到浮游生物前半身的輪廓，且離焦像噪聲嚴重，因此有必要研究一種改進型灰度層析重構法，獲得浮游生物全身的輪廓，并有效地抑制離焦像噪聲，從而使浮游生物全身的輪廓清晰，進而實現浮游生物的三維成像。

發明內容

本發明提供了一種實現浮游生物三維成像的改進型灰度層析重構方法，在離焦像抑制算法上，提出了一種再現圖像之間串擾的抑制方法，該方法與三維去卷積方法和非線性擴散方法相結合共同降低再現圖像中的離焦像。最終獲得了浮游生物全身的清晰輪廓，從而獲得了完整、準確的浮游生物的三維圖像。

本發明采用的具體技術方案如下：

一種實現浮游生物三維成像的改進型灰度層析重構方法，包括步驟：

(1)獲取浮游生物全身輪廓信息的全息圖；