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第1章 绪论1

1.1 光学显微镜分辨率极限1

1.2 激光共焦扫描显微镜2

1.3 数字共焦显微技术2

1.4 数字共焦显微技术主要的研究内容3

1.4.1 三维显微图像复原方法4

1.4.2 序列光学切片采集控制技术5

1.5 本书常涉及算法及评价指标6

1.5.1 贝叶斯（Bayes）图像复原迭代法6

1.5.2 图像复原的评价标准7

第2章 三维显微成像的点扩散函数及其对去卷积的影响11

2.1 引言11

2.2 三维显微成像3D-PSF11

2.2.1 3D-PSF的计算11

2.2.2 卷积中3D-PSF的空间大小13

2.2.3 散焦像和光学切片14

2.2.4 去卷积中3D-PSF的空间大小16

2.3 频谱均值16

2.3.1 频谱均值概念的提出16

2.3.2 散焦像和切片图像的评价18

2.4 实验19

2.4.1 光学切片间距的确定19

2.4.2 三维样本光学切片f、3D-PSF和三维切片图像g19

2.4.3 复原及分析19

2.4.4 3D-PSF层数n的确定21

2.5 本章小结22

第3章 基于Markov约束的Bayes三维显微图像复原方法23

3.1 引言23

3.2 基于Markov约束的二维图像Bayes复原算法23

3.2.1 基于Markov约束的泊松-最大后验概率法Poisson-MAP（MPMAP算法）23

3.2.2 基于Markov约束的泊松-最大似然法Poisson-ML（MPML算法）24

3.3 Markov惩罚项中的邻域三维拓展25

3.4 正则化参数α26

3.5 实验28

3.5.1 三维样本f、3D-PSF和三维切片图像g28

3.5.2 三维MAP算法和MPMAP算法复原28

3.5.3 三维ML算法和MPML算法复原31

3.6 实际切片图像的复原33

3.7 分辨率和信噪比的权衡取舍34

3.7.1 实验34

3.7.2 复原图像的定量评价35

3.7.3 结果分析36

3.8 本章小结37

第4章 基于小波变换阈值去噪的三维显微图像复原方法38

4.1 引言38

4.2 小波变换38

4.2.1 小波变换多分辨分析38

4.2.2 小波包分析39

4.3 基于小波变换的阈值化图像去噪方法40

4.3.1 阈值化40

4.3.2 阈值δ的选取40

4.4 小波包阈值去噪三维显微图像复原方法41

4.4.1 小波包阈值去噪复原方法41

4.4.2 小波包阈值去噪复原步骤42

4.5 实验42

4.5.1 三维样本f、3D-PSF和三维光学切片g42

4.5.2 图像复原比较及分析42

4.5.3 实际切片图像的复原44

4.6 本章小结45

第5章 基于噪声灰度差估计三维显微图像超分辨率复原46

5.1 引言46

5.2 噪声灰度差估计46

5.3 噪声灰度差估计的步骤47

5.4 噪声灰度差估计的准确性测试47

5.5 实验与结果分析49

5.6 本章小结50

第6章 去卷积迭代算法迭代次数自动选取51

6.1 最大似然法在图像复原中的应用51

6.1.1 迭代次数与图像复原的关系51

6.1.2 带判断项的最大似然算法52

6.2 实验分析53

6.2.1 仿真图像以及点扩散函数的构建54

6.2.2 图像复原54

6.2.3 图像复原结果分析55

6.2.4 阈值λ的选取56

6.3 本章小结56

第7章 数字共焦显微技术成像分辨率57

7.1 引言57

7.2 生物光学显微镜成像特性57

7.2.1 薄样本成像57

7.2.2 厚样本成像57

7.2.3 厚样本光学切片成像58

7.3 瑞利判据和半峰宽度58

7.4 分辨率评价的两个指标59

7.5 分辨率测量与分析59

7.5.1 仿真厚样本设计59

7.5.2 设计3D-PSF60

7.5.3 计算薄样本和厚样本图像61

7.5.4 去卷积复原61

7.5.5 半峰宽度测定61

7.5.6 分辨率分析63

7.5.7 结论64

7.6 本章小结64

第8章 基于高斯函数假设的图像频谱恢复特性分析方法66

8.1 引言66

8.2 图像的退化模型66

8.3 高斯函数假设分析方法67

8.3.1 高斯函数假设67

8.3.2 分析方法67

8.3.3 极限方差68

8.3.4 方差比68

8.4 实验计算及分析69

8.4.1 约束最小平方滤波法（CLS法）69

8.4.2 最大似然法（PML法）70

8.5 本章小结72

第9章 三维显微成像点扩散函数及其实现73

9.1 3D-PSF73

9.1.1 3D-PSF计算73

9.1.2 Hankel变换74

9.1.3 CCD相关参数的确定75

9.1.4 坐标变换77

9.1.5 3D-PSF归一化77

9.2 软件设计与实现77

9.2.1 3D-PSF软件77

9.2.2 数字共焦显微系统软件79

9.3 本章小结83

第10章 物镜移动下的三维显微图像采集方式84

10.1 系统设计84

10.2 光学系统点扩散函数误差分析84

10.3 三维样本仿真实验87

10.4 本章小结90

第11章 3D-PSF空域大小与图像复原关系91

11.1 3D-PSF径向大小与图像复原的关系91

11.1.1 3D-PSF的结构91

11.1.2 3D-PSF能量分布92

11.1.3 3D-PSF空域大小93

11.1.4 3D-PSF径向大小与图像复原关系93

11.1.5 构造数学模型99

11.1.6 3D-PSF的选取100

11.2 3D-PSF层距与图像复原的关系101

11.2.1 3D-PSF采样定理分析101

11.2.2 3D-PSF不同层距与图像复原关系分析101

11.2.3 仿真实验和结果分析102

11.2.4 结果分析106

11.3 本章小结107

第12章 相同空间大小3D-PSF的层数与图像复原108

12.1 3D-PSF结构108

12.2 卷积中3D-PSF的空间大小109

12.3 3D-PSF采样分析109

12.4 相同空间大小3D-PSF层数确定110

12.5 仿真实验与分析110

12.5.1 三维显微生物样本f，3D-PSF以及三维样本切片图像g110

12.5.2 仿真实验及结果分析111

12.5.3 构造数学关系114

12.5.4 3D-PSF的选取116

12.6 本章小结116

第13章 基于复原效率曲线拐点的3D-PSF空间大小选取方法117

13.1 3D-PSF直径大小对图像复原影响的理论分析117

13.2 图像复原效率及3D-PSF的选取方法118

13.2.1 图像复原效率118

13.2.2 基于图像复原效率的3D-PSF的选取方法118

13.3 实验与分析119

13.3.1 仿真图像和3D-PSF构建119

13.3.2 仿真实验120

13.3.3 曲线拟合121

13.3.4 确定“可选最小空间3D-PSF”121

13.3.5 3D-PSF选取122

13.4 本章小结123

第14章 光学显微成像系统3D-PSF能量分布124

14.1 3D-PSF的实现124

14.2 3D-PSF离散空间点数与真实空间大小的关系125

14.2.1 3D-PSF轴向点数与真实轴向空间大小的关系125

14.2.2 3D-PSF径向点数与真实径向空间大小的关系125

14.3 3D-PSF在空间中的能量分布126

14.3.1 3D-PSF能量比概念的提出126

14.3.2 3D-PSF能量分布理论分析126

14.3.3 仿真实验127

14.3.4 轴向能量与径向能量分布129

14.3.5 3D-PSF能量比空间分布模型134

14.4 本章小结134

第15章 3D-PSF能量分布的选取方法136

15.1 基于能量分布的3D-PSF选取136

15.1.1 3D-PSF的能量分布136

15.1.2 基于能量分布的3D-PSF选取方法136

15.1.3 选取方法的实现137

15.2 基于图像复原效率的3D-PSF140

15.2.1 图像复原效率140

15.2.2 基于图像复原效率的3D-PSF选取141

15.2.3 选取方法的实现142

15.3 两种选取方法的应用与分析144

15.3.1 基于能量分布的3D-PSF选取的应用144

15.3.2 基于图像复原效率的3D-PSF选取的应用146

15.4 本章小结148

第16章 基于区间估计的3D-PSF空间大小选取方法149

16.1 3D-PSF的结构149

16.2 基于区间估计的选取方法150

16.3 仿真实验152

16.4 实验结果分析153

16.5 3D-PSF的选取154

16.5.1 建立选取模型154

16.5.2 选取结果156

16.6 本章小结159

第17章 SIFT算法与3D-PSF空间大小的选取160

17.1 SIFT算法160

17.1.1 SIFT特征检测160

17.1.2 SIFT特征匹配161

17.2 SIFT特征匹配与图像复原关系分析163

17.3 仿真实验163

17.3.1 仿真实验方法164

17.3.2 实验结果与分析164

17.4 选取方法的分析与比较169

17.4.1 两种选取方法分析比较170

17.4.2 与现有方法比较171

17.5 本章小结173

第18章 序列光学切片自动采集方法174

18.1 引言174

18.2 细胞光学切片采集过程174

18.3 清晰度评价函数175

18.4 自动聚焦的实现方法175

18.5 生物细胞的序列切片采集176

18.6 实验结果与分析177

18.6.1 自动聚焦的实验177

18.6.2 阈值η0的验证178

18.6.3 生物细胞序列切片实验178

18.7 本章小结179

第19章 基于数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源研究181

19.1 压电陶瓷驱动电源的设计要求181

19.2 驱动电源工作原理及设计182

19.2.1 高压稳压电源和前级高压稳压电路的设计182

19.2.2 数控电位器的设计184

19.2.3 功率放大电路的设计186

19.2.4 放电回路的设计187

19.3 功率放大电路级联放电回路的仿真分析188

19.3.1 线性度分析188

19.3.2 输出偏移量分析189

19.3.3 动态响应分析189

19.4 驱动电源性能测试190

19.4.1 静态性能测试190

19.4.2 动态响应测试191

19.5 本章小结192

第20章 基于遗传算法的离线优化模糊PID控制算法194

20.1 常规闭环PID控制器194

20.1.1 控制器参数整定194

20.1.2 实验结果与分析195

20.2 模糊PID控制196

20.2.1 模糊PID控制器设计196

20.2.2 隶属度函数与控制规律196

20.2.3 实验结果与分析198

20.3 基于遗传算法的模糊PID控制研究199

20.3.1 基于遗传算法的模糊PID控制思想199

20.3.2 参数离线优化199

20.3.3 实验结果与分析200

20.4 本章小结202

第21章 压电陶瓷物镜驱动器控制系统设计与实现204

21.1 系统结构总体设计方案204

21.2 控制系统组成205

21.2.1 压电陶瓷物镜驱动器205

21.2.2 驱动电源207

21.2.3 微位移传感器209

21.2.4 信号调理电路210

21.2.5 A/D转换电路210

21.2.6 微处理器211

21.3 系统控制流程212

21.4 控制系统各模块测试与分析213

21.4.1 数控电位器测试分析213

21.4.2 微位移传感器测试分析214

21.4.3 A/D转换模块测试分析214

21.5 控制系统整体性能测试与分析215

21.5.1 系统控制过程215

21.5.2 系统测试量215

21.5.3 系统测试结果及分析216

21.6 本章小结218

第22章 基于小功率运放桥式电路的压电物镜控制器驱动电源设计220

22.1 控制器设计指标提出220

22.1.1 控制器设计指标计算涉及的若干公式220

22.1.2 控制器设计指标计算220

22.2 项目组研制的驱动电源问题分析222

22.2.1 高压数控电位器分析测试223

22.2.2 功率放大电路分析测试224

22.2.3 放电回路分析测试225

22.3 压电物镜控制器的驱动电源设计226

22.3.1 压电物镜控制器的组成226

22.3.2 驱动电源类型选择227

22.3.3 放大电路设计227

22.3.4 高压直流源设计230

22.3.5 微控制器及DAC选择231

22.3.6 传感器信号调理模块介绍及ADC选择232

22.4 驱动电源性能测试234

22.4.1 电压输出线性度234

22.4.2 峰值电流236

22.4.3 方波响应237

22.4.4 静态纹波238

22.4.5 频率响应239

22.5 本章小结241

第23章 压电物镜控制器控制算法分析、实验对比及选取242

23.1 项目组研究的控制算法分析242

23.2 压电物镜控制器控制算法研究与分析243

23.2.1 逆Preisach前馈补偿控制算法243

23.2.2 PID闭环控制算法248

23.2.3 逆Preisach前馈补偿结合PID复合控制算法248

23.3 三种控制算法实验比较分析249

23.3.1 逆Preisach前馈补偿控制算法实验分析249

23.3.2 PID闭环控制算法实验分析252

23.3.3 逆Preisach前馈补偿结合PID复合控制算法实验分析253

23.4 PID控制算法控制器实验测试254

23.5 本章小结256

第24章 实验3D-PSF的构建257

24.1 实验点光源制作257

24.2 实验3D-PSF的构建257

24.2.1 荧光微珠光学切片图像采集257

24.2.2 多图像平均259

24.2.3 实验3D-PSF的构建259

24.3 理论3D-PSF的构建260

24.4 图像复原261

24.4.1 对荧光微珠三维切片图像的复原261

24.4.2 对生物荧光组织三维切片显微镜图像的复原261

24.5 本章小结263