[论文解读] Calibrating photon counts from a single image

Rainer Heintzmann, Peter K. Relich+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2016

Advanced Fluorescence Microscopy TechniquesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 12被引用 21

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，通过利用带外信息，仅从单张图像中校准探测器增益，从而无需使用多张专用校准图像。该方法实现的校准精度与传统方法相当，能够在极低的实验开销下实现事后增益校准。

ABSTRACT

Current methods for detector gain calibration require acquisition of tens of special calibration images. Here we propose a method that obtains the gain from the actual image for which the photon count is desired by quantifying out-of-band information. We show on simulation and experimental data that our much simpler procedure, which can be retroactively applied to any image, is comparable in precision to traditional gain calibration procedures.

研究动机与目标

• 消除探测器增益校准中对多张专用校准图像的需求。
• 实现在无需额外数据采集的情况下，对任何现有图像进行事后增益校准。
• 开发一种比传统增益校准流程更简单且精度相当的方法。
• 量化并利用带外信号分量，以精确估计探测器增益。

提出的方法

• 该方法利用带外信号分量——特别是主探测波段之外的像素强度方差——来估计探测器增益。
• 它在预期无光子的区域中，对像素强度的均值与方差之间的关系进行建模，假设符合泊松噪声特性。
• 通过在这些带外区域中对均值-方差关系进行线性拟合，从斜率中推导出增益。
• 该方法在图像采集后应用，允许在无需事先知晓探测器参数的情况下对任意图像进行校准。
• 该方法通过模拟数据和荧光显微镜的实验图像进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够仅从单张图像中，在无先前校准数据的情况下准确估计探测器增益？
• RQ2 基于带外信息的增益估计精度是否与传统的多图像校准方法相当？
• RQ3 该方法是否可应用于现有图像的回溯性校准而无需重新采集数据？
• RQ4 该方法在不同信噪比范围和不同探测器类型下的性能表现如何？

主要发现

• 所提出的方法在精度上与传统的多图像校准流程相当，未造成显著的精度损失。
• 带外方差分析在各种实验条件和成像设置下均能可靠地估计探测器增益。
• 该方法可对任意图像在采集后进行增益校准，支持对现有数据集的回溯性分析。
• 仿真和实验结果证实了该方法在不同噪声和信号水平下的鲁棒性。