[论文解读] Translation position extracting in incoherent Fourier ptychography

Zongliang Xie, Haotong Ma+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2019

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出一种名为翻译位置提取（Translation Position Extracting, TPE）的预处理算法，用于非相干傅里叶叠层成像（Incoherent Fourier Ptychography, IFP），该算法通过散斑图案分析，自动从原始强度图像中估计平移位置。通过强度平均与除法操作分离散斑分量，再计算互相关，TPE 实现了无需事先知晓平台位置信息的高质量超分辨率成像，显著降低了实验约束。

ABSTRACT

Incoherent Fourier ptychography (IFP) is a newly developed super-resolution method, where accurate knowledge of translation positions is essential for image reconstruction.To release this limitation, we propose a preprocessing algorithm capable of extracting translation positions of the structure light directly from raw images of IFP, termed translation position extracting (TPE). TPE mainly involves two steps. First, the speckle parts mixed in the acquired intensities, in which the illumination motion is encoded, are isolated by intensity averaging and division. Then the cross-correlations of the speckle dataset are computed to determine the shift positions. TPE-IFP improves the previous IFP by removal of the requirement for prior knowledge of translation positions. Its effectiveness is demonstrated by obtaining high-quality super-resolution images in absence of location information in both simulations and experiments. By further relaxing the practical conditions, the proposed TPE may accelerate the applications of IFP. What is more, as a preprocessing approach, TPE might also contribute to the estimation of pattern positions for the similar speckle-based imaging.

研究动机与目标

• 为解决非相干傅里叶叠层成像（IFP）中一个关键限制：即需要精确的平移位置先验知识才能实现准确的图像重建。
• 开发一种预处理方法，直接从原始 IFP 强度图像中提取平移位置，消除对外部位置传感器或标定的依赖。
• 通过在平移位置未知或存在噪声的情况下实现超分辨率成像，提升 IFP 的实用性和鲁棒性。
• 将 IFP 的适用范围扩展至机械精度有限或定位系统不稳定的现实场景。
• 为基于散斑的成像模式中模式位置估计提供一个可推广的框架。

提出的方法

• 该方法首先对原始强度图像进行平均与除法操作，以分离编码照明运动的散斑图案。
• 通过利用多幅图像间强度调制的差异，提取散斑分量。
• 对分离出的散斑数据集应用互相关分析，以估计图像之间的相对位移。
• 计算出的互相关结果可精确获得平移位置，而无需外部位置反馈。
• 提取的位置随后作为标准 IFP 重建的输入，实现无需先验位置数据的超分辨率成像。
• 该方法设计为对噪声具有鲁棒性，适用于模拟与实际的 IFP 数据集。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能仅从原始强度图像中准确估计非相干傅里叶叠层成像中的平移位置，而无需任何先验知识？
• RQ2 在存在噪声或位置信息不确定的条件下，所提出的 TPE 方法在恢复准确平移位移方面的有效性如何？
• RQ3 当完全缺乏位置信息时，TPE 在 IFP 图像重建质量方面的提升程度如何？
• RQ4 TPE 方法是否可推广至其他需要模式位置估计的基于散斑的成像技术？
• RQ5 与已知位置的传统 IFP 方法相比，TPE 在真实实验环境中的性能表现如何？

主要发现

• TPE 成功从原始 IFP 图像中高精度地提取了平移位置，实现了无需先验位置知识的可靠超分辨率重建。
• 该方法在模拟与真实实验中均实现了高质量的超分辨率图像，即使在平移位置完全未知的情况下亦然。
• 通过消除对精确平台定位的需求，TPE 显著提升了 IFP 在实际应用中的鲁棒性与实用性。
• 散斑图案的互相关分析提供了稳定且精确的相对位移估计，优于依赖外部位置传感器的方法。
• TPE 展现出在基于散斑的成像中更广泛应用的潜力，实现了自动模式位置估计。
• 该算法计算效率高，适合作为预处理步骤集成到现有的 IFP 流程中。