1.一种基于深度学习的稠密样本无透镜显微成像装置与方法,其特征在于通过如下技术方案实现:涉及的深度学习无透镜显微成像装置的主体结构包括有光源、散射片、小孔、被测样本、图像传感器和深度学习计算平台,光源设置于散射片上部,距离为1mm;散射片的下部设置有小孔,样本位于小孔正下方,图像传感器设置于样本的正下方,图像传感器与计算机通信连接;具体工作方式如下:光源发出的光经过散射片和小孔后,照射到被测样本上,图像传感器采集了样本的全息图像,并发送至深度学习计算平台,在深度学习计算平台上将全息图像还原为原始样本图像,该方法的优势在于只需要拍摄一张被测稠密样本的全息图,通过深度学习重建算法即可还原被测样本图像;
光源采用部分相干光源或激光相干光源;散射片的散射角在10度以上,图像传感器采用工业相机或智能相机,深度学习计算平台与相机之间可通过网线、光纤等有线方式或wifi、移动网络等无线方式进行连接和数据传输,深度学习计算平台中含有GPU计算卡或专用计算芯片,图像重建方法在深度计算平台中完成和实现;
图像重建方法包括光波角谱反向传播计算模块和深度神经网络模块,光波角谱反向传播计算模块的输入为采集的全息图像,输出为复数图像;深度神经网络模块将复数图像分为实部图像和虚部图像作为输入,而后通过网络处理后给出优化后的实部图像和虚部图像,所述深度神经网络模块包括有卷积神经网络。
2.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的稠密样本无透镜显微成像装置与方法,其特征在于光源选用LED光源,LED光源波长λ为520nm;所用散射片为50°散射角的工程散射片,散射片与LED光源之间间隔为1mm;所用小孔为100微米针孔,小孔紧贴在散射片背部;样本为待观测显微样本,样本与小孔之间间隔为6cm;所用相机为单板工业相机,分辨率为2.2微米,相机与样本之间间隔为z,z在0.2-5mm之间;所用深度学习计算平台为PC计算机,计算机中插入了GPU计算卡,计算机与单板相机之间采用USB3.0进行有线连接;
光波角谱反向传播计算模块中计算了物体P(x,y)经过距离-z的反向传播后所得到的光场,上述传播过程可通过光波近场衍射传播进行描述,可采用菲涅尔卷积法或角谱法等方式进行数值计算,本发明中采用了角谱法进行实现,记物体P(x,y)传播距离z后的光波为E(x',y')=ASP{P(x,y);λ,z},其计算过程如下:步骤一:计算P(x,y)的角谱
步骤二:物体角谱传播距离z,
步骤三:重建出射光波
因此,光波角谱反向传播计算模块的计算形式为E(x',y')=ASP{P(x,y);λ,-z};
深度神经网络的输入将反向传播后的复数数据分解为实部和虚部,并将实部数据和虚部数据作为网络的输入,深度神经网络采用的是全卷积网络,网络经过四组下采样,然后又经过四组上采样,最后恢复出图像,网络的连接顺序依次为输入层、第一卷积层加激活层、第一密集网络块、第一最大池化层、第二密集网络块、第二最大池化层、第三密集网络块、第三最大池化层、第四密集网络块、第四最大池化层、第五密集网络块、第一反卷积层、第一拼接层、第六密集网络块、第二反卷积层、第二拼接层、第七密集网络块、第三反卷积层、第三拼接层、第八密集网络块、第四反卷积层、第四拼接层、第九密集网络块、第二卷积层加激活层和输出层,输出层输出处理后的实部图像和虚部图像,其中密集网络块包括有三层卷积和三层拼接,其顺序为输入、第一层卷积、第一拼接层、第二层卷积、第二拼接层、第三层卷积、第三拼接层。
3.根据权利要求2所述的一种基于深度学习的稠密样本无透镜显微成像装置与方法,其特征在于:深度神经网络的具体建立步骤按照如下方式进行:
S1、利用显微成像装置采集显微样本数据,记为{Oi(x,y)}i=1,…N;
S2、对训练样本数据进行显微数字成像仿真,获得仿真的全息图像,具体步骤如下:
a)选择一张训练样本数据Oi(x,y),采用角谱传播法进行z距离的传播,获得像面光场θi(x′,y′)=ASP{Oi(x,y);λ,z};
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b)模拟图像传感器采集过程,获得全息图像Ii(x′,y′)=|θi(x′,y′)|;
c)重复a)和b)的过程,直到完成生成所有训练样本的全息图像{Ii(x′,y′)}i=1,…NS3、利用光波角谱反向传播计算模块对仿真的全息图像{Ii(x′,y′)}i=1,…N进行反向传播,Ei(x,y)=ASP{Ii(x′,y′);λ,-z},获得反向重建结果{Ei(x,y)}i=1,…N;
S4、将将重建结果{Ei(x,y)}i=1,…N与{Oi(x,y)}i=1,…N进行配对,形成训练样本数据集{Oi(x,y),Ei(x,y)}i=1,…N;
S5、训练样本集按照9:1比例制作成训练集和测试集,训练集用于训练深度神经网络,测试集用于测试深度神经网络;
S6、将训练样本集注入到深度神经网络中,网络训练过程如下:
a)设定误差损失函数为:
式中,Γ(·;α)为所建立的深度神经网络,α为待训练深度神经网络参数;
b)将所述损失函数根据链式求导法则,由后向前逐层求导,然后采用随机梯度下降方法更新深度神经网络参数α;
c)通过反复对深度神经网络参数进行迭代优化,观察训练样本和测试样本的误差损失函数结果,直到能够满足系统的精度为止;
S7、生成得到深度神经网络:
为了验证本发明装置的成像能力,采用了500张显微镜图像作为原始图像,进行了神经网络训练,得到训练损失函数,再得到利用图像传感器采集的绦虫卵全息图像,通过光波角谱反向传播计算模块找到物体所在平面,而后得到物体光场,但是图像中具有大量的伪纹,物体内部很难辨认,将反向传播物体光场的实部和虚部代入到深度神经网络中,经过深度神经网络处理后振幅图像和相位图像中的孪生伪纹被消除,重建图像中被观测目标更加清晰、易辨识。