TDI-fMOST本地实时图像预处理软件的设计与实现
发布时间：2021-12-31 23:41
显微尺度的全脑成像对于大脑功能研究十分重要。本实验室发展了基于时间延迟积分相机的荧光显微光学切片成像系统（Time delay integration-fluorescence micro-optical sectioning tomography,TDI-fMOST）能在7天左右获取小鼠全脑亚微米分辨率的神经元结构数据。10 TB级的数据总量和GB级的单张冠状面图像使得图像的实时预处理和图像查看难以实现。针对这个问题,本文编写了图像预处理软件,实现了在图像采集同时实时查看图像的功能。在图像数据采集的同时,利用本地工作站的资源进行同步实时处理。由于本地工作站内存、存储及运算资源受限,为了保证数据处理速度不慢于数据采集速度,并生成可直接用于后续图像查看和分析的图像文件,本文从本地图像预处理,TB级大体积图像数据存储格式,以及图像显示等方面进行了设计和实现。首先分析了图像预处理算法和流程,通过内存预分配和减少图像预处理数据量的方式,优化图像预处理算法,在不影响图像矫正效果的前提下减少内存碎片和处理时间。针对TB级全脑图像数据带来的存储空间问题,本文从解压读取速度的角度,选择LZ4无损压缩算...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双通道TDI-fMOST系统采集精细结构展示（图片来源于参考文献[24]）
华中科技大学硕士学位论文12率严格保存同步。2.2TDI-fMOST系统图像预处理流程在采集过程中，受限于光学显微成像系统的视场，在一次成像过程中，并不能完全覆盖成像鼠脑样本区域。需要通过移动三维运动平台，在样本表面的横向、纵向有规律的移动样本，多次进行扫描成像直到整个样本表面扫描完毕。整个样本表面扫描完毕后通过金刚石刀对表面一定厚度（1μm）进行切削，再对下一层进行采集，重复先成像后切削的过程。采集一个完整鼠脑的样本，其原始图像的保存方式如图2.3所示，每个通道约采集一万张单层的冠状面图像，分别以层号的方式保存在对应的文件夹中，每一层冠状面图像被分成几百个图像块，图像块的命名方式为“通道名_层号_扫描条带号_帧数编号”。图2.3TDI-fMOST图像存储示意图：（A）为鼠脑样本三维示意图，（B）和（C）为若干图像块组成的冠状面图像Fig2.3ThestoragepatternofTDI-fMOSTimages:(A)the3Dimagesofmousebrain,(B)and(C)cross-sectionimagescomposedofseveralimageblocks在第一章中已经介绍图像采集过程中的问题，每一个图像块对应当前层冠状面图像的局部信息，并且单独存储为一个图像文件。这样的数据存储形式十分不便于研究人员进行研究，而且在TDI-fMOST系统的成像过程中会出现亮度不均、多通道图像数据不匹配等问题，因此需要对原始图像数据进行图像预处理。具体为通过图
华中科技大学硕士学位论文13像预处理矫正图像数据和生成大体积图像数据存储格式两部分。首先需要对原始图像进行图像预处理，校正TDI-fMOST系统采集过程中产生的问题，并对图像进行拼接，以单张完整冠状面图像的形式存储。然而，单张冠状面图像的存储方式会在数据随机访问时读取大量无用信息，为了实现海量数据的快速随机访问，还需要将冠状面图像经过图像金字塔分块处理，格式化为一种用于大体积图像的数据存储格式。2.2.1图像预处理算法图像预处理算法主要为图像拼接、图像最大值投影、图像降采样、图像亮条纹矫正、多通道图像的配准和图像无损压缩。由于TDI-fMOST系统采集的数据集在10TB级别，工作站中的存储空间不足以支撑连续采集图像数据，需要集中的存储中心来存储。目前图像数据存储在集群中，将TDI-fMOST系统采集到的图像数据实时打包上传到远端集群上进行图像预处理。整个方案的图像预处理流程图如图2.4所示。图2.4TDI-fMOST系统预处理流程图Fig2.4TDI-fMOSTimagepre-processingflowchart
【参考文献】：
期刊论文
[1]并行计算技术与并行算法综述[J]. 胡峰,胡保生. 电脑与信息技术. 1999(05)
博士论文
[1]全脑光学显微成像大数据处理平台的初步构建和应用[D]. 李宇昕.华中科技大学 2018
[2]共聚焦荧光显微光学切片断层成像[D]. 齐晓莉.华中科技大学 2014
[3]双光子荧光显微光学切片断层成像方法与系统研究[D]. 郑廷.华中科技大学 2013
[4]用于绘制高分辨小鼠全脑图谱的断层成像系统研究[D]. 李安安.华中科技大学 2010
硕士论文
[1]TDI-fMOST鼠脑图集神经元轴突投射脑区定位的软件初步开发[D]. 苏雷.华中科技大学 2017
[2]TDI-fMOST系统的图像预处理方法研究[D]. 贾瑶.华中科技大学 2017
[3]三通道线扫描荧光成像设计与实现[D]. 尚振华.华中科技大学 2015
[4]结构光显微镜连续断层图像预处理方法研究[D]. 刘杰鹏.华中科技大学 2015
[5]显微光学切片断层图像预处理方法研究[D]. 丁文祥.华中科技大学 2013
本文编号：3561205
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双通道TDI-fMOST系统采集精细结构展示（图片来源于参考文献[24]）
华中科技大学硕士学位论文12率严格保存同步。2.2TDI-fMOST系统图像预处理流程在采集过程中，受限于光学显微成像系统的视场，在一次成像过程中，并不能完全覆盖成像鼠脑样本区域。需要通过移动三维运动平台，在样本表面的横向、纵向有规律的移动样本，多次进行扫描成像直到整个样本表面扫描完毕。整个样本表面扫描完毕后通过金刚石刀对表面一定厚度（1μm）进行切削，再对下一层进行采集，重复先成像后切削的过程。采集一个完整鼠脑的样本，其原始图像的保存方式如图2.3所示，每个通道约采集一万张单层的冠状面图像，分别以层号的方式保存在对应的文件夹中，每一层冠状面图像被分成几百个图像块，图像块的命名方式为“通道名_层号_扫描条带号_帧数编号”。图2.3TDI-fMOST图像存储示意图：（A）为鼠脑样本三维示意图，（B）和（C）为若干图像块组成的冠状面图像Fig2.3ThestoragepatternofTDI-fMOSTimages:(A)the3Dimagesofmousebrain,(B)and(C)cross-sectionimagescomposedofseveralimageblocks在第一章中已经介绍图像采集过程中的问题，每一个图像块对应当前层冠状面图像的局部信息，并且单独存储为一个图像文件。这样的数据存储形式十分不便于研究人员进行研究，而且在TDI-fMOST系统的成像过程中会出现亮度不均、多通道图像数据不匹配等问题，因此需要对原始图像数据进行图像预处理。具体为通过图
华中科技大学硕士学位论文13像预处理矫正图像数据和生成大体积图像数据存储格式两部分。首先需要对原始图像进行图像预处理，校正TDI-fMOST系统采集过程中产生的问题，并对图像进行拼接，以单张完整冠状面图像的形式存储。然而，单张冠状面图像的存储方式会在数据随机访问时读取大量无用信息，为了实现海量数据的快速随机访问，还需要将冠状面图像经过图像金字塔分块处理，格式化为一种用于大体积图像的数据存储格式。2.2.1图像预处理算法图像预处理算法主要为图像拼接、图像最大值投影、图像降采样、图像亮条纹矫正、多通道图像的配准和图像无损压缩。由于TDI-fMOST系统采集的数据集在10TB级别，工作站中的存储空间不足以支撑连续采集图像数据，需要集中的存储中心来存储。目前图像数据存储在集群中，将TDI-fMOST系统采集到的图像数据实时打包上传到远端集群上进行图像预处理。整个方案的图像预处理流程图如图2.4所示。图2.4TDI-fMOST系统预处理流程图Fig2.4TDI-fMOSTimagepre-processingflowchart
【参考文献】：
期刊论文
[1]并行计算技术与并行算法综述[J]. 胡峰,胡保生. 电脑与信息技术. 1999(05)
博士论文
[1]全脑光学显微成像大数据处理平台的初步构建和应用[D]. 李宇昕.华中科技大学 2018
[2]共聚焦荧光显微光学切片断层成像[D]. 齐晓莉.华中科技大学 2014
[3]双光子荧光显微光学切片断层成像方法与系统研究[D]. 郑廷.华中科技大学 2013
[4]用于绘制高分辨小鼠全脑图谱的断层成像系统研究[D]. 李安安.华中科技大学 2010
硕士论文
[1]TDI-fMOST鼠脑图集神经元轴突投射脑区定位的软件初步开发[D]. 苏雷.华中科技大学 2017
[2]TDI-fMOST系统的图像预处理方法研究[D]. 贾瑶.华中科技大学 2017
[3]三通道线扫描荧光成像设计与实现[D]. 尚振华.华中科技大学 2015
[4]结构光显微镜连续断层图像预处理方法研究[D]. 刘杰鹏.华中科技大学 2015
[5]显微光学切片断层图像预处理方法研究[D]. 丁文祥.华中科技大学 2013
本文编号：3561205
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