一种基于虚拟相移的单曝光微分干涉定量成像方法

本发明涉及光学成像与人工智能，具体涉及一种基于虚拟相移的单曝光微分干涉定量成像方法。

背景技术：

1、微分干涉相衬显微术是一种基于偏振光剪切干涉的相位成像技术，能够将样品相位梯度编码为强度变化，从而实现对透明或半透明样品的高对比度成像。由于具有非接触式、高对比度、高分辨率以及光学层析能力等优点，该方法已成为研究细胞形态和细胞内结构的有效手段。该技术的核心优势在于，dic显微镜对微小的相位梯度非常敏感，能够观察亚分辨率物体，例如亚细胞细胞器以及数十至数百纳米颗粒的运动。

2、然而，传统的dic显微术主要用于细胞的定性观测，若要实现定量相位成像，则需结合相移干涉技术。现有的相移干涉技术主要分为机械相移法和电控相移法两类。机械相移法，如诺马斯基棱镜移动或波片旋转，虽然原理直接，但依赖精密机械调节，容易受到结构精度和稳定性的限制，引入较大的相移误差。电控相移法，如基于空间光调制器的方法，能够突破机械调节引入相移误差的限制，但其系统复杂度较高，设备成本昂贵。采用液晶可变延迟器虽然可实现dic显微镜的相移，但由于液晶分子对温度和入射光方向高度敏感，相移精度极易受到环境干扰。此外，上述方法用于求解相位的固定步长相移算法通常需要至少三幅指定相移量的干涉图，这意味着至少需要三次曝光或三次相移动作，不仅降低了时间分辨率，而且在运动场景下无法实现动态定量成像。

3、因此，现有技术中存在以下核心问题：实现dic定量相位成像需要在不同相移量下获取多幅干涉图，而多次曝光或机械/电控相移过程从根本上限制了成像的时间分辨率和系统稳定性，使得该方法难以应用于动态生物过程的实时观测。

技术实现思路

1、为了解决上述核心技术问题，本发明提供了一种基于虚拟相移的单曝光微分干涉定量成像方法，包括：

2、获取初始相移微分干涉相衬干涉图；

3、将初始相移微分干涉相衬干涉图输入至训练好的虚拟相移生成网络，通过虚拟相移生成网络的单编码器从初始相移微分干涉相衬干涉图中提取共享底层特征，并通过虚拟相移生成网络的至少两个独立解码器分别基于共享底层特征，同时生成至少两幅不同指定相移量的虚拟微分干涉相衬干涉图；

4、利用初始相移微分干涉相衬干涉图和至少两幅不同指定相移量的虚拟微分干涉相衬干涉图，通过多步相移算法重建样品的微分相位；

5、其中，虚拟相移生成网络的解码器包含特征变换模块，特征变换模块用于通过可学习的激活函数对输入特征进行非线性映射，以建模不同相移量之间的映射关系。

6、上述技术方案的技术效果在于：通过构建具有单编码器-多解码器结构的虚拟相移生成网络，将传统光学系统中需要物理实现的多次相移动作，转化为一次神经网络的前向推理过程。单编码器负责从原始干涉图中提取通用、底层的图像特征，多个独立解码器则分别学习从该通用特征到各特定相移干涉图的差异化映射。这种共享底层特征、分离差异化映射的设计，既避免了为每种相移量单独训练或部署网络的资源开销，又防止了单一网络同时输出多个相移量时可能产生的任务冲突，确保了多幅虚拟干涉图在结构信息上的一致性。更重要的是，特征变换模块中引入的可学习激活函数，替代了传统神经网络中固定形式的激活函数（如relu、sigmoid），使得网络能够根据数据自适应地学习最优的非线性映射函数形式，对于相移干涉图中由干涉公式决定的复杂、全局非线性光强重分布具有更强的拟合能力和更高的参数效率。最终，通过将单幅真实干涉图与网络生成的多幅虚拟干涉图组合，获得了多步相移算法所需的全部输入，从而实现了单曝光高精度微分相位重建，显著提升了定量dic成像的时间分辨率和系统稳定性。

7、在一些实施方式中，虚拟相移生成网络的训练过程包括：

8、构建训练数据集，训练数据集中的每组数据包括一幅初始相移微分干涉相衬干涉图，以及与其对应的至少两幅不同指定相移量的真实微分干涉相衬干涉图；

9、将初始相移微分干涉相衬干涉图作为虚拟相移生成网络的输入，将至少两幅不同指定相移量的真实微分干涉相衬干涉图作为监督标签，计算损失函数的值，并通过反向传播更新网络参数；

10、其中，损失函数包括相位一致性损失项，相位一致性损失项基于根据网络输出的虚拟微分干涉相衬干涉图与初始相移微分干涉相衬干涉图通过多步相移算法重建的微分相位，与微分相位真值之间的差异构建。

11、该实施方式的技术效果在于：在损失函数中引入相位一致性损失项，其核心作用在于将网络的优化目标从图像层面的像素相似度，提升至物理量层面的相位保真度。传统图像生成网络通常仅以生成图像与真实图像之间的逐像素差异（如均方误差）作为监督信号，这种方式只能保证图像“看起来像”，却无法保证两幅图像所承载的物理信息（即微分相位）的一致性。本实施方式将相移算法重建出的微分相位作为监督信号的来源，使得网络参数更新的方向直接与最终需求——微分相位重建精度——对齐，从而引导网络学习到真正符合物理规律的跨相移映射关系。

12、在一些实施方式中，微分相位真值根据初始相移微分干涉相衬干涉图与至少两幅不同指定相移量的真实微分干涉相衬干涉图，通过多步相移算法计算得到。该实施方式利用真实采集的多幅干涉图计算微分相位真值，确保了监督信号的准确性。

13、在一些实施方式中，构建训练数据集包括：

14、通过相移量同步测定装置，同步采集样品的初始相移微分干涉相衬干涉图和用于记录载频干涉条纹的载频条纹图；

15、从载频条纹图中提取相移量信息，以对初始相移微分干涉相衬干涉图和真实微分干涉相衬干涉图进行相移量标注。

16、该实施方式通过相移量同步测定装置，从载频干涉条纹中实时解算相移器的真实相移量，作为干涉图的精确标注，从而显著降低了液晶可变延迟器等相移器件的非线性与迟滞引入的相移误差，为神经网络训练提供了高精度、高可靠性的监督数据。

17、在一些实施方式中，从载频条纹图中提取相移量信息，包括：采用交替迭代最小二乘算法，从载频条纹图序列中同时解算相位分布与各帧的真实相移量。该实施方式提供了一种具体的、可在未知相移量条件下工作的相移量提取算法。

18、在一些实施方式中，特征变换模块为基于kan网络层的模块，可学习的激活函数为可学习的一维样条函数。kan网络层以样条函数参数化学习连接边上的激活函数形态，将激活函数从固定的标量非线性变换，转变为可根据数据自适应调整的函数空间，特别适用于建模dic干涉图随相移量变化的复杂映射关系。

19、在一些实施方式中，一维样条函数为三次b样条函数。三次b样条具有良好的光滑性和局部支撑性，在保证函数拟合能力的同时，数值计算的稳定性较高。

20、在一些实施方式中，单编码器与至少两个独立解码器构成u形网络拓扑，单编码器通过逐级下采样提取多尺度特征，至少两个独立解码器通过逐级上采样恢复图像分辨率，且单编码器的各级特征图通过跳跃连接与至少两个独立解码器中对应尺度的特征图进行拼接。u形拓扑配合跳跃连接，能够将编码器浅层的高分辨率、细节丰富的特征图直接传递给解码器对应层级，使解码器在上采样过程中有效恢复dic干涉图中的浮雕状边缘、细胞器边界等高频细节信息，避免仅依靠深层语义特征重建时细节丢失的问题。

21、在一些实施方式中，损失函数还包括总变分正则化项，用于约束虚拟微分干涉相衬干涉图的空间平滑性和边缘保持度。总变分正则化通过在损失函数中惩罚相邻像素间过大的强度变化，能够有效抑制网络生成图像中的高频伪影和随机噪声，同时在一定程度上保留真实的边缘结构，提升网络输出的视觉质量和后续相位重建的精度。

22、在一些实施方式中，至少两幅不同指定相移量的虚拟微分干涉相衬干涉图包括：相移量为2π/3的虚拟微分干涉相衬干涉图和相移量为4π/3的虚拟微分干涉相衬干涉图。选择2π/3作为相移步长，可配合三步相移算法进行微分相位解算，该步长在相移干涉测量中具有良好的信噪比和数学简洁性。

23、在一些实施方式中，虚拟相移生成网络的训练过程使用adam优化器，并采用多步调整策略动态调整学习率。adam优化器结合了动量法和自适应学习率的优点，收敛速度快且对大范围参数空间具有良好的适应性；多步调整策略在训练的特定阶段降低学习率，有助于网络在训练后期精细收敛至更优的局部极小值。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、通过构建单编码器-多解码器结构的虚拟相移生成网络，将多幅相移干涉图的获取过程从多次物理曝光或机械调节压缩为单次曝光加单次网络推理，突破了传统相移干涉技术中时间分辨率受限于相移动作次数的瓶颈。成像过程中只需采集一幅初始干涉图，其余所需相移量的干涉图由网络在一次前向推理时间内同步生成，在线推理阶段仅需单次曝光，训练阶段为离线过程、不影响在线单曝光成像。

26、采用共享编码器加独立解码器的网络拓扑，多个解码器共享由编码器提取的底层图像特征，各自独立学习输出不同相移量的干涉图。这一设计避免了对不同相移量目标分别部署完全独立网络造成的参数冗余，同时解除了单解码器同时预测多目标时的任务耦合干扰，确保了生成的多幅虚拟干涉图在共享结构特征上的一致性。

27、在解码器中引入基于可学习激活函数的特征变换模块，利用样条函数等可学习的非线性函数替代传统的固定激活函数。可学习激活函数的函数形态由数据驱动自适应调整，对相移引起的整幅干涉图光强非线性重分布具有更强的表达能力和更高的参数效率，是网络能够从单幅干涉图中精确解耦并重建不同相移量干涉图的核心技术要素。

28、损失函数中引入相位一致性损失项，将监督信号从图像像素空间提升至物理相位空间，使网络优化目标与实际应用需求——微分相位的精确重建——直接对齐。这一端到端的面向任务的优化机制，使得网络输出的虚拟干涉图在经多步相移算法计算后，能够重建出带有真实样品物理信息的高精度微分相位，而非仅追求图像外观的相似性。

29、成像时仅需单次曝光采集一幅初始干涉图，相移动作全部由软件虚拟实现，无需在成像过程中控制液晶可变延迟器驱动电压变化或驱动机械部件运动。这一特性不仅消除了相移器响应时间对成像速度的限制、避免了机械振动和环境温度变化对相移精度的影响，还简化了系统控制流程，降低了硬件成本和运维复杂度。