MRT Richardson–Lucy Algorithm With Total Variation Regularization for 3D Confocal Microscope De

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普林斯顿算法

普林斯顿算法

普林斯顿算法
普林斯顿算法是一种用于解决最短路径问题的一种经典算法,也称为迪杰斯特拉算法。

它是一种贪婪算法,逐步构建最短路径树,从起始节点开始,依次选择与当前节点距离最近的节点,并更新该节点到其他节点的距离。

通过不断选择最短路径上的节点,最终得到起点到各个节点的最短路径。

普林斯顿算法的基本步骤如下:
1. 创建一个距离列表distances,用于保存起始节点到各个节点的最短距离,初始值为无穷大(表示未知路径)。

2. 创建一个前驱列表predecessors,用于保存路径上每个节点
的前驱节点,初始值为None。

3. 将起始节点的距离设置为0,即distances[start_node] = 0。

4. 选择距离最短且未被访问的节点作为当前节点。

5. 更新当前节点到邻居节点的距离,如果新的距离比原来的距离小,则更新距离和前驱节点。

6. 标记当前节点为已访问。

7. 重复步骤4-6直到所有节点都被访问。

8. 根据distances和predecessors构建最短路径。

普林斯顿算法的时间复杂度为O(V^2),其中V为节点数。


适用于处理节点数不太大的图,但在节点数非常大时,性能可能较差。

为了提高效率,还有一种优化的算法称为堆优化的迪杰斯特拉算法,它使用优先队列来选择最短距离的节点,使得时间复杂度降为O((V+E)logV),其中E为边数。

richardson 公式

richardson 公式

richardson 公式摘要:Richardson 公式概述及应用场景1.Richardson 公式简介2.公式推导与含义3.应用场景及实例4.与其他预测模型对比5.局限性与改进方向正文:Richardson 公式是一种用于预测随机变量大于等于某个阈值概率的统计模型。

该公式在概率论、统计学以及各种实际应用领域中具有广泛的应用。

本文将对Richardson 公式进行详细介绍,包括其推导、含义、应用场景以及局限性与改进方向。

1.Richardson 公式简介Richardson 公式,又称Richardson 插值公式,是由英国数学家Lewis Fry Richardson 在1910 年提出的。

公式如下:P(X ≥ k) = 1 / (1 + b * (log(k) - log(θ)))其中,P(X ≥ k) 表示随机变量X 大于等于k 的概率;k 为阈值;θ 为最小概率,即P(X ≥ θ) = 1;b 为比例系数,可通过拟合数据求得。

2.公式推导与含义Richardson 公式的推导过程较为复杂,这里不再详细展开。

但从公式中可以看出,它与logistic 函数有一定的相似性。

logistic 函数常用于概率论中的Sigmoid 函数,用于描述随机变量在某个阈值附近的概率变化。

Richardson 公式则将这种概率变化推广到了任意阈值上,从而可以用于预测随机变量大于等于某个阈值的概率。

3.应用场景及实例Richardson 公式在许多领域都有广泛的应用,如气象学、生物学、金融学等。

以下举一个气象学的实例:假设我们想要预测某地区未来一周内降雨的概率。

我们可以先收集历史数据,计算出各种降雨阈值(如1mm、5mm、10mm 等)对应的降雨概率。

然后利用Richardson 公式,根据当前气象数据预测未来一周内各种降雨阈值的概率。

4.与其他预测模型对比Richardson 公式具有一定的局限性,如对数据质量要求较高,预测精度受限等。

Introduction_to_Algorithms

Introduction_to_Algorithms

和式的界
思考题 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
第一部分 基础知识
2 在学习本篇的内容时,我们建议读者不必一次将这些数学内容全部消化。先浏览 一下这部分的各章,看看它们包含哪些内容,然后直接去读集中谈算法的章节。在阅 读这些章节时,如果需要对算法分析中所用到的数学工具有个更好的理解的话,再回 过头来看这部分。当然,读者也可顺序地学习这几章,以便很好地掌握有关的数学技 巧。 本篇各章的内容安排如下: • 第一章介绍本书将用到的算法分析和设计的框架。 • 第二章精确定义了几种渐近记号,其目的是使读者采用的记号与本书中的一致, 而不在于向读者介绍新的数学概念。 • 第三章给出了对和式求值和限界的方法,这在算法分析中是常常会遇到的。 • 第四章将给出求解递归式的几种方法。我们已在第一章中用这些方法分析了合并 排序,后面还将多次用到它们。一种有效的技术是“主方法”,它可被用来解决 分治算法中出现的递归式。第四章的大部分内容花在证明主方法的正确性,读者 若不感兴趣可以略过。 • 第五章包含了有关集合、关系、函数、图和树的基本定义和记号。这一章还给出 了这些数学对象的一些基本性质。如果读者已学过离散数学课程,则可以略过这 部分内容。 • 第六章首先介绍计数的基本原则,即排列和组合等内容。这一章的其余部分包含 基本概率的定义和性质。
求和公式和性质 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 线性性质 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 算术级数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 几何级数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 调和级数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 积分级数与微分级数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 套迭级数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 积 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 数学归纳法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 对项的限界 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 分解和式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 积分近似公式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

数学物理方法外国教材译本

数学物理方法外国教材译本

数学物理方法外国教材译本
以下是一些常见的数学物理方法外国教材的译本:
1. "Mathematical Methods in the Physical Sciences" by Mary L. Boas (《物理科学中的数学方法》)
2. "Mathematical Methods for Physicists" by George B. Arfken and Hans J. Weber (《物理学家的数学方法》)
3. "Mathematical Physics" by Robert G. Brown (《数学物理学》)
4. "Advanced Mathematical Methods for Scientists and Engineers" by Carl M. Bender and Steven A. Orszag (《科学家和工程师的
高级数学方法》)
5. "Mathematical Methods for Physics and Engineering" by Ken Riley, Michael Hobson, and Stephen Bence (《物理学和工程学
的数学方法》)
这些译本提供了对数学物理方法的详细解释和应用示例,适合学习者从初级到高级的阶段使用。

这些教材通常包含了大量的数学理论和技巧,以及与物理相结合的具体应用。

基于Richardson-Lucy的图像去模糊新算法

基于Richardson-Lucy的图像去模糊新算法
ZH AO Bo ZH ANG e he g, NG u n No e m a e e l r i a g r t , W ns n DI H a . v l i g d b u rng l o ihm s d n ba e o Ri h r s n Lu y Co p t r c a do - c. m ue
M a p a tr ae ic sdI c o ss e sn be aa ees o c iv te bet e u . p r na rs l d mo t e p a mees r dsuse . h o e ra o a l p m tr t ah e e h s r t r r sRs Ex e me tl e ut e ns a i s r t
n tb e i r v me t r n iy b u r d i a e sn h s meh d o a l mp o e n s f o s lr e m g s u i g t i t o . o
Ke r s mae rs rt n d bur g R c ado —u y R y wo d :i g et a o ;elri ; ih rsnL c ( L)a o tm; a a o i n l rh G i M p gi n
铃 效应的有效性 , 同时它很好地保 留了图像 细节 , 对含有 噪声的模 糊 图像也有很好 的复原效果 。 关键 词 : 图像 复原 ; 去模糊 ; i ado . uy R 算法; Rc rsnL c ( L) h 增益 图 DOI1 . 7  ̄i n1 0 .3 1 0 1 4 0 文章编号 :0 28 3 (0 1 3 .0 10 文献标识码 : 中图分类号 :P 9 . :03 8 .s . 28 3 . 1. . 1 7 s 0 2 30 1 0 .3 12 1 )40 0 .4 A T 31 4

计算思维与实用技术

计算思维与实用技术

计算思维与实用技术
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《计算思维与实用技术》属于计算机类专业教科书,主要介绍使用计算机科学解决实际问题的技术和思想。

该书由美国斯坦福大学计算机科学教授及机器学习专家Charles Isbell和Michael Littman编写,它涵盖了先进的计算机技术、算法,以及利用搜索引擎,谷歌等分析数据的实用方法,旨在帮助技术从业者以及学习者更好地运用计算机科学来逐步解决实际问题。

本书的宗旨就是帮助技术从业者和学习者更好地利用计算机科
学来解决实际问题。

本书主要涵盖了三大板块:概念和原理、日常技术和高级技术。

在概念和原理方面,书中概括性介绍了现代计算机技术的基础知识,涉及加密技术、机器学习、搜索引擎等技术;日常技术部分介绍计算机实用编程语言和开发工具,编程模式,数据挖掘等技术;高级技术部分介绍面向网络的服务器架构,以及大数据处理和机器学习与深度学习等技术。

此外,本书还涉及实际技术实践的内容,帮助读者更好地理解和实践实用技术的思想,从而提升学习者实际运用计算机科学解决各类问题的能力和技术水平。

- 1 -。

牛顿法

牛顿法

牛顿法(英文:Newton's method),又称为牛顿-拉夫森法(英文:Newton-Raphson method),是一种求解实数域和复数域方程的近似方法。

方法用泰勒级数的前几项求方程的根。

起源牛顿法最初由艾萨克·牛顿在《流数法》(Method of Fluxions,1671年完成,在牛顿去世后的1736年公开发表)中提出。

约瑟夫·鲍易也曾于1690年在Analysis Aequationum中提出此方法。

求解最值问题牛顿法也被用于求函数的极值。

由于函数取极值的点处的导数值为零,故可用牛顿法求导函数的零点牛顿法不仅可以用来求解函数的极值问题,还可以用来求解方程的根,二者在本质上是一个问题,因为求解函数极值的思路是寻找导数为0的点,这就是求解方程。

在本文中,我们介绍的是求解函数极值的牛顿法。

在SIGAI之前关于最优方法的系列文章“理解梯度下降法”,“理解凸优化”中,我们介绍了最优化的基本概念和原理,以及迭代法的思想,如果对这些概念还不清楚,请先阅读这两篇文章。

和梯度下降法一样,牛顿法也是寻找导数为0的点,同样是一种迭代法。

核心思想是在某点处用二次函数来近似目标函数,得到导数为0的方程,求解该方程,得到下一个迭代点。

因为是用二次函数近似,因此可能会有误差,需要反复这样迭代,直到到达导数为0的点处。

下面我们开始具体的推导,先考虑一元函数的情况,然后推广到多元函数。

算法的完整流程为:1.给定优化变量的初始值和精度阈值ε,令,2.确定搜索方向3.搜索得到步长4.如果,则迭代结束5.计算6.计算7.,返回步骤2每一步迭代需要计算nxn的矩阵,当n很大时,存储该矩阵非常耗费内存。

为此提出了改进方案L-BFGS,其思想是不存储完整的矩阵,只存储向量.。

基于Lucy-Richardson算法图像复原

基于Lucy-Richardson算法图像复原

实景图像的复原处理一、设计意义和目的意义:图像复原是数字图像处理中的一个重要课题。

它的主要目的是改善给定的图像质量并尽可能恢复原图像。

图像在形成、传输和记录过程中,受多种因素的影响,图像的质量都会有不同程度的下降,典型的表现有图像模糊、失真、有噪声等,这一质量下降的过程称为图像的退化。

图像复原的目的就是尽可能恢复被退化图像的本来面目。

在成像系统中,引起图像退化的原因很多。

例如,成像系统的散焦,成像设备与物体的相对运动,成像器材的固有缺陷以及外部干扰等。

成像目标物体的运动,在摄像后所形成的运动模糊。

当人们拍摄照片时,由于手持照相机的抖动,结果像片上的景物是一个模糊的图像。

由于成像系统的光散射而导致图像的模糊。

又如传感器特性的非线性,光学系统的像差,以致在成像后与原来景物发生了不一致的现象,称为畸变。

再加上多种环境因素,在成像后造成噪声干扰。

人类的视觉系统对于噪声的敏感程度要高于听觉系统,在声音传播中的噪声虽然降低了质量,但时常是感觉不到的。

但景物图像的噪声即使很小都很容易被敏锐的视觉系统所感知。

图像复原的过程就是为了还原图像的本来面目,即由退化了的图像恢复到能够真实反映景物的图像。

目的:图像复原的目的也是改善图像的质量。

图像复原可以看作图像退化的逆过程,是将图像退化的过程加以估计,建立退化的数学模型后,补偿退化过程造成的失真,以便获得未经干扰退化的原始图像或图像的最优估计值,从而改善图像质量。

图像复原是建立在退化的数学模型基础上的,且图像复原是寻求在一定优化准则下的原始图像的最优估计,因此,不同的优化准则会获得不同的图像复原,图像复原结果的好坏通常是按照一个规定的客观准则来评价的,因此,建立图像恢复的反向过程的数学模型和确定导致图像退化的点扩散函数,就是图像复原的主要任务。

二、设计原理1.图像的退化数字图像在获取过程中,由于光学系统的像差、光学成像衍射、成像系统的非线性畸变、成像过程的相对运动、环境随机噪声等原因,图像会产生一定程度的退化。

richardson-lucy 公式

richardson-lucy 公式

Richardson-Lucy 公式,又称为最小均方重建算法(Richardson-Lucy algorithm),是一种在图像处理中常用的盲复原算法。

1. 背景介绍图像复原是数字图像处理领域中的重要问题之一,指的是从经过退化的图像中还原出原始图像的过程。

图像退化是指由于光学系统、摄像机传感器等原因所导致的图像质量下降,如模糊、噪声等。

盲复原则是指在不知道图像退化过程的情况下进行图像复原。

Richardson-Lucy 公式便是这一领域中被广泛应用的一种方法。

2. 算法原理Richardson-Lucy 公式是一种迭代算法,通过不断迭代更新图像的估计值,使其逐渐逼近原始图像。

其数学表达式如下:\[ \hat{f}^{(k+1)}(x) = \hat{f}^{(k)}(x) \cdot \frac{\sum_{y}\frac{g(y)}{\hat{f}^{(k)}(y)} \cdot h(x-y)}{\sum_{z}\frac{g(z)}{\hat{f}^{(k)}(z)} \cdot \sum_{y}h(z-y)} \]其中,\( \hat{f}^{(k)}(x) \) 是第 k 次迭代后的图像估计值,g(x) 和h(x) 分别代表原始退化图像和点扩展函数,x 为图像的像素坐标。

3. 算法流程Richardson-Lucy 公式的算法流程如下:- 初始化:将估计值\( \hat{f}^{(0)} \)设为退化图像g,设定迭代次数k和收敛阈值ε;- 迭代更新:根据公式进行 k 次迭代更新,直到满足收敛条件;- 输出结果:输出最终估计值\( \hat{f}^{(k)} \)作为复原图像。

4. 算法特点Richardson-Lucy 公式作为盲复原算法,具有以下特点:- 优点:适用于多种图像退化模型,鲁棒性较好,能够有效抑制噪声;- 缺点:对退化过程的要求较高,需要事先对图像退化过程进行建模。

5. 应用领域Richardson-Lucy 公式广泛应用于天文学、医学影像等领域。

国外计算机科学教材系列

国外计算机科学教材系列

国外计算机科学教材系列有很多,这里列举一些广泛使用和备受推崇的系列教材,它们涵盖了计算机科学的各个领域和层次:1. **《计算机科学导论》系列**(Introduction to Computer Science Series):- 作者:Thomas H. Cormen、Charles E. Leiserson、Ronald L. Rivest、Clifford Stein - 描述:这个系列主要以《算法导论》(Introduction to Algorithms)为代表,是计算机科学领域的经典之一,涵盖了算法、数据结构、计算复杂性等核心概念。

2. **《计算机组成与设计》系列**(Computer Organization and Design Series):- 作者:David A. Patterson、John L. Hennessy- 描述:该系列包括了多个版本的教材,覆盖了计算机体系结构、数字逻辑、指令集架构等内容,适用于硬件和低级编程领域的学习。

3. **《人工智能:一种现代方法》系列**(Artificial Intelligence: A Modern Approach Series):- 作者:Stuart Russell、Peter Norvig- 描述:这个系列的核心书籍是《人工智能:一种现代方法》(Artificial Intelligence:A Modern Approach),涵盖了人工智能的基本概念、算法和方法。

4. **《计算机图形学》系列**(Computer Graphics Series):- 作者:James D. Foley、Andries van Dam、Steven K. Feiner、John F. Hughes - 描述:这个系列包括了多个版本的教材,涵盖了计算机图形学的基本原理、算法和技术。

5. **《操作系统概念》系列**(Operating System Concepts Series):- 作者:Abraham Silberschatz、Peter B. Galvin、Greg Gagne- 描述:该系列教材介绍了操作系统的基本概念、设计和实现,是操作系统课程的经典教材之一。

基于Lucy-Richardson算法的图像复原

基于Lucy-Richardson算法的图像复原
a g rt m. e p o e i ol e v a r g lr meho o e a a i g t e i u ln ie i t e o i n l LR t r tv r c s n n u s mp e lo i h Th r blm s s v d i e u a t d f r s p r tn he r sd a o s n h r gi a i a i e p o e s a d No s b a ld e
C n o r t rn fr NS T d man lc l e h o h o or l ind n i n to . o aaiee p r na r s l h w teag r h a o t ul a s m( C ) o i o a n i b r o dc r a o e os gme d C mp rt x ei tl e ut s o lo i m c n eT o g et i h v me s h t
[ sr c]A nw u yRi ad o( R ma ers rt nag rh spo oe oaodten i mpict npo l o eoiia L Abtat e L c — c rsnL )i g et ai loi m i rp sdt v i h os a l ai rbe fh r nl R h o o t e i f o m t g
用 不 同的 复 原策 略 。根 据 小 波 变换 域采 用 的复 原 策 略 不 同 , 小 波 域 图 像 复 原 又 分 为 小 波 域 迭代 正 则 化 图像 复 原 方法 l和 J
过程 中的噪声残差 ,并采用非下采样 轮廓波变换域局部邻域相关性 方法对 噪声进行处理 ,从而弥补原 L R算法噪声存在的缺 陷。对 比实验 结果表 明,该算法复原视觉效果 良好。

牛顿拉夫逊迭代法极坐标潮流计算java程序

牛顿拉夫逊迭代法极坐标潮流计算java程序

牛顿拉夫逊迭代法极坐标潮流计算java程序牛顿拉夫逊迭代法极坐标潮流计算Java程序近年来,随着能源领域的快速发展,潮流计算在电力系统分析中变得尤为重要。

在电力系统中,潮流计算是一种用于计算电网各个节点上的电压相角和功率的方法,可用于解决电网稳定性、潮流控制和经济调度等问题。

而牛顿拉夫逊迭代法在潮流计算中有着广泛的应用,尤其在极坐标下进行潮流计算时发挥着重要作用。

在本篇文章中,我将深入探讨牛顿拉夫逊迭代法在极坐标潮流计算Java程序中的应用,并共享我对其个人观点和理解。

让我们从潮流计算的基本原理开始。

电力系统中的潮流计算,是指通过对电气网络进行各节点电压相角和功率的计算,来实现电网稳定运行和安全运行。

而牛顿拉夫逊迭代法,则是一种用于解决非线性方程组的方法,其迭代过程可以有效收敛到非线性方程组的解。

在极坐标下进行潮流计算时,我们需要考虑复数形式的电压和导纳,这就需要用到牛顿拉夫逊迭代法来求解非线性方程组,以得到节点电压的相角和幅值。

接下来,让我们讨论牛顿拉夫逊迭代法在极坐标潮流计算Java程序中的具体实现。

在Java程序中,我们可以通过编写相应的算法来实现牛顿拉夫逊迭代法。

我们需要定义节点的导纳矩阵和电压矩阵,并根据潮流方程建立非线性方程组。

通过编写迭代算法,不断更新节点的电压相角和幅值,直至满足收敛条件。

我们可以将计算得到的节点电压结果输出到文件或进行可视化展示,以便后续的电网分析和调度。

在实际应用中,牛顿拉夫逊迭代法在极坐标潮流计算中具有较高的准确性和收敛性,尤其适用于复杂电网的计算。

通过Java程序实现,我们可以更加灵活地对潮流计算进行控制和优化,从而提高电网的运行效率和安全性。

总结回顾,牛顿拉夫逊迭代法在极坐标潮流计算Java程序中发挥着重要作用,其准确性和收敛性使其成为潮流计算领域的关键算法。

通过编写Java程序实现,我们可以更加灵活地进行潮流计算和电网分析,为电力系统的稳定运行和经济调度提供有力支持。

牛顿拉夫逊迭代法极坐标潮流计算java程序

牛顿拉夫逊迭代法极坐标潮流计算java程序

牛顿拉夫逊迭代法极坐标潮流计算java程序一、前言在电力系统中,潮流计算是一项重要的运行分析工作,它用于确定电力系统中各个节点的电压和相角。

而在潮流计算中,牛顿拉夫逊迭代法是一种常用的计算方法,特别是在极坐标下的潮流计算中。

本文将从牛顿拉夫逊迭代法的原理入手,分析其在极坐标潮流计算中的应用,并展示一个基于Java程序的实例。

二、牛顿拉夫逊迭代法的原理牛顿拉夫逊迭代法是一种用于求解非线性方程组的数值方法,其基本思想是通过不断迭代,逐步逼近非线性方程组的解。

在潮流计算中,牛顿拉夫逊迭代法的主要目标是求解节点电压和相角。

其迭代公式可以表示为:\[ J(\Delta X) = F(X_k) + \frac{dF(X_k)}{dX}\Delta X = 0 \]其中,J是雅可比矩阵,ΔX表示解的修正量,F(Xk)表示当前迭代点的方程组的值,dF(Xk)/dX表示F(Xk)的导数。

在使用牛顿拉夫逊迭代法进行潮流计算时,需要构建节点导纳矩阵、节点功率不平衡方程和雅可比矩阵,并通过迭代计算得到节点电压和相角的解。

这个过程是十分复杂和耗时的,因此需要使用计算机程序来实现。

三、极坐标潮流计算的Java程序实现在极坐标下的潮流计算,通常需要对节点电压和相角进行极坐标转换,并针对牛顿拉夫逊迭代法进行适当的调整。

下面我们将展示一个简单的Java程序,用于实现极坐标潮流计算的牛顿拉夫逊迭代法。

```java// Java程序实现牛顿拉夫逊迭代法的极坐标潮流计算public class PolarNewtonRaphson {// 节点导纳矩阵private Complex[][] admittanceMatrix;// 节点功率不平衡方程private Complex[] powerMismatchEquation;// 节点电压private Complex[] voltage;// 迭代阈值private double threshold;// 构造函数public PolarNewtonRaphson(Complex[][] admittanceMatrix, Complex[] powerMismatchEquation, Complex[] voltage, double threshold) {this.admittanceMatrix = admittanceMatrix;this.powerMismatchEquation = powerMismatchEquation; this.voltage = voltage;this.threshold = threshold;}// 牛顿拉夫逊迭代法public void calculate() {while (true) {// 计算雅可比矩阵Complex[][] jacobianMatrix = calculateJacobianMatrix(); // 计算方程组的值Complex[] fX = calculateFX();// 解线性方程组Complex[] deltaV = solveLinearEquations(jacobianMatrix, fX);// 更新节点电压for (int i = 0; i < voltage.length; i++) {voltage[i] = voltage[i].add(deltaV[i]);}// 判断是否满足收敛条件if (isConverged(deltaV)) {break;}}}// 计算雅可比矩阵private Complex[][] calculateJacobianMatrix() {// 省略具体实现}// 计算方程组的值private Complex[] calculateFX() {// 省略具体实现}// 解线性方程组private Complex[] solveLinearEquations(Complex[][] jacobianMatrix, Complex[] fX) {// 省略具体实现}// 判断是否满足收敛条件private boolean isConverged(Complex[] deltaV) { // 省略具体实现}}// 主程序public class M本人n {public static void m本人n(String[] args) {// 构建节点导纳矩阵、节点功率不平衡方程和节点电压// 省略具体实现// 创建极坐标潮流计算对象PolarNewtonRaphson polarNewtonRaphson = new PolarNewtonRaphson(admittanceMatrix, powerMismatchEquation, voltage, 0.0001);// 计算节点电压和相角polarNewtonRaphson.calculate();}}```在这个简单的Java程序中,我们使用了复数类Complex来表示节点电压、导纳矩阵和功率不平衡方程,通过迭代的方式计算得到节点电压和相角的解。

用c语言实现牛顿拉夫逊迭代法

用c语言实现牛顿拉夫逊迭代法

用c语言实现牛顿拉夫逊迭代法如何用C语言实现牛顿拉弗森迭代法[引言]牛顿拉弗森迭代法(Newton-Raphson method),又称为牛顿迭代法,是一种求解方程根的数值方法。

它是由17世纪英国物理学家伊萨克·牛顿和法国数学家约瑟夫·拉弗森独立提出的。

牛顿拉弗森迭代法通过不断逼近方程根,可以实现高精度的方程求解。

[原理]牛顿拉弗森迭代法的原理很简单,基于方程根附近的切线逼近曲线,通过不断迭代的方式逼近方程的根。

设方程的根为x0,代入方程得到曲线上的一个点(x0, f(x0))。

假设方程在x0附近可导,那么我们可以得到曲线在点(x0, f(x0))处的切线方程,即通过(x0, f(x0))和斜率f'(x0)得到切线的方程。

切线与x轴的交点即为新的近似根x1。

依此类推,我们可以采用迭代的方式不断逼近更精确的解。

具体迭代公式为:x_(n+1) = x_n - f(x_n) / f'(x_n)其中,x_n是第n次迭代得到的近似解,f(x_n)是方程在x_n处的函数值,f'(x_n)是方程在x_n处的导数值。

通过不断迭代,当两次迭代解的差值小于预设的误差范围时,我们可以认为得到了方程的近似根。

[步骤]接下来,让我们一步一步的使用C语言实现牛顿拉弗森迭代法。

步骤1:导入所需的头文件和函数声明c#include <stdio.h>#include <math.h>double f(double x); 定义方程的函数表达式double f_derivative(double x); 定义方程的导数函数表达式步骤2:实现方程和导数函数cdouble f(double x) {实现方程的函数表达式return x * x - 9;}double f_derivative(double x) {实现方程的导数函数表达式return 2 * x;}步骤3:实现牛顿拉弗森迭代法cdouble newton_raphson_method(double x0, double epsilon) { double x = x0;double difference = epsilon + 1; 初始化差值,使其大于预设的误差范围while (difference > epsilon) {double f_x = f(x);double f_derivative_x = f_derivative(x);x = x - f_x / f_derivative_x;difference = fabs(f(x));}return x;}步骤4:调用牛顿拉弗森迭代法求解方程cint main() {double x0 = 4; 初始值double epsilon = 0.0001; 误差范围double root = newton_raphson_method(x0, epsilon);printf("方程的近似根为:%lf\n", root);return 0;}[总结]通过以上步骤,我们可以使用C语言实现牛顿拉弗森迭代法来求解给定方程的根。

隐含波动率 牛顿法

隐含波动率 牛顿法

隐含波动率牛顿法
隐含波动率是指根据期权市场上的期权价格反推出的波动率水平。

它是用于衡量市场对未来资产价格波动性的预期。

隐含波动率可以通过使用不同的计算方法来估计,其中之一就是使用牛顿法。

牛顿法,也称为牛顿-拉夫逊方法,是一种用于求解方程的数值迭代方法。

在估计隐含波动率时,我们需要解决一个方程,即期权定价模型中的Black-Scholes方程,其中的未知量就是隐含波动率。

牛顿法可以通过迭代逼近的方式,不断优化求解得到的隐含波动率的估计值。

具体而言,牛顿法通过选择一个初始的隐含波动率估计值,然后进行迭代计算,直到达到收敛条件为止。

在每次迭代中,牛顿法使用当前的隐含波动率估计值来计算模型中的期权价格,并与实际观测到的市场期权价格进行比较。

根据差异,牛顿法调整隐含波动率的估计值,并继续进行下一轮的迭代,直到收敛。

牛顿法在隐含波动率的估计中被广泛使用,因为它具有较快的收敛速度和高精度的求解能力。

然而,牛顿法也存在一些限制,比如可能会陷入局部极值点,需要提供一个合适的初始估计值等。

因此,在使用牛顿法进行隐含波动率估计时,需要谨慎选择初始估计值,并进行适当的验证和调整,以确保得到可靠的结果。

leetcode 牛顿法解方程

leetcode 牛顿法解方程

leetcode 牛顿法解方程牛顿法(Newton's Method)是一种用于求解方程的数值计算方法,也称为牛顿-拉弗森方法(Newton-Raphson Method)。

在数值计算中,牛顿法被广泛应用于求解非线性方程组、最优化问题和插值问题等。

在LeetCode中,有一道关于使用牛顿法解方程的问题,可以帮助我们更深入地理解这种数值计算方法的应用。

这道问题是“Solve the Equation”,即解方程。

题目描述如下:给定一个表示方程的字符串,求解方程并输出结果。

方程包含x、+、-以及等号,但不包含乘号。

方程只包含一个x,并且方程中的每个运算符左右都有一个空格。

方程的格式为ax + b = cx + d,其中a、b、c、d均为整数,且a、b、c、d在-1000和1000之间。

保证方程有且仅有一个解。

解题思路:1. 首先,我们需要将方程分为左右两部分,分别表示为等号左边的表达式和等号右边的表达式。

2. 然后,对两部分的表达式分别进行求和,得到x的系数和常数项。

3. 使用牛顿法求解方程,迭代计算x的值,直到收敛到解。

4. 最后,将x的值代入方程中,验证方程的解是否正确。

下面是一种使用Python实现牛顿法解方程的示例代码:```pythondef solveEquation(equation: str) -> str:def evaluate(expression):if not expression:return 0, 0if expression[0] in '+-':expression = '0' + expressionterms = expression.replace('+', ' +').replace('-', ' -').split() x_coefficient = constant = 0for term in terms:if 'x' in term:if term == 'x' or term == '+x':x_coefficient += 1elif term == '-x':x_coefficient -= 1else:x_coefficient += int(term[:-1])else:constant += int(term)return x_coefficient, constantdef derivative(expression):x_coefficient, constant = evaluate(expression)return x_coefficientleft_expression, right_expression = equation.split('=')f = lambda x: evaluate(left_expression)[0] - evaluate(right_expression)[0] + derivative(left_expression) * x - derivative(right_expression) * xdf = lambda x: derivative(left_expression) - derivative(right_expression)x = 0while True:x_prev = xx = x_prev - f(x_prev) / df(x_prev)if abs(x - x_prev) < 1e-6:breakx = round(x)x_coefficient, constant = evaluate(left_expression)if x == 0 and constant == 0:return "Infinite solutions"if x == 0 and constant != 0:return "No solution"return "x=" + str((evaluate(right_expression)[1] - constant) // x)# 测试equation = "2x+3x-6x+3=-2x+8-3x"result = solveEquation(equation)print(result) # x=1```通过以上代码示例,我们可以看到,使用牛顿法解方程的基本思路是将方程转化为一个函数,然后对函数的导数进行迭代求解,直到收敛到解。

richardson lucy算法原理

richardson lucy算法原理

richardson lucy算法原理Richardson-Lucy算法是一种常用于图像恢复和图像重建的迭代算法。

它通过迭代更新图像的估计值,逐步逼近原始图像,从而进行图像恢复和重建的过程。

该算法在计算机视觉和图像处理领域有着广泛的应用。

Richardson-Lucy算法的原理基于最大似然估计。

在图像恢复和重建中,我们通常假设图像的退化过程是已知的,即图像受到某种特定的退化模型的影响。

然而,由于噪声的存在以及退化模型的不确定性,我们无法直接得到原始图像。

因此,我们需要通过观测到的退化图像来估计原始图像。

Richardson-Lucy算法的核心思想是通过迭代更新图像的估计值来逼近原始图像。

算法的步骤如下:1. 初始化估计图像。

我们可以使用一些初始值来代表原始图像的估计,通常使用均匀分布或高斯分布的随机数作为初始值。

2. 迭代更新图像估计值。

在每一次迭代中,算法会根据当前的估计图像和观测到的退化图像,计算出一个更新后的估计图像。

这个更新过程基于最大似然估计,通过最大化似然函数来更新图像估计值。

3. 终止条件判断。

在每一次迭代后,我们需要判断是否满足终止条件。

终止条件可以是迭代次数达到一定阈值,或者估计图像的变化小于某个阈值。

4. 重复步骤2和步骤3,直到满足终止条件。

Richardson-Lucy算法的关键在于更新图像估计值的公式。

这个公式涉及到图像的退化模型、观测到的退化图像以及当前的估计图像。

通过最大化似然函数,我们可以得到一个更新后的估计图像,使得该图像更加接近原始图像。

Richardson-Lucy算法的优点是在图像恢复和重建中能够取得较好的效果。

它能够处理图像的退化和噪声,并且能够逼近原始图像。

此外,该算法的迭代过程相对简单,易于实现。

然而,Richardson-Lucy算法也存在一些缺点。

首先,算法的收敛速度较慢,需要多次迭代才能得到较好的结果。

其次,算法对于噪声敏感,当噪声较大时,可能会导致恢复图像的质量下降。

richardson模型公式

richardson模型公式

richardson模型公式Richardson模型是一种用于描述计算机图形学中光线追踪算法的模型。

它是由Edward V. Richardson在1977年提出的,被广泛应用于计算机图形学领域。

Richardson模型的提出极大地促进了光线追踪算法的发展,使得计算机图形学在逼真度和真实感方面取得了重大突破。

光线追踪算法是一种计算机图形学中常用的渲染技术,用于模拟光线在场景中的传播和交互。

通过追踪光线的路径,可以模拟出光线与物体的相互作用,从而得到逼真的光照效果。

Richardson模型的出现使得光线追踪算法能够更加高效地计算光线与物体的相互作用,大大提高了渲染的速度和质量。

Richardson模型的核心思想是将场景中的光线与物体的交互过程看作是一系列的能量传递和反射过程。

根据能量守恒定律,光线在与物体相互作用时,能量的总量保持不变。

Richardson模型通过计算每个交互过程中的能量传递和反射情况,来模拟光线的传播和交互过程。

在Richardson模型中,光线与物体的交互过程可以分为三个部分:入射阶段、反射阶段和折射阶段。

在入射阶段,光线从光源射入场景中,与物体表面相交,并被物体吸收或反射。

在反射阶段,光线从物体表面反射出去,并继续与其他物体相交。

在折射阶段,光线穿过物体表面进入物体内部,并继续传播。

为了模拟光线与物体的相互作用,Richardson模型引入了一系列参数和公式。

其中包括光线的入射角、反射角、折射角,以及物体的反射系数、折射系数等。

通过计算这些参数和公式,可以确定光线在与物体相互作用过程中的能量传递和反射情况。

Richardson模型的提出为计算机图形学中的光线追踪算法的发展提供了重要的理论基础和计算方法。

它使得计算机图形学在渲染真实感图像方面取得了巨大的进步。

在实际应用中,Richardson模型被广泛应用于各种计算机图形学软件和渲染引擎中,用于生成逼真的光照效果。

Richardson模型是计算机图形学中光线追踪算法的重要模型,它通过模拟光线与物体的相互作用过程,实现了逼真的光照效果。

牛顿一斯蒂芬森方法

牛顿一斯蒂芬森方法

牛顿一斯蒂芬森方法牛顿一斯蒂芬森方法(简称NSS)是一种新型的数值求解(NumericalSolving)方法,由英国数学家牛顿和美国物理学家一斯蒂芬森提出。

NSS方法是在有限元分析技术的基础上,根据物理学基本定律和计算机中可解算法,在计算机上建立起来数值解决各种复杂的物理运动问题的有效方法。

NSS方法有其特点,首先它采用有限元的基本思想,即空间的某个大区域分割成许多小的有限元,这些有限元可以由几何体的点类表示,这可以有效的解决空间的模型问题。

而且NSS方法具有计算精度高,可以求解复杂的问题,可以反映一定范围内力和运动变化,它还能够模拟系统在多种和动态状态之间的变化,从而可以完成复杂任务,给科学家带来大量研究资料。

NSS方法广泛应用在物理学和工程应用领域,特别是在复杂物理现象模拟和建模方面,如:航空航天、燃烧动力学、气体动力学、热学、流体力学、流变学、固体动力学等等。

这些新技术的研究主要是为了研究物理现象的本质,深入分析和模拟结果,并使用软件完成分析和模拟,以便广泛应用于工程设计等领域。

NSS方法实施过程中,首先将研究问题用数学方法转换为求解方程组,然后以动态几何求解器为计算核心,计算机通过求解方程组,给出求解问题的计算结果。

NSS方法在应用上,能够对物理问题进行有效的模拟,可以提供准确的结果,有助于物理研究,并可以有效的应用在各个领域,如建筑工程中、交通工程中、航空航天领域。

NSS方法实现了从线性程序到非线性程序,从概念到实现跨越,开启了科学家建模仿真的新局面。

总之,NSS方法是一种新型的数值求解方法,它综合运用物理学基本定律、有限元方法以及计算机解算法,能够从理论上解决复杂的物理问题,产生准确的计算结果,使人们能够更准确、更有效的了解复杂的物理现象,广泛的应用在几乎所有的工程领域,为人类科学发展提供积极的支持。

摩根斯顿算法

摩根斯顿算法

摩根斯顿算法摩根斯顿算法是一种用于计算分子轨道的量子化学方法。

它被广泛应用于计算机辅助药物设计、催化剂设计和材料科学等领域。

摩根斯顿算法的核心思想是将分子中的电子运动描述为一组基函数的线性组合,通过求解一个特殊的本征值问题来得到分子轨道的能量和波函数。

1. 简介摩根斯顿算法最早由John Pople和Walter Kohn在1960年代提出,它是一种基于密度泛函理论(DFT)的方法。

DFT是一种近似处理多体量子力学问题的方法,通过引入电子密度作为基本变量,将复杂的多体问题简化为求解一个单电子哈密顿量的问题。

摩根斯顿算法在DFT框架下,通过引入局域密度近似(LDA)或广义梯度近似(GGA)等近似方法,进一步简化了计算过程。

2. 算法原理摩根斯顿算法首先将分子中所有原子的核和电子构成一个总体系,然后将总体系划分为两个部分:核部分和电子部分。

核部分的运动由经典力学描述,而电子部分的运动则由量子力学描述。

摩根斯顿算法主要关注电子部分的运动。

在摩根斯顿算法中,电子的运动状态由波函数表示。

波函数是一个复值函数,它描述了电子在空间中的分布情况。

为了简化计算,摩根斯顿算法引入了一组基函数来展开波函数。

这些基函数通常是高斯型函数或平面波函数。

通过将波函数展开为基函数的线性组合,可以将求解多体薛定谔方程转化为求解一个特殊的本征值问题。

这个本征值问题可以通过数值方法(如矩阵对角化方法)来求解,得到分子轨道的能量和波函数。

3. 近似方法为了简化计算过程,摩根斯顿算法引入了一些近似方法。

其中最常用的是局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)。

局域密度近似假设电子密度在空间上变化缓慢,因此可以将每个点上的局域电子密度视为均匀分布。

这样就可以用局域电子密度来近似整个系统的电子密度,从而简化计算。

广义梯度近似考虑了电子密度的梯度对能量的贡献,进一步提高了计算的精确度。

它通过引入电子密度的梯度来修正局域密度近似,从而更准确地描述电子间的相互作用。

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Richardson–Lucy Algorithm With Total Variation Regularization for3D Confocal Microscope Deconvolution NICOLAS DEY,1LAURE BLANC-FERAUD,1*CHRISTOPHE ZIMMER,2PASCAL ROUX,3ZVI KAM,4JEAN-CHRISTOPHE OLIVO-MARIN,2AND JOSIANE ZERUBIA11Ariana Group,INRIA/I3S,2004route des Lucioles–BP93,06902Sophia Antipolis,France2Quantitative Image Analysis Group,Institut Pasteur,25–28rue du Dr.Roux,75015Paris,France3Dynamic Imaging Platform,Institut Pasteur,25–28rue du Dr.Roux,75015Paris,France4Department of Molecular Cell Biology,Weizmann Institute of Science,Rehovot,Israel76100KEY WORDS image deconvolution;total variation regularization;Poisson noise;fluorescence confocal microscopyABSTRACT Confocal laser scanning microscopy is a powerful and popular technique for3D imaging of biological specimens.Although confocal microscopy images are much sharper than standard epifluorescence ones,they are still degraded by residual out-of-focus light and by Poisson noise due to photon-limited detection.Several deconvolution methods have been proposed to reduce these degradations,including the Richardson–Lucy iterative algorithm,which computes maximum likelihood estimation adapted to Poisson statistics.As this algorithm tends to amplify noise,regu-larization constraints based on some prior knowledge on the data have to be applied to stabilize the solution.Here,we propose to combine the Richardson–Lucy algorithm with a regularization con-straint based on Total Variation,which suppresses unstable oscillations while preserving object edges.We show on simulated and real images that this constraint improves the deconvolution results as compared with the unregularized Richardson–Lucy algorithm,both visually and quanti-tatively.Microsc.Res.Tech.69:260–266,2006.V C2006Wiley-Liss,Inc.INTRODUCTIONThe confocal laser scanning microscope(CLSM)is an opticalfluorescence microscope that uses a laser to scan and image point-by-point a sample in3D,and where a pinhole is used to reject most out-of-focus light.The ability of the CLSM to image optical sections explains its widespread use in biological research. Nevertheless,the quality of confocal microscopy images still suffers from two basic physical limitations. First,out-of-focus blur due to the diffraction-limited nature of the optics remains substantial,even though it is reduced compared to epifluorescence microscopy. Second,the confocal pinhole drastically reduces the amount of light detected by the photomultiplier,lead-ing to Poisson noise.The images produced by the CLSM can therefore benefit from postprocessing by deconvolution methods designed to reduce blur and noise.Several deconvolution methods have been proposed for3D microscopy.In wide-field microscopy,Agard and Sedat(1983)and many others achieved out-of-focus deblurring by constrained iterative deconvolution.For confocal images,Tikhonov–Miller inversefilter(van Kempen et al.,1997),Carrington(van Kempen and van Vliet,2000a)and Richardson–Lucy(RL)algo-rithms(Lucy,1974;Richardson,1972)have also been applied.The latter has been used extensively in astro-physical or microscopic imaging(van Kempen et al., 1997),and is of particular interest for confocal micros-copy,because it is adapted to Poisson noise.An impor-tant drawback of RL deconvolution,however,is that it does not converge to the solution because the noise is amplified after a small number of iterations.This sen-sitivity to noise can be avoided with the help of regula-rization constraints,leading to much improved results. van Kempen et al.have applied a RL algorithm using energy-based regularization to biological images(van Kempen and van Vliet,2000a).The term based on the Tikhonov–Miller expression suppresses noise amplifi-cation,but it has the drawback to smooth edges.In this study,we propose to use the total variation (TV)as a regularization term.The main advantages of the TV are that it preserves the edges in the image and smoothes homogeneous areas.It has been proposed for 2D optical gray level image restoration in Rudin et al. (1992).This kind of nonlinear image restoration has been extensively used in image processing inverse problems,for the last10years,and has generated mathematical studies on the Bounded Variation(BV) function space(Ambrosio et al.,2000).In this study,we propose to apply this nonlinear regularization to the deconvolution of3D confocal microscopy images.Con-sidering the statistical Poisson nature of the noise,this leads to a RL algorithm with nonlinear regularization. The paper is organized as follows.Thefirst section presents the image formation model,by describing the point spread function and the noise distribution.In the second section,wefirst recall the RL algorithm in*Correspondence to:Laure Blanc-Feraud,Ariana Group,INRIA/I3S,2004 route des Lucioles–BP93,06902Sophia Antipolis,France.E-mail:Laure.Blanc_Feraud@sophia.inria.frContract grant sponsors:INRIA ARC De´MiTri,P2R Franco-Israeli Program. Received28July2005;accepted in revised form13October2005DOI10.1002/jemt.20294Published online in Wiley InterScience().V C2006WILEY-LISS,INC.MICROSCOPY RESEARCH AND TECHNIQUE69:260–266(2006)the context of microscope imaging,and then describe the nonlinear TV regularized RL algorithm.Next,we present the results of the proposed algorithm on syn-thetic and real data,and compare them with the stand-ard algorithm without regularization,both in terms of visual image quality and a numerical criterion.The last section concludes the paper.IMAGE FORMATION MODELThe image formation can be modeled with the Point Spread Function(PSF)and the statistical distribution of the detection noise.Such a general model can be written as:i¼}ðoÃhÞð1Þwhere i is the observed(measured)image,o is the object we want to retrieve(corresponding to the distri-bution offluorescent markers inside the specimen),h is the PSF,and}models the noise distribution.NoiseIn a confocal microscope,a pinhole is used to reject most out-of focus light.The amount of light reaching the detector is therefore low,and the noise statistics is well described by a Poisson process.The distribution of i at point s,i(s),knowing(oÃh)(s),is a Poisson distri-bution of the parameter(oÃh)(s):PðiðsÞ=ðoÃhÞðsÞÞ¼½ðoÃhÞðsÞ iðsÞeÀðoÃhÞðsÞiðsÞ!ð2ÞAssuming that the noise is spatially uncorrelated,the statistics of the observed image i,knowing the object o, (and the PSF h which is considered here as a parame-ter)is the likelihood distribution given by:Pði=oÞ¼Ys e S ½ðoÃhÞðsÞ iðsÞeÀðoÃhÞðsÞiðsÞ!!ð3Þwhere s is the coordinate of a3D voxel and S is the total set of voxel coordinates in the imaged volume.Confocal Point Spread FunctionUnder the assumptions of a translation invariant PSF,incoherent imaging,and monochromatic light (excitation and emission),we use a well-known image formation model of the CLSM,which has been pro-posed by van Kempen and van Vliet(1999),and is derived from Sheppard and Cogswell(1990).For a defocusing Z,the3D PSF(Sheppard and Cogswell, 1990)is given by:hðX;Y;ZÞ¼j A RðX;YÞÃ^P k emðX;Y;ZÞj23j^P k exðX;Y;ZÞj2ð4Þwhere k ex and k em are the excitation and emission wavelengths,respectively.The pinhole(Born and Wolf, 1999;Goodman,1996)is represented by A R(X,Y),and ^Pk is the2D Fourier transform of the pupil function P k given by:P kðU;V;ZÞ¼P qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiU2þV2pe2i p k WðU;V;ZÞð5ÞHere W(U,V,Z)¼12Z(1Àcos2a)is the aberration phase derived from Goodman(1996).It gives a measure of the wavefront path difference between a focused and a defo-cused beam(Born and Wolf,1999;Stokseth,1969).q¼NA2kis the lateral cutoff frequency,and NA¼n o sin a the numerical aperture,which is related to the cone of light collected by the objective and the immersion medium re-fractive index n o.The model takes into account thefinite size of the pinhole,which is used for the image acquisi-tion.This PSF model will be used both for the creation of the simulated images and for the deconvolution.In van Kempen and van Vliet(1999)and van Kempen and van Vliet,(2000a),the authors use an image forma-tion model for confocal microscopy,which is slightly dif-ferent from Eq.(1):namely i¼q(oÃhþb),where b models the background signal.In a previous work(Dey et al.,2004a,b),we showed that the use of a background term in the model is not necessary if a well suited regu-larization term is included.In fact,it happens that using a background model is equivalent to imposing a support constraint to regularize the solution.We also showed that when using a regularization term,no im-provement is reached by adding the background term, and that it is therefore not needed.CONFOCAL MICROSCOPY IMAGEDECONVOLUTIONThe Multiplicative RL AlgorithmThe RL algorithmfinds o from the observation i, knowing the PSF h,by maximizing the likelihood dis-tribution(Eq.(3))with respect to o.The RL algorithm can be derived by using the Expectation–Maximization (EM)algorithm(Dempster et al.,1977),or by minimiz-ing the functionalÀlog p(i|o),using a multiplicative type algorithm.Let us briefly describe the second approach.MinimizingÀlog p(i|o)is equivalent to mini-mizing J1(o)given by:J1ðoÞ¼XsðÀiðsÞlog½ðoÃhÞðsÞ þðoÃhÞðsÞÞð6ÞSince the functional J1(o)is convex in o,searching for a minimum is equivalent to searching for a zero of the gradient of J1(o)which results in solvingiðsÞðo kÃhÞðsÞÃhðÀsÞ¼1ð7ÞLet o k(s)be the estimate of o at iteration k.Then one iteration of a multiplicative gradient type algorithm (for more details see Lucy(1974)and Richardson1972) or Appendix C of Dey et al.(2004a))is given by:o kþ1ðsÞ¼iðsÞðo kÃhÞðsÞÃhðÀsÞo kðsÞð8Þ261TOTAL VARIATION BASED DECONVOLUTIONwhich defines one iteration of the RL algorithm.An important property of this scheme is that it ensures nonnegativity if thefirst estimate(here taken as the measured3D image,scaled by a value equal to the mean of the image stack)is nonnegative.However, because the inversion problem is ill-posed and the Max-imum Likelihood(ML)estimator is nonregularized,the solution given by Eq.(8)when k?þ?consists of noise only,because of noise amplification.To obtain good results,the algorithm is stopped before the noise is amplified.In order to improve the trade-off between a good deconvolution with sharp edges and noise amplifi-cation,we propose to regularize the solution by mini-mizing its TV.Total Variation RegularizationIn a Bayesian approach,a regularization is obtained by Maximizing the a posteriori distribution(MAP esti-mator)P(o/i)¼P(i/o)3P(o)/P(i)with a suitable a priori distribution P(o).Tikhonov–Miller(TM)(van Kempen and van Vliet,1999;van Kempen and van Vliet,2000b)regularization is the most popular algo-rithm in3D image deconvolution.TM regularization is designed to avoid noise amplification by smoothing, causing smear of the object edges.de Monvel et al., (2003)used a RL algorithm with maximum entropy regularization.This regularization gives better re-sults than that of TM regularization,in the sense that the edges are less smoothed.However,the trade-off between good regularization with a good reduction of the noise,and edge preservation still exists.This compromise can be improved by using wavelet coeffi-cient thresholding,as proposed by de Monvel et al. (2003).Here,we introduce an other a priori constraint on the object by adding to the energy J1,a regularization term J reg,defined by the TV of the solution o as in Rudin et al.(1992):J regðoÞ¼k TVXsjr oðsÞjð9ÞThe total functional to be minimized is then:J1ðoÞþJ regðoÞ¼XsðÀiðsÞlog½ðoÃhÞðsÞþðoÃhÞðsÞÞþk TVXs jr oðsÞjð10ÞUsing the L1norm over!o rather than the L2norm as in TM regularization(van Kempen and van Vliet, 2000b)allows to recover a smooth solution with sharp edges.It can be shown(Rudin et al.,1992)that the smoothing process introduced by J reg acts only in the direction tangential to the image level lines and not in the orthogonal direction,so that edges are preserved. The derivative of J reg with respect to o is a nonlinearterm@@o J reg¼Àk TV divr ojr o jwhere div stands for thedivergence.We minimize Eq.(10)using the multiplica-tive gradient-based algorithm(or equivalently by using EM algorithm for the penalized criterion of Eq.(10)),and we adopt an explicit scheme,as in Green (1990),defined by:o kþ1ðsÞ¼iðsÞðo kÃhÞðsÞÃhðÀsÞ3o kðsÞ1Àk TV div r okðsÞjr okðsÞjð11ÞNumerically we noticed that the regularization param-eter k TV should be neither too small nor too large:if k TV<10À6,RL is dominated by the data model;if k TV $1,RL is dominated by the regularization term.For larger k TV,the denominator of Eq.(8)can become zero or negative.This must be avoided because small de-nominators create points of very high intensity,which are amplified at each iteration.A negative value vio-lates the nonnegativity constraint.We use a param-eter k TV¼0.002for computations,and iterations are stopped at convergence,defined when the relative dif-ference between two images is less than a threshold (10À5in the experiments presented below).RESULTSEvaluation CriteriaIn the following,we report results on three synthetic (simulated)objects and two types of real specimens.To quantify the quality of the deconvolution we used the I-divergence criterion,which is the best measure in the presence of a nonnegativity constraint(Csisza´e´r,1991). The I-divergence between two3D images A and B is defined by:I A;B¼Xs e SA s lnA sB sÀðA sÀB sÞð12ÞThe I-divergence is nonsymmetric,i.e.,I A,B=I B,A.In the experiments with synthetic data,image A is the known undegraded initial image(the one we want to retrieve)and image B is the restored one.The I-diver-gence then quantifies the difference between the ideal image and the reconstructed one.Ideally,a perfect deconvolution should end with I-divergence equal to zero.This numerical criterion cannot be computed on results from real data because the undegraded object is not known.In order to display the visual quality,we present cross sections of the objects before and after deconvolu-tion with the RL algorithm and with the TV regular-ized RL algorithm.Results on Synthetic DataWe show results on three different synthetic objects, shown in Figures1–3(column a).These objects are artificially blurred and corrupted by Poisson noise using the image formation model described in the sec-tion of image formation model.The resulting degraded images are shown in Figures1–3(column b).Deconvo-lution results of the degraded images using standard RL are shown in Figures1–3(column c).For standard RL,we used the number of iterations that achieves minimum I-divergence.The deconvolution results262N.DEY ET AL.using RL with TV regularization (RL–TV)are shown in Figures 1–3(column d).The first simulated object is a full cylinder (Fig.1a).It is a single object,presenting no corner (except at the top and bottom)and which is homogeneous (there are only two intensity values:the background and the cylinder).Figure 1c shows the result of the deconvolution using the standard RL algorithm:in lateral and axial views there is still some blur,and intensity oscillation artifacts are clearly apparent.The RL–TV algorithm greatly improves the results (Fig.1d):the cylinder is sharp (the edges are sharp in lateral and axial views)and there are no intensity oscillations (see the corresponding in-tensity profile in Figure 6a).The axial view shows that the heights of the deconvolved cylinder (Fig.1d)and of the initial cylinder (Fig.1a)are similar.The final I-divergence is 0.766for standard RL and 0.220for RL–TV ,resulting in a more than 3-fold improvement.Figure 2a presents another 3D synthetic image com-posed of five geometrical shapes.These are more com-plex objects with corners and homogeneous regions of different intensity levels.The deconvolution result,with standard RL,is shown in Figure 2c.The different shapes are still blurred and appear thinner than before degradations.Many intensity oscillations appear inside the shapes.All of these artifacts are avoided when using the RL–TV algorithm (Fig.2d):all shapes are sharp,the thickness is preserved,and there are no more intensity oscillations (see the intensity profile in Fig.6b).The cross-section displays a slight effect of rounding corners.In the axial view,the borders are not perfectly sharp.Nevertheless,the final I-divergence is 0.691for the pro-posed method,which represents nearly a 2-fold im-provement compared with standard RL (1.365).In Figure 3a,we present a 3D synthetic object com-bining texture and fine structures.The object is inho-mogeneous and the fine structure exhibits sharp tran-sitions.The degradation (Fig.3b)is sufficiently strong to almost hide these details.The deconvolution ob-tained with standard RL still shows strong axial blur.With RL–TV ,this blur is almost completely removed,and the fine structures are discernable again.However,a drawback of TV regularization is apparent on the XY section:a stair-casing effect.It is due to thenonderiv-Fig.1.Deconvolution of a binary cylinder.(a )the original 3D syn-thetic image;(b )the same image,degraded by blur and Poisson noise according to the image formation model;(c )deconvolution by stand-ard RL (I-divergence is 0.766);(d )deconvolution by RL–TV with k TV ¼0.002(I-divergence is 0.220).The top row shows the lateral (XY )section through the center of the image stack.The bottom row shows the axial (YZ )section corresponding to the dotted line shown in (a).The image size is 1283128364with voxel size 30330350nm in X ,Y ,and Z.Fig.2.Deconvolution of a composite image.(a )original image;(b )degraded by blur and Poisson noise;(c )deconvolved with standard RL;(d )deconvolved with RL–TV.The objects exhibit different inten-sities:255for the cylinder,221for the annulus,170for the cross,102for the triangle,238and 102for the two bars,10for the background.Final I-divergence is 1.365for standard RL (c )and 0.691for RL–TV with k TV ¼0.002(d ).The size of the stack is 1283128364with voxel size 30330350nm in X ,Y ,and Z .263TOTAL VARIATION BASED DECONVOLUTIONability of the absolute value in zero,and appears mainly in parts of the image which contain oscillations of small amplitudes,as textures.The intensity profiles in Figure 6c do not show significant differences be-tween standard RL and RL–TV results.Final I-diver-gence is 0.462for standard RL and 0.404for RL–TV ,which is an improvement by 12.6%.Results on Real DataTo evaluate the performances of our method on real data,we chose two types of objects,beads and shells,whose size and shape are well characterized and which can therefore be used as bona fide references.Thebeads are FocalCheck TM F-24634(Molecular Probes)fluorescent microspheres,with a diameter of 6l m.The shells are 15l m in diameter,with a fluorescent layer of thickness between 0.5and 0.7l m.The fluorescence excitation wavelength is k ex ¼488nm;the emission wavelength is k em ¼520nm;the pinhole size was set to 1Airy unit;in object space,the XY dimension of each voxel was 89nm and the Z dimension 230nm.The microscope was a Zeiss LSM 510,equipped with an immersion oil Apochromat 633with numerical aper-ture NA ¼1.4objective,and an internal magnification of 3.33.Image acquisition was performed using the Zeiss Visionsoftware.Fig.3.Deconvolution of a textured image with fine structure.(a )original image;(b )degraded by blur and Poisson noise;(c )deconvolved with standard RL;(d )deconvolved with RL–TV.Final I-divergence is 0.462for standard RL (c )and 0.404for RL–TV with k TV ¼0.002(d ).Note that axial blur is much reduced with RL–TV compared to RL.The image size is 1283128332.Fig.4.Deconvolution of a spherical shell image.(a )shows the raw image,(b )the result of standard RL deconvolution,(c )the result of RL–TV deconvolution,with k TV ¼0.002.RL–TV deconvolution allows a better estimate of the shell thickness than RL (see text).The image size is 25632563128with voxel size 893893230nm in X ,Y ,andZ .First row represents the central XY image,and second line the cen-tral axial section of this stack corresponding to the dotted line.There is no resampling to obtain the same scale in X ,Y ,and Z ,only a resiz-ing of the image.264N.DEY ET AL.Fig.5.Deconvolution of a bead cluster image.(a )original image;(b )deconvolved with standard RL;(c )deconvolved with RL–TV .The result of RL deconvolution (b )presents a high level of noise and the axial view shows oscillation artifacts.These degradations are much reduced with RL–TV deconvolution (k TV ¼0.005).The stack size is 25632563128with voxels of size 893893230nm.Fig.6.Intensity profiles of four test images.In each panel,the dashed curve corresponds to images deconvolved with standard RL,and the solid curve corresponds to images deconvolved with RL–TV.(a )intensity profile of the synthetic cylinder image (Fig.1);(b )profile of the synthetic composite image (Fig.2);(c )profile of the textured synthetic object with fine structure (Fig.3).The profile corresponds to a section in the middle of the object;(d )profile of the real spherical shell image (Fig.4).We show only a profile through the right part of the shell.Note that RL–TV deconvolution produces a sharper profile than standard RL.Values on the horizontal axes are in microns.265TOTAL VARIATION BASED DECONVOLUTIONThe results of applying the deconvolution algorithm to a spherical shell image are shown in Figure4.The improvements achieved with RL–TV are a better local-ization of the borders and a better estimation of the shell thickness.In Figure6d,we show a zoom of the in-tensity profiles through the right portion of the shell image deconvolved with standard RL and RL–TV. These profiles can be used to estimate the thickness of the shell.On the raw image data(Fig.4a),we mea-sured a shell thickness of0.93l m,which is larger than the true thickness;on the result of RL deconvolution (Fig.4b),the measured thickness is0.26l m,which is too small.The thickness measured using RL–TV deconvolution(Fig.4c),is0.40l m and thus also too small,but this value lies closer to the real thickness (between0.5and0.7l m).We also tested the proposed deconvolution algorithm on a cluster of beads of diameter6l m(Fig.5).For the deconvolution with RL–TV,we used a regularization parameter k TV¼0.005.The improvement of RL–TV deconvolution compared to standard RL can be appre-ciated in Figure5c,as most of the blur has been removed,and the artifacts produced by standard RL deconvolution(visible in the X–Z view of Fig.5b)are no longer present.CONCLUSIONIn this paper,we have presented a new deconvolu-tion approach for3D confocal microscopy.It is based on the RL algorithm that is regularized using the TV.RL with no regularization suffers from unstable noise amplification.Many authors have proposed to regula-rize the energy using different functionals.Tikhonov–Miller functional is often used,but it over-smoothes the edges of objects in the image.We have proposed to use a regularization term based on Total Variation, which is non quadratic and does not smooth edges.We have presented results on simulated and real data that demonstrate,both in qualitative and in quantitative terms,the advantage of the RL–TV algorithm over its nonregularized version.REFERENCESAgard D,Sedat J.1983.Three-dimensional architecture of a polytene nucleus.Nature302:676–681.Ambrosio L,Fusco N,Pallara D.2000.Functions of bounded variation and free discontinuity problems.Oxford:Oxford University Press. 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