基于多尺度卷积的分层-融合特征聚合网络的超分辨率重建
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四川省自然科学基金(2023NSFSC0466); 西南科技大学研究生创新基金(24ycx1051)


Super-resolution Reconstruction Based on Hierarchical-fusion Feature Aggregation Network Using Multi-scale Convolution
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    摘要:

    传统深度学习技术在结构光显微图像超分辨率重建中往往难以同时兼顾局部细节与全局结构特征, 尤其在稀疏输入和低光照强度条件下表现受限. 本研究针对这一问题, 开展了不同光照强度下, 结构光照射的宽场(wide-field, WF)显微成像实验, 构建了多种光照条件下的显微图像数据对. 提出了一种基于多尺度卷积的分层-融合特征聚合算法(MSCF-HFNet), 通过编码器-解码器结构结合多尺度特征提取与融合机制, 实现了从低频到高频图像的高效映射, 显著提升了模型在低对比度和复杂结构场景下的重建能力. 实验结果表明, 与对比模型(EDSR、scU-Net和DFCAN)相比, MSCF-HFNet在PSNR和SSIM指标上分别平均提升了5.81%和4.60%, MSE指标降低了16.81%. 此外, FWHM的分辨率评价显示, MSCF-HFNet实现了120 nm以下的空间分辨率, 相较于其他模型提升了13.89%. 同时进行数据集仿真, 验证了模型在跨域数据集上仍能够在模型复杂度和重建精度之间达成了良好平衡, 展现出卓越的鲁棒性和一致性.

    Abstract:

    Traditional deep learning technologies often struggle to balance local details and global structural features in the super-resolution reconstruction of structure illumination microscopy (SIM) images, with limited performance particularly in sparse input and low illumination conditions. To this end, this study conducts wide-field microscopic imaging experiments under varying illumination intensities and constructs microscopic image datasets in different lighting conditions. A hierarchical-fusion feature aggregation network based on multi-scale convolution (MSCF-HFNet) is proposed. By leveraging an encoder-decoder structure integrated with multi-scale feature extraction and fusion mechanisms, MSCF-HFNet achieves efficient mapping from low-frequency to high-frequency images, significantly enhancing reconstruction capability under low-contrast and complex structural scenarios. Experimental results demonstrate that MSCF-HFNet outperforms competing models (EDSR, scU-Net, and DFCAN) with average improvements of 5.81% and 4.60% in PSNR and SSIM respectively, and a 16.81% reduction in MSE. Additionally, FWHM-based resolution evaluation indicates that MSCF-HFNet achieves spatial resolution below 120 nm, featuring an 13.89% improvement compared to other models. Simultaneous dataset simulation confirms that the model achieves a sound balance between model complexity and reconstruction accuracy across datasets, demonstrating excellent robustness and consistency.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

吴佩红,蒋和松,张娟,王学渊.基于多尺度卷积的分层-融合特征聚合网络的超分辨率重建.计算机系统应用,2025,34(10):62-75

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  • 收稿日期:2025-02-15
  • 最后修改日期:2025-03-07
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  • 在线发布日期: 2025-09-01
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