[发明专利]一种运动粒子的二维及三维示踪轨迹续连方法

说明书

本发明公开了一种运动粒子的二维及三维示踪轨迹续连方法，包括以下步骤:选择前轨迹，根据前轨迹找到其相应的后轨迹；拟合前轨迹和后轨迹之间的粒子空间位置；根据需求向前拟合前轨迹和向后拟合后轨迹；基于图像识别获取拟合位置的粒子二维或三维位置；设置纠错距离，对前轨迹和后轨迹的归属是否正确进行判断；本发明同时适用于二维或三维轨迹，能续连已有的碎片式轨迹，补齐碎片轨迹之间的丢失区域，若轨迹长度不足则向两端延长轨迹，有效增加了轨迹点数目。因此，该发明可显著提升粒子示踪技术的准确性和实用性，适用于对各种宏观和微观运动中的多个目标粒子进行同时示踪。

技术领域

本发明涉及微观和宏观粒子示踪技术领域，特别涉及一种运动粒子的二维及三维示踪轨迹续连方法。

背景技术

粒子示踪技术在流体力学、气象学、化学、生物医学、微生物学、海洋科学等领域均有广泛应用。它可用于研究流场的三维速度分布、宏观生物动植物的运动行为、各类细胞、微生物和颗粒的微观行为和动力学过程、海洋污染物的示踪溯源等研究课题，是搭载于商用光学显微镜等成像仪器上的常见技术。粒子示踪技术可分为二维示踪和三维示踪，所示踪的目标尺寸从宏观到纳米级不等。目前的粒子定位技术普遍存在鲁棒性差，易受到环境噪声干扰的缺点，导致示踪中断，轨迹错判或定位偏差等系统性误差的出现，严重限制了粒子示踪技术的发展和广泛应用。

粒子示踪技术是一种高度专门化的技术，在不同研究领域，需要使用不同的定位、示踪、优化方法。定位方法主要包括二维图像识别、双目视觉、全息技术等，示踪方法主要包括最近邻法、位置预测法、贪婪算法、全局优化法等。这些方法都不能完全描述和处理粒子的复杂运动，对于三维环境和高浓度粒子的示踪效果则相较二维示踪方法更差，轨迹可发生频繁断连，导致轨迹碎片化，无法对示踪目标的运动状态得出统计意义上的描述。因此，建立一种用于修复粒子示踪过程中因为环境变化和粒子相互干扰影响导致的轨迹中断，恢复丢失信息的轨迹续连技术是极有必要的。该技术具有普适性，可解决轨迹断连这一粒子示踪领域的基础问题，在生命科学、医学、流体力学、环境监测、工业生产等领域将发挥重要的作用。Willneff等人开发并实现了一种新的时空匹配方法，并在不同的数据集上进行了测试。在正确利用冗余信息的情况下，该算法可以实现轨迹的连续。该方法实现了高通量的三维粒子跟踪，但定位精度仅为微米级，且粒子浓度增加时定位精度会降低。Patel等人(Patel,M.；Leggett,S.E.；Landauer,A.K.；Wong,I.Y.；Franck,C.,Rapid,topology-basedparticle tracking for high-resolution measurements of large complex 3D motionfields.Sci Rep 2018,8(1),5581.)提出了一种新的粒子跟踪方案，称为基于拓扑的粒子跟踪(T-PT)。这种方法可以高效率而且准确地在大空间和高空间梯度下跟踪大量粒子，但存在正确率较低，难以跟踪运动步长较大的颗粒的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种运动粒子的二维及三维示踪轨迹续连方法。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种运动粒子的二维及三维示踪轨迹续连方法，包括以下步骤：

步骤S1、选择前轨迹和后轨迹；

步骤S2、线性拟合前轨迹和后轨迹之间的丢失区域；

步骤S3、根据需求向前线性拟合前轨迹，向后线性拟合后轨迹到所需长度；

步骤S4、通过图像识别算法获得拟合位置样品图像中的粒子二维坐标；

步骤S5、通过位置预测算法筛选粒子二维或三维坐标；

步骤S6、若为三维轨迹则恢复拟合位置的三维信息；

步骤S7、验证前轨迹和后轨迹是否属于同一个粒子。