63、无光学元件成像技术与忆阻电路优化任务解析

无光学元件成像技术与忆阻电路优化任务解析

1. DNA 显微镜无光学成像概述

1.1 基本原理

DNA 显微镜是一种全新的分子成像技术，它完全避开了从图像采集到重建和可视化过程中对光学元件的使用。其核心在于利用 DNA 条形码和下一代测序技术，通过研究局部邻近关系来重建样本的空间信息。

在成像过程中，种子探针的菌落会不断扩张并饱和，形成 Voronoi 镶嵌，每个区域都有独特的条形码。相邻菌落之间的成对邻近关系可以通过生化方法记录，并通过测序读出，以便后续进行图恢复和图像重建。

1.2 影响因素

模拟结果表明，较高的菌落密度（即单位面积内的平均菌落数）可以减少平均失真并提高图像重建的分辨率，而位点密度（即菌落内重复探针的平均数量）的变化对失真的影响较小。

需要注意的是，每个菌落最终代表估计图像上的一个像素，因此单个菌落内的自配对事件不会为图重建提供额外信息，可以通过二分网络或系列菌落生成等技术避免。

1.3 三维成像应用

由于 DNA 显微镜的图像重建主要依赖于研究局部邻近关系，即使样本的原始空间排列被打乱或丢失，该技术也可以事后重建样本的空间信息。其基本原理类似于根据相邻拼图块之间的相对位置来拼凑一幅大拼图。

具体来说，相对位置集可以用一个 $N×N$ 的相似性矩阵来表示，其中矩阵的每个元素描述了两个给定拼图块之间的邻近关系。图像重建的目标就是将这个高维矩阵映射到一个反映拼图块原始空间坐标的低维图像（通常是 2D 或 3D）。

为了实现大规模“拼图成像”的高分辨率图像重建，研究人员开发了两种降维算法——稀疏扩散映射和未加权地标等