Fázová rekonstrukce pro dielektroforetickou mikromanipulaci v reálném čase

Abstract

Tato diplomová práce se zaměřuje na návrh, implementaci a testování algoritmu pro fázovou rekonstrukci v reálném čase pro digitální holografickou mikroskopii bez použití optických prvků. Vybraná metoda přistupuje k problému jako k inverzní úloze regularizované na řídkost a nezápornost řešení. Pro optimalizaci úlohy je využita proximální gradientní metoda. Prototyp algoritmu byl nejprve implementován v Matlabu, kde byl nastaven za pomoci nahraných hologramů. Algoritmus byl poté reimplementován v CUDA a optimalizovaná pro běh v reálném čase za pomoci zrychleného startování. Nakonec byl algoritmus implementován na platformu určenou pro zpětnovazební dielektroforetickou mikromanipulaci, kde běží na dedikovaném grafickém vypočetním zařízení, NVIDIA Jetson AGX Xavier. Na této platformě algoritmus v reálném čase poskytuje rekonstrukce hologramů s dobře potlačenými artefakty (twin-images). Tyto rekonstrukce jsou pak zobrazeny na displeji, který je připojený k platformě. Implementace prezentována v této práci poskytuje kvalitní rekonstrukce hologramů v rychlostech, které přesahují běžně používané metody. Výsledná implementace v CUDA i prototyp v Matlabu jsou dostupné online ve formě otevřeného softwaru.This diploma thesis focuses on designing, implementing and testing a real-time algorithm for phase reconstruction in lensless digital holographic microscopy. The chosen method approaches phase reconstruction as an inverse problem regularized by sparsity and positivity constraints. It uses a proximal gradient method as its optimization strategy. The algorithm was first prototyped in Matlab and tuned on recorded holograms. It was then reimplemented in CUDA and optimized for real-time use with the help of warm-starting. Finally, it was implemented on a platform intended for feedback dielectrophoretic micromanipulation where it runs on a dedicated GPU computing device, NVIDIA Jetson AGX Xavier. Here it provides real-time hologram reconstructions with well-suppressed twin-images. These reconstructions are displayed on a monitor connected to the platform. The implementation presented in this thesis provides quality hologram reconstructions at speeds that exceed commonly used methods. The resulting CUDA implementation, as well as the Matlab prototype, are published online as open-source software.