CN110095081A

CN110095081A - 一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的方法及测量装置

Info

Publication number: CN110095081A
Application number: CN201910226439.9A
Authority: CN
Inventors: 丁驰竹; 谭佐军; 陈建军; 程其娈
Original assignee: Huazhong Agricultural University
Current assignee: Huazhong Agricultural University
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2019-08-06
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: CN110095081B

Abstract

本发明提供一种基于空间频域成像检测复杂组织体形貌和光学参数的方法，其包括以下步骤：一、光源产生具有一定空间频率的调制光；二、利用参考平面进行系统标定；三、将调制光投射到待测组织体，由相机采集经样品散射后的反射光图像；四、利用傅里叶轮廓术获取三维面形；五、根据高度和角度校正图像照度；六、逐行傅里叶变换，分解直流和交流频谱分量，再通过傅里叶逆变换得到直流和交流分量图像；七、匹配拟合得到光学参数。本方法只需单次成像，即可获得面形和光学参数信息；同时校正了由于复杂面形导致的光照度误差，测量速度快、精度高。

Description

一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的方法及测量装置

技术领域

本发明属于光学与测量技术领域，更具体涉及一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的方法，还涉及一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的测量装置，适用于测量生物组织的吸收系数和约化散射系数。

背景技术

公开号为CN105510253A的的中国专利“用空间频域成像检测农产品组织光学特性的装置及方法”，公布了空间频域成像技术，通过将具有一定空间频率的正弦调制光投射到待测组织样本上，由相机采集经组织散射后的漫反射光照度图像，利用特定的光传输模型，如论文 “Cuccia J D,Bevilacqua F,Durkin JA,et al.Quantitation and mappingof tissue optical properties using modulated imaging[J].Journal of BiomedicalOptics,2009,14(2):024012.”提到的漫射近似方程或蒙特卡罗方法模拟来逐点匹配拟合组织的吸收系数和约化散射系数，从而获得待测组织的光学特性参量分布。由于吸收系数通常与化学成分相关，约化散射系数通常与微观结构等物理性质有关，因此该光学特性检测可用于疾病的诊断和农产品品质的检测等方面。

空间频域成像技术可以进行宽场成像，具有无接触、大面积检测的优势。但传统的空间频域成像采用三相移法进行解调，即需要采集同一调制频率下3个不同相位的漫反射图像才能解析出该调制频率下的调制深度；而要同时获得吸收系数和约化散射系数，需要测量2 个甚至更多个调制频率下的调制深度，需要对待测样品多次成像，制约了测量的实时性。另外，当待测组织体表面高度不一致时，投射到组织体表面的结构光不满足正弦分布规律，而相机采集到的光照度也会受到组织体面形带来的干扰，造成数据畸变，影响了光学参数测量的准确性。公开号为CN105466889B的中国专利“一种空间频域成像中复杂组织体表面光照度的采集方法”提出了一种通过修改投射的灰度图片和修正CCD相机采集到的图像来降低光照度数据采集误差的方法，但该方法需要计算出组织体表面的三维高度后再次成像，更加制约了测量的实时性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，目的在于提出了一种基于空间频域成像技术测量组织体形貌和光学参数的方法，方法易行，操作简便，只需单次成像即可检测复杂组织体三维面形和光学特性，同时还校正了由于面形导致的光照度误差，提高了测量速度和准确度。本发明的另一个目的在于一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的测量装置

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于空间频域成像技术测量组织体形貌和光学参数的方法，其步骤是：(1).上位机生成一张空间频率为f_x的二维正弦波调制灰度图片，控制投影仪投影该图片，产生正弦调制光，正弦调制光在x方向光强度呈正弦变化；

(2)上位机控制投影仪将步骤(1)中的正弦波调制灰度图片投影到标准漫反射板上，上位机再控制CCD相机采集标准漫反射板上的参考光场光照度分布图像信号I₀(x,y)，上位机接收CCD相机的信号I₀(x,y) 显示条纹图像；所述标准漫反射板位于参考平面，所述投影仪和CCD 相机位于参考平面上方的同一高度，使投影仪投射的影像在参考平面清晰投影，同时CCD相机完整采集参考平面上的影像，所述投影仪光轴垂直于参考平面，所述CCD相机的光轴与参考平面的法线方向相交形成夹角A，其中x、y为图像信号的坐标，y方向与x方向垂直，表示参考光场内的条纹方向，H为CCD相机到参考平面的垂直距离， d为投影仪中心与CCD相机中心的距离，r₀(x,y)是标准漫反射板的反射率，为已知值；

(3)将待测组织体置于参考平面，通过投影仪将正弦调制灰度图片投影到待测组织体上，由CCD相机采集经组织体散射后的变形光场光照度分布图像信号I(x,y)，上位机接收CCD相机的信号I(x,y)显示变形条纹图像；

(4)通过傅里叶变换轮廓术得到待测组织体的三维形貌，据此对变形光场光照度分布图像信号I(x,y)进行校正，得到修正后的信号 I_corrected(x,y)；

(5)再通过逐行傅里叶变换和频谱数据分解，得到调制深度 MTF_DC(x,y)、MTF_AC(x,y)；

(6)在步骤(1)前根据待测组织体的光学参数范围，对待测组织体的光学参数范围内的吸收系数和约化散射系数进行离散，组合吸收系数和约化散射系数得到若干组光学参数；利用蒙特卡洛模拟获得每一组光学参数对应的组织体模型在无限窄垂直光束激励下的漫反射光的空间分布；根据空间域与频域之间的傅里叶变换关系，计算所有组织体模型对应的调制传递函数(MTF)，建立数据库；

(7)步骤(5)中的调制深度与数据库中的模型匹配拟合，得到吸收系数和约化散射系数。

进一步地，在步骤(4)中所述的傅里叶变换轮廓术包括以下步骤：

S01.上位机对步骤(3)中的信号I(x,y)沿y方向对每行数据逐行进行傅里叶变换，选取带通滤波器滤出受待测组织体表面高度调制的信号 I(x,y)的基频分量；得到变形光场的基频分布其中A是谐波的振幅，r(x,y)是待测组织体表面非均匀反射率，是变形条纹图像的相位分布；

S02.为了消除投影系统发散照明所导致的附加相位调制的影响，上位机对步骤(2)中的信号I₀(x,y)也进行步骤(4)的处理，得到原始光场的基频分布其中r₀(x,y)是标准漫反射板的反射率，是条纹图像的相位分布；

S03.上位机由变形光场的基频分布g₁(x,y)和参考光场的基频分布 g₀(x,y)根据公式计算：

*表示共轭运算；

S04.上位机根据步骤S01获得的s(x,y)的虚部，计算由待测组织体高度引起的相位调制值

Im[s(x,y)]表示取复数的虚部，Re[s(x,y)] 取复数的实部,

上位机根据经相位展开后可得到真实的相位函数

S05.上位机再由相位值转换得到待测组织体高度值分布h(x,y)：

其中d为投影仪中心与CCD相机中心的距离，H为CCD相机到参考平面的垂直距离，f_x为二维正弦波调制光的空间频率；

S06.上位机根据待测组织体的高度值分布h(x,y)，对步骤(3)中获得的信号I(x,y)进行修正，得到待测组织体表面的漫反射光强分布 I_surf(x,y)：

其中θ(x,y)为组织体表面法线方向与CCD光轴的夹角，可根据其三维面形和空间几何关系求得；

根据正弦调整光的光强分布I_cos(x,y)和受待测组织体表面高度影响的实际光强分布I_real(x,y)对I_surf(x,y)进行修正，得到修正后的信号I_corrected(x,y)：

其中和分别表示傅里叶变化和傅里叶逆变换：

进一步地，步骤(5)包括以下步骤：

S07.上位机对信号I_corrected(x,y)逐行进行傅里叶变换，采用滤波器分解直流分量和交流分量，再对直流分量和交流分量分别进行傅里叶逆变换，求得直流DC频谱图像信号I_corrected,DC(x,y)和交流AC频谱图像信号I_corrected,AC(x,y)；

S08.按照步骤S07的方法，对步骤(2)中的信号I₀(x,y)逐行进行处理，求得直流DC频谱图像信号I_0,DC(x,y)和交流AC频谱图像信号 I_0,AC(x,y)；

S09.根据调制深度公式输入步骤S07和S08获得的信号： I_corrected,DC(x,y)、I_corrected,AC(x,y)、I_0,DC(x,y)、I_0,AC(x,y)，求各信号的直流DC 频谱调制深度MTF_DC(x,y)和交流AC频谱调制深度MTF_AC(x,y)：

其中r₀(x,y)是标准漫反射板的反射率，为已知值。

通过上述步骤(4)的技术措施，实现了根据待测组织体的三维形貌对其漫反射图像光强进行校正，从而减小了形状复杂的组织体表面高度和角度不一致导致的CCD相机成像时光照度采集误差，提高了测量准确性。现有的方法是先根据高度分布修改投射的灰度图案，再成像并修订图像，即需要2次成像，且这2次投射的光是不同的。

通过步骤S06改进了平方定律算法，改进后的算法不需要校正光源后再次成像，而是直接通过计算校正由光源到组织体表面的距离不同、组织体表面到CCD的距离不同而引起的光照度变化，此外，改进的算法考虑到了朗伯体光照度随角度的变化，引入了第三项 1/cos[θ(x,y)]。通过上述步骤(5)的措施，实现了只需单次拍摄待测组织体即可得到漫反射图像各处的直流和交流调制深度，由该数据可以拟合得到待测组织体各处的吸收系数和约化散射系数，与现有的三相移解调技术需要采集同一调制频率下3个不同相位的漫反射图像相比，大大减少了成像次数，提高了测量速度，可实现对生物组织光学参数的实时测量。现有方法需要从3个不同相位中提起DC和AC分量，即需要3次成像；若考虑到要校正因物体高度导致的误差，则需要3*2＝6次成像，本发明提高了测量速度，可实现对生物组织光学参数的实时测量。

由上地，一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的测量装置，该装置由数字投影仪、CCD相机、偏振片、上位机、标准漫反射板组成，其连接关系是：上位机与投影仪之间有信号线连接，上位机控制投影仪投射图案，产生具有空间频率的正弦调制光；标准漫反射板位于参考平面，投影仪和CCD相机位于参考平面上方的同一高度，投影仪光轴垂直于参考平面，CCD相机的光轴与参考平面的法线方向相交形成夹角A，使投影仪投射的影像在参考平面清晰投影，同时CCD相机完整采集参考平面上的影像；上位机与CCD相机之间有信号线连接，上位机接收CCD相机拍摄的图片并对图像数据进行处理，通过上述方法获得待测组织体各处的吸收系数和约化散射系数；投影仪和CCD相机前均装有偏振片，用于消减相机接收到的镜面反射光；标准漫反射板的漫反射率均一且为已知值(如97％)。目前通用的商用投影仪、上位机和实验室用CCD相机、线性偏振片即可满足测量要求。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本发明实现了只需单次拍摄即可得到待测组织体各处的吸收系数和约化散射系数，与现有的三相移解调技术相比，大大减少了成像次数，提高了测量速度，可实现对生物组织光学参数的实时测量。并且根据待测组织体的三维形貌对其漫反射图像光强进行了校正，从而减小了形状复杂的组织体表面高度和角度不一致导致的CCD相机成像时光照度采集误差，提高了测量准确性。

附图说明

图1为一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的测量装置示意图；

图2为一种基于空间频域成像技术测量组织体形貌和光学参数的方法方框示意图。

其中：1-数字投影仪，2-CCD相机，3-上位机，4-偏振片、5-偏振片，6-标准漫反射板，7-待测的组织体样品，8-参考平面，9-条纹图像，10-变形条纹图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所定义的范围。

实施例1：

参照附图1，图1中左侧直条纹图是入射的正弦调制光的示意图，上位机3上的弯曲条纹图是CCD拍摄到的图像的示意图；标准漫反射板板6漫反射率均一且已知，待测的组织体样品7为动物皮肤、肝脏、农产品果蔬等。

一种基于空间频域成像技术测量组织体形貌和光学参数的方法，其步骤是：

K1.投影仪1和CCD相机2位于参考平面8上方的同一高度上，投影仪1光轴垂直于参考平面8，CCD相机2的光轴与参考平面8的法线方向相交形成夹角A，夹角A＝15°，调整投影仪1的高度和CCD 相机2的高度和角度，使投影仪1投射的影像在参考平面清晰投影，同时CCD相机2完整采集参考平面上的影像，所述投影仪、CCD相机与上位机3通过信号线信号连接；

K2.上位机3生成一张空间频率为f_x的二维正弦波调制灰度图片，控制投影仪投影该图片，产生正弦调制光，正弦调制光在x方向光强度呈正弦变化，如同图1中左侧的条纹图像9；

K3.将标准漫反射板6置于参考平面8，通过投影仪1将正弦调制灰度图片投影到标准漫反射板6上，由CCD相机2采集标准漫反射板6上的参考光场光照度分布图像信号I₀(x,y)，所述标准漫反射板 6漫反射率r₀(x,y)均一且为已知值97％，上位机3接收CCD相机2的显示条纹图像9，其中x、y为图像信号的坐标，y方向与x方向垂直，表示参考光场内的条纹方向；

K4.将待测组织体7置于参考平面8，通过投影仪1将正弦调制灰度图片投影到待测组织体7上，由CCD相机2采集经组织体7散射后的变形光场光照度分布图像信号I(x,y)，上位机3接收CCD相机 2的信号I(x,y)显示变形条纹图像10；

K5.上位机对信号I(x,y)和信号I₀(x,y)分别沿图像信号中y方向对每一第y_i行数据逐行进行傅里叶变换，(1≤y_i≤n_y，n_y是图像信号I₀(x,y)、 I(x,y)中y方向的像素数)，将I(x,y)和I₀(x,y)的灰度分布函数分别变换为频率分布函数g₁(x,y)和g₀(x,y)，再输入投影仪1中心与CCD相机2 中心的距离d及CCD相机2到参考平面的垂直距离H，求取待测组织体高度值分布h(x,y)；

具体地，包括步骤：J1.通过选取带通滤波器滤出受待测组织体表面高度调制的变形光场漫反射光照度分布图像信号I(x,y)的基频分量，得到变形光场的基频分布g₁(x,y)，其中

A是谐波的振幅，r(x,y)是待测组织体表面的非均匀反射率，是变形条纹图像的相位分布；

J2.上位机对信号I₀(x,y)也进行步骤J1处理，得到参考光场的基频分布g₀(x,y)，其中

A是谐波的振幅，r₀(x,y)是标准漫反射板的反射率，是条纹图像的相位分布；

J3.上位机由变形光场的基频分布g₁(x,y)和参考光场的基频分布 g₀(x,y)根据公式计算s(x,y)：

*表示共轭运算；

J4.根据步骤J3获得的s(x,y)的虚部，计算待测组织体高度引起的相位调制值

Im[s(x,y)]表示取复数的虚部，Re[s(x,y)] 取复数的实部；

J5.上位机根据经相位展开后可得到真实的相位函数

J6.再由相位值转换得到待测组织体高度值分布h(x,y)：

其中d为投影仪1中心与CCD相机2中心的距离，H为CCD相机2 到参考平面的垂直距离，f_x为二维正弦波调制光的空间频率；

以上步骤J1～J6求取待测组织体高度值分布h(x,y)的方法，可参考魏升等.基于傅立叶变换轮廓术的物面相位提取.南昌大学学报.2007 年6月.第31卷第3期.260～261页。

K6.上位机根据待测组织体的高度值分布h(x,y)，对步骤K4中获得的信号I(x,y)进行修正，得到待测组织体表面的漫反射光强分布信号I_surf(x,y)：

由于待测组织体表面高度不一致会导致投射到组织体表面的结构光不满足正弦分布规律，为了得到在正弦调制光下的待测组织体漫反射光强分布图像，还需对I_surf(x,y)进行修正，得到修正后的信号 I_corrected(x,y)：

其中和分别表示傅里叶变化和傅里叶逆变换，I_cos(x,y)表示正弦调制光的光强分布，I_real(x,y)表示受待测组织体表面高度影响的实际光强分布：

K7.对信号I_corrected(x,y)和信号I₀(x,y)分别逐行进行傅里叶变换，采用滤波器分解直流分量和交流分量，再对直流分量和交流分量分别进行傅里叶逆变换，求得直流DC频谱图像信号I_corrected,DC(x,y)、I_0,DC(x,y) 和交流AC频谱图像信号I_corrected,AC(x,y)、I_0,AC(x,y)；最后根据调制深度公式求得图像的直流DC频谱调制深度MTF_DC(x,y)和交流AC频谱调制深度MTF_AC(x,y)：

其中r₀(x,y)是标准漫反射板的反射率；

具体地，步骤K7包括步骤：G1.对步骤K6中的信号I_corrected(x,y) 逐行进行傅里叶变换，采用滤波器对每一行频谱信号进行分解，使其分解成直流DC和交流AC对应的两部分频谱；再分别对DC频谱和 AC频谱进行傅里叶逆变换，得到信号I_corrected(x,y)中该行信号的直流分量I_DC和交流分量I_AC；对信号I_corrected(x,y)的每一行都进行傅里叶变化、频谱分解、傅里叶逆变换处理，直到得到整幅图像的信号：I_corrected,DC(x,y) 和I_corrected,AC(x,y)。

G2.采用步骤G1获得信号I₀(x,y)的I_0,DC(x,y)和I_0,AC(x,y)。

G3.计算得到调制深度：

其中r₀(x,y)是标准漫反射板的反射率，为已知值。

K8.预先根据待测组织体的光学参数范围，对待测组织体的光学参数范围内的吸收系数和约化散射系数进行离散化，组合吸收系数和约化散射系数得到若干组光学参数；利用蒙特卡洛模拟获得每一组光学参数对应的组织体模型在无限窄垂直光束激励下的漫反射光的空间分布；根据空间域与频域之间的傅里叶变换关系，计算所有组织体模型对应的调制传递函数(MTF)，建立数据库。空间域：在图像处理中，图像可以理解为空间域或者图像空间，处理对象为图像像元；频域：以空间频率为自变量描述图像的特征，可以将一幅图像像元值在空间上的变化分解为具有不同振幅、空间频率和相位的简振函数的线性叠加，图像中各种空间频率成分的组成和分布称为图像频谱。空间域与频域可互相转换，对图像施行二维离散傅立叶变换或小波变换，可以将图像由空间域转换到频域；通过对应的反变换又可转换回空间域图像。

K9.根据获得的调制深度MTF_DC(x,y)、MTF_AC(x,y)，与数据库中的模型进行匹配拟合，获得组织体各处的吸收系数和约化散射系数。

中国专利105816151B，一种基于空间频域测量的均匀组织体光学参数重建方法，公布了步骤K8、K9中建立光学参数数据库，建立光学参数对应的组织体的频域传递函数随频率的变化曲线，及调制深度与传递函数关系数据库中的模型匹配拟合，得到吸收系数和约化散射系数的过程。

Claims

1.一种基于上述方法的组织体形貌和光学参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)上位机生成一张空间频率为f_x的二维正弦波调制灰度图片，控制投影仪投影该图片，产生正弦调制光，正弦调制光在x方向光强度呈正弦变化；

(2)选取标准漫反射板置于参考平面，将正弦波调制灰度图片投影到标准漫反射板上，由CCD相机采集标准漫反射板上的参考光场光照度分布图像信号I₀(x,y)，上位机接收CCD相机的信号I₀(x,y)显示条纹图像，其中x、y为图像信号的坐标，y方向与x方向垂直，表示参考光场内的条纹方向；

(3)将待测组织体置于参考平面，将正弦调制光投影到待测组织体上，由CCD相机采集经组织体散射后的变形光场光照度分布图像信号I(x,y)，上位机接收CCD相机的信号I(x,y)显示变形条纹图像；

(4)通过傅里叶变换轮廓术得到待测组织体的三维形貌，据此对变形光场光照度分布图像信号I(x,y)进行校正，得到修正后的信号I_corrected(x,y)；

(5)再通过逐行傅里叶变换和频谱数据分解，得到调制深度MTF_DC(x,y)、MTF_AC(x,y)；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的傅里叶变换轮廓术包括以下步骤：

S01.上位机对步骤(3)中的信号I(x,y)沿y方向对每行数据逐行进行傅里叶变换，选取带通滤波器滤出受待测组织体表面高度调制的信号I(x,y)的基频分量；得到变形光场的基频分布其中A是谐波的振幅，r(x,y)是待测组织体表面非均匀反射率，是变形条纹图像的相位分布；

S02.上位机对步骤(2)中的信号I₀(x,y)也进行步骤(4)的处理，得到原始光场的基频分布其中r₀(x,y)是标准漫反射板的反射率，是条纹图像的相位分布；

S03.上位机由变形光场的基频分布g₁(x,y)和参考光场的基频分布g₀(x,y)根据公式计算：

*表示共轭运算；

Im[s(x,y)]表示取复数的虚部，Re[s(x,y)]取复数的实部,

上位机根据经相位展开后可得到真实的相位函数

S05.上位机再由相位值转换得到待测组织体高度值分布h(x,y)：

S06.上位机根据待测组织体的高度值分布h(x,y)，对步骤(3)中获得的信号I(x,y)进行修正，得到待测组织体表面的漫反射光强分布信号I_surf(x,y)：

其中和分别表示逆傅里叶变化和傅里叶逆变换：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)包括以下步骤：

S08.按照步骤S07的方法，对步骤(2)中的信号I₀(x,y)逐行进行处理，求得直流DC频谱图像信号I_0,DC(x,y)和交流AC频谱图像信号I_0,AC(x,y)；

S09.根据调制深度公式输入步骤S07和S08获得的信号：I_corrected,DC(x,y)、I_corrected,AC(x,y)、I_0,DC(x,y)、I_0,AC(x,y)，求各信号的直流DC频谱调制深度MTF_DC(x,y)和交流AC频谱调制深度MTF_AC(x,y)：

其中r₀(x,y)是标准漫反射板的反射率，为已知值。

4.一种基于权利要求1～3所述方法的组织体形貌和光学参数测量装置，其特征在于，该装置由数字投影仪、CCD相机、偏振片、上位机、标准漫反射板组成，其连接关系是：上位机与投影仪之间有信号线连接，上位机控制投影仪投射图案，产生具有空间频率的正弦调制光；标准漫反射板位于参考平面，投影仪和CCD相机位于参考平面上方的同一高度，投影仪光轴垂直于参考平面，CCD相机的光轴与参考平面的法线方向相交形成夹角A，使投影仪投射的影像在参考平面清晰投影，同时CCD相机完整采集参考平面上的影像；上位机与CCD相机之间有信号线连接，上位机接收CCD相机拍摄的图片并对图像数据进行处理。