专利名称：基于光栅投影的三维内窥测量装置和方法
基于光栅投影的三维内窥测量装置和方法技术领域本专利涉及内窥镜，特别是一种基于光栅投影的三维内窥测量装置和方法。
技术背景内窥镜是一种光机电结合的精密医疗仪器，用于观察体内组织和结构，为医学 诊断，特别是微创手术提供科学的诊断信息。从最初的硬管内窥镜到现在的纤维内 窥镜以及电子内窥镜，内窥镜的技术发展日臻成熟。现有的内窥镜包括纤维内窥镜和电子内窥镜。内窥镜一般由照明系统和图像采 集系统组成。照明系统主要是将光源(常用的如卤素冷光源)产生的照明光传导入 体内，为待观察的组织提供成像照明。现行的照明系统多采用非结构光源照明，照 明光场本身不能携带任何的编码信息。图像采集系统则是通过光纤导像束或者CCD 采集组织图像，得到被测组织的二维图像信息。这种内窥图像所包含的信息反映了被测组织的二维平面信息，图像处理工作集 中在提高现有平面图像的质量(例如清晰度和彩色图像)和消除由于系统产生的各 种像差。法国的J.RRey等将内窥镜输出的视频信号采集到计算机中进行图像分析和 处理[参见在先技术1: J.RRey，etc，al., Electronic Video Endoscopy: Preliminary Results of Imaging Modification, Endoscopy, Vol. 20,1988: 8-10]。意大利的S.Guadagni等以电 子内窥镜和一台386计算机为核心，研制了电子内窥镜图像处理、分析系统[参见在 先技术2: S. Guadagni,etc,al., Imaging in Digestive Videoendoscopy, SPIE， Optic Fibers in Medicine, Vol. 1420,1991:178-182]。近来，微型CCD的出现，极大的提高了平面图 像所包含的信息质量。这些技术的发展为医学诊断创造了良好的条件。但是，现有内窥镜系统由于光场所包含的信息非常少，只能得到被测组织的平 面二维信息，而丢失了包含物体相对深度和横向尺寸的三维形貌信息，这种信息的 丢失给科学诊断和医学研究造成了很大的限制。克服这种缺点的方法是采用光学三 维测量技术，这种技术能有效的同内窥成像技术相结合，测量目标的三维面形分布， 提供目标的三维形貌信息。光学三维形貌测量技术是一类成熟的测量技术，广泛应用于各种测量领域，具 有精度高、速度快和非接触性测量等优点。其中一种光学三维形貌测量技术采用主 动光学三维测量原理，使照明光场结构化(点，线，光栅条纹等)，利用结构光照明 被测物体，被测物体三维表面对照明的结构光进行调制，使光场携带被测物体表面的三维形貌信息。再通过CCD拍摄调制结构光场的图像，经计算机处理，通过三维 形貌重构算法，得到被测目标的三维形貌信息。特别的，利用光栅条纹作为结构光 的傅立叶变换轮廓术(FTP),由Takeda等人于1983年提出[参见在先技术3: Takeda Mitsuo, Mutoh Kazuhiro ， " Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes", Applied Optics, Vol.22， Issue.24, 1983]。这禾中方法 将光栅条纹光场作为结构光源，通过对图像强度分布进行傅立叶变换、滤波、傅立 叶逆变换、位相展开等图像和信息解调算法处理，得到测量目标的三维形貌信息。现有的内窥三维测量系统采用激光高度扫描技术。但是，这种激光扫描系统的 控制结构复杂，所需时间较长，实施方案繁琐，技术尚不成熟。发明内容本发明要解决上述现有技术内窥镜输出图像三维信息的丢失问题等不足，提供 一种基于光栅投影的三维内窥测量装置和方法，以获得内窥对象的三维形貌信息， 并具有测量速度快、测量精度较和方法简单的特点。本发明的技术解决方案如下一种基于光栅投影的三维内窥测量装置，其特点在于由光纤导像束、振幅型透射光栅、准直透镜、半导体激光器光源、微型面阵CCD探测器、传输线、图像采集卡和计算机构成，所述的计算机具有相应的图像处理和三维形貌计算重构软件，各部件的连接关系是所述的半导体激光器光源发出的激光依次经准直透镜、振幅型透射光栅和光纤导像束照射在待测物体表面，由微型面阵CCD探测器拍摄被待测物体表面三维形貌所调制的振幅型透射光栅的投影条纹后经传输线、图像采集卡进入 计算机。利用上述光栅投影的三维内窥测量装置进行测量的方法，包括下列步骤① 采集参考平面上的条纹分布图样测量物体三维形貌之前，首先利用微型面 阵CCD探测器和图像采集卡采集一幅参考平面上的光栅条纹图像，存储于计算机中；② 采集测量目标上的形变光栅条纹分布图像将所述的内窥三维测量装置的微型面阵CCD探测器对准被测对象，调整位置，使待测对象在该微型面阵CCD探测 器上清晰成像，采集待测目标三维形貌调制而产生形变的光栅条纹图像，存储于计 算机中；③ 计算机计算两幅图像位相差，重构所测目标的三维形貌*参考平面条纹图像的处理对微型面阵CCD探测器拍摄的参考平面条纹图像， 进行必要的图像处理，以提高图像的对比度，减少图像噪声，然后进行傅立叶变换、基频滤波、傅立叶逆变换，得到;。(Jc,;v—命。(Jc，力exp(/2;r/oX + A(x,力)，并存储 在计算机中；*对所测目标调制的形变条纹图像的处理同样，对微型面阵CCD探测器拍摄 的所测目标调制的形变条纹图像，进行必要的图像处理，以提高图像的对比度，减 少图像噪声，然后进行傅立叶变换、基频滤波、傅立叶逆变换，得到;(x,y卜命(x，;v)exp(f'2;r/。3c + ^(x，:v))，存储在计算机中； *将上述处理的结果和所存储的参考面条纹图像的处理结果带入下式进行计算Ap(x,;;) = g^fczl^i^，得到两幅图像的相对位相差； Re[g(W)g。 (A力] 由于计算机计算的反正切值位于[-兀,T!]，因此相对位相分布存在不连续跃变，要对计算的位相差进行相位展开； 最后利用/^,力=，A,(X,^ ，重构出所测目标的三维形貌分布，上述式中r/x，W、 ^c，^分别表参考平面示上述参考平面和所测目标两种情况 的非均匀的表面反射率，A表示各级傅立叶级数的权重因子，外&力和^3c,W表示条 纹图像未经调制和经过调制两种情况下的位相分布，々表示投影光栅条纹的基频。所采用的振幅型光栅的周期为100pm，开口比为l: 1，光栅直径不超过5mm。本发明的技术效果本发明将傅立叶变换轮廓术应用于内窥测量的方法和装置，解决扫描部件复杂、 控制精度要求高、测量时间长等技术问题。这种测量方法只需要一帧形变的光栅投 影图像就可以计算出物体的三维面形分布。相比现有的内窥镜系统，它能够获得内 窥对象的三维形貌信息，并具有测量速度快、测量精度较和方法简单的特点。
图1是本发明采用振幅型透射光栅投影的三维内窥测量装置的示意图。 图2是本发明所采用的傅立叶变换轮廓术的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。先请参阅图1，图1是本发明基于光栅投影的三维内窥测量装置的示意图。也 是本发明实施例的结构示意图。由图可见，本发明基于光栅投影的三维内窥测量装置，由光纤导像束2、振幅型透射光栅3、准直透镜4、半导体激光器光源5、微型 面阵CCD探测器6、传输线7、图像采集卡8和计算机9构成，各部件的连接关系 是所述的半导体激光器光源5发出的激光依次经准直透镜4、振幅型透射光栅3 和光纤导像束2照射在待测物体表面，由微型面阵CCD探测器6拍摄被待测物体表 面三维形貌所调制的振幅型透射光栅的投影条纹后经传输线7、图像采集卡8进入 计算机9，所述的计算机9具有相应的图像处理和三维形貌计算重构软件。图中1 表示光纤导像束2和微型面阵CCD探测器6的端面放大视图。本发明所涉及的测量原理即傅立叶变换轮廓术的基本物理原理如下 请参阅图2，图2是本发明所采用的傅立叶变换轮廓术的原理示意图。如图2 所示的光路结构。P1P2表示图像采集光路的光轴，L1L2表示光栅投影光路的光轴。 参考平面是一个假想的平面，作为待测面的测量参考。^x,"表示在待测物体表面D 点相对于参考平面的高度，d表示图像采集光路的入瞳中心和光栅投影光路光轴之 间的距离，当系统结构确定后，d为已知量。L0表示光栅投影光路入瞳和参考平面 的距离，在系统中同样为已知量。在参考平面上，即/ (x,j;):0时，条纹图像为最初的光栅投影，没有形变，其光场分布可以表示为<formula>formula see original document page 7</formula>(1)当光栅条纹投影到待测表面时，待测表面的高度分布A(x,力-O，得到形变的条纹图像，其光场分布可以表示为<formula>formula see original document page 7</formula>其中，"&力、^^，力分别表示上述两种情况的非均匀的表面反射率，^z表示各级傅立叶级数的权重因子，w(3c，力和pf3c，力表示条纹图像未经调制和经过调制两种情 况下的位相分布，/c表示投影光栅条纹的基频。对(1)式沿x轴作一维傅立叶变换获得傅立叶频谱，选择合适的滤波函数(常 用的滤波函数有矩形窗函数)对得到的频谱进行滤波，提取其基频分量后再作傅立叶逆变换，可以得到参考平面未经调制的条纹图像的复数信号g。 (A力=命<formula>formula see original document page 7</formula>对(2)式进行同样的处理，得到形变条纹图像的复数信号<formula>formula see original document page 7</formula>比较(3)和(4)式，所测物体三维形貌调制投影光栅条纹的结果导致复指数项中的位相发生了变化，大小为Zl^3c,":<formula>formula see original document page 8</formula>另一方面，在图2中由几何关系可得<formula>formula see original document page 8</formula>由(6)、 (7)式计算，得待测高度Vx，W和位相差J^^^之间的关系<formula>formula see original document page 8</formula>在具体的测量过程中，通过(5)式从参考光栅图像和形变调制光栅图像中计算 出位相差z(9^,"，然后带入(8)式得到所测物体的三维形貌分布。本发明的实施例所采用的振幅型透射光栅是周期为100nm，开口比为1: 1的铬 光栅模板，能够将所述的半导体激光器5输出的照明光调制成光栅条纹状的结构光， 从信息论的角度看，即产生了携带编码信息的投影光。光纤导像束2将铬光栅产生 的结构光传输、投影到待测物体表面。微型面阵CCD探测器6与光纤导像束2的光 轴有一微小夹角，该微型面阵CCD探测器6由计算机9控制，以实时监控投影条纹 的变化情况。采集参考平面上的条纹分布图样。测量物体三维形貌之前，首先利用微型面阵 CCD探测器6和图像采集卡8采集一幅参考平面(高度分布为/7^，>0 = 0)上的光栅条纹图像，存储在计算机9中作为基础参考数据，以便计算相对位相差，提取待 测平面与参考平面的相对高度分布。为了可靠地提取三维形貌信息，所设置的参考 平面和微型面阵CCD探测器6的距离与待测物体和微型面阵CCD探测器6的距离 大致相当。采集测量目标上的形变光栅条纹分布图像。将图1所示的内窥三维测量装置的 微型面阵CCD探测器6对准被测对象上，调整位置，使待测对象在微型面阵CCD 探测器6上清晰成像，采集受待测目标三维形貌调制而产生形变的光栅条纹图像， 存储于计算机9中待下一步的图像处理。计算两幅图像位相差，重构所测目标的三维形貌。对调制的光栅条纹图像和参 考平面条纹图像进行图像处理。为了提高测量的速度，参考平面条纹图像的处理可 以先行处理。对微型面阵CCD探测器6拍摄的图像，进行必要的图像处理，以提高 图像的对比度，减少图像噪声，然后进行傅立叶变换、基频滤波、傅立叶逆变换， 将处理的结果存储在计算机9中。所测目标调制的形变条纹图像经过同样的图像处理和分析，再将处理的结果和所存储的参考面条纹图像的处理结果带入下式进行计 算- (;c,力=歸fg Im[g(X,"g。*(X,力]，得到两幅图像的相对位相差。由于计算 机计算的反正切值位于[-兀,7t]，因此相对位相分布存在不连续跃变，因此需要对计算的位相差进行相位展开。最后利用(8)式，重构出所测目标的三维形貌分布。实验表明，本发明基于光栅投影的三维内窥测量装置和方法，具有测量速度快， 实施方法简单，有较高的测量精度等优点，通过计算机快速处理，可以高速动态监 控，具有重要的实用价值和应用前景。
权利要求
1. 一种基于光栅投影的三维内窥测量装置，其特征在于由光纤导像束(2)、振幅型透射光栅(3)、准直透镜(4)、半导体激光器光源(5)、微型面阵CCD探测器(6)、传输线(7)、图像采集卡(8)和计算机(9)构成，各部件的连接关系是所述的半导体激光器光源(5)发出的激光依次经准直透镜(4)、振幅型透射光栅(3)和光纤导像束(2)照射在待测物体表面，由微型面阵CCD探测器(6)拍摄被待测物体表面三维形貌所调制的振幅型透射光栅的投影条纹后经传输线(7)、图像采集卡(8)进入计算机(9)，所述的计算机(9)具有相应的图像处理和三维形貌计算重构软件。
2、 根据权利要求l所述的光栅投影的三维内窥测量装置，其特征在于所述的振 幅型透射光栅(3)的光栅周期为100nm，开口比为l: 1，光栅直径不超过5mm。
3、 利用权利要求l所述的光栅投影的三维内窥测量装置进行测量的方法，其特 征在于包括下列步骤① 采集参考平面上的条纹分布图样测量物体三维形貌之前，首先利用微型面 阵CCD探测器(6)和图像采集卡(8)采集一幅参考平面上的光栅条纹图像，存储 于计算机(9)中；② 采集测量目标上的形变光栅条纹分布图像将所述的内窥三维测量装置的微型面阵CCD探测器(6)对准被测对象，调整位置，使待测对象在该微型面阵CCD 探测器(6)上清晰成像，采集待测目标三维形貌调制而产生形变的光栅条纹图像，存储于计算机(9)中；③ 计算机(9)计算两幅图像位相差，重构所测目标的三维形貌 参考平面条纹图像的处理对微型面阵CCD探测器(6)拍摄的参考平面条纹图像，进行必要的图像处理，以提高图像的对比度，减少图像噪声，然后进行傅立叶变换、基频滤波、傅立叶逆变换，得到;。=4& (x,力exp(/2;r/。x + A ，并存储在计算机(9)中；"对所测目标调制的形变条纹图像的处理同样，对微型面阵CCD探测器(6) 拍摄的所测目标调制的形变条纹图像，进行必要的图像处理，以提高图像的对比度， 减少图像噪声，然后进行傅立叶变换、基频滤波、傅立叶逆变换，得到<formula>formula see original document page 2</formula>，存储在计算机(9)中； *将上述处理的结果和所存储的参考面条纹图像的处理结果带入下式进行计算卸(X,力=W啤Im[g(XJ)g。* ",力]，得到两幅图像的相对位相差； 由于计算机计算的反正切值位于[-兀，兀]，因此相对位相分布存在不连续跃变， 要对计算的位相差进行相位展开； 最后利用/^，力=，A,(A力，重构出所测目标的三维形貌分布，上述式中"fx，力、^C，力分别表参考平面示上述参考平面和所测目标两种情况 的非均匀的表面反射率，A表示各级傅立叶级数的权重因子，^A,"和^^,力表示条 纹图像未经调制和经过调制两种情况下的位相分布，々表示投影光栅条纹的基频。
全文摘要
一种基于光栅投影的三维内窥测量装置和方法，该装置是由光纤导像束、振幅型透射光栅、准直透镜、半导体激光器光源、微型面阵CCD探测器、传输线、图像采集卡和计算机构成，所述的计算机具有相应的图像处理和三维形貌计算重构软件。本发明方法的核心是在内窥观测中将振幅型透射光栅投影到待测表面上，光栅条纹受待测表面调制产生形变，通过CCD成像系统采集形变的光栅条纹，经过计算机图像处理，再通过三维形貌重建算法，获得待测目标的三维形貌信息。本发明能够获得内窥对象的三维形貌信息，并具有测量速度快、测量精度较和方法简单的特点。
文档编号A61B1/06GK101264002SQ20081003701
公开日2008年9月17日 申请日期2008年5月6日 优先权日2008年5月6日
发明者周常河, 军 张, 王晓鑫, 金 谢, 伟 贾 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所