一种活体漫反射图像获取方法及装置

本发明涉及一种活体漫反射图像获取方法及装置，属于图像技术领域和测量装置领域。

背景技术：

传统相机拍摄活体图像时，根据双色模型可知，图像中同时包含镜面反射信号和漫反射信号。在对活体生理信号进行研究时，人们往往更加关注和活体组织成分相关的漫反射信号，这就需要一种可以单独探测活体漫反射信号图像的方法。

目前用于探测活体漫反射图像的方法主要为正交偏振成像，及在光源端加入起偏器，使探测光源为线性偏振光，基于生物组织复散退偏的原理，漫反射光线将失去线性偏振特性，而没有深入组织的光线将依旧保持线性偏振特性，在ccd靶面前端加入垂直于起偏器的检偏器，即可实现漫反射图像的获取。但该方法需要在进行探测时加入偏振元件，使在实际应用时硬件成本增加且不易于推广。

目前，现有方法并没有在不使用偏振元件下实现活体漫反射图像的探测，本发明基于该技术问题，发明了一种活体漫反射图像检测方法及装置，在不使用偏振元件的情况下实现对活体漫反射图像的探测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种活体漫反射图像获取方法及装置。

本发明的具体技术方案如下：

第一方面，本公开实施例提供了一种活体漫反射图像获取方法，该方法包括：

采集时序活体图像，所述活体图像为使用具有特定光谱特性的光源进行探测的rgb图像，其信息中包含了入射至活体组织内的漫反射成分和直接从活体表面反射的镜面反射成分；

活体图像处理，包括如下步骤：

基于活体的生理特性，分离时序图像中的直流成分和时序图像中因活体内血流周期性脉动引起的交流成分；

基于漫反射光和镜面反射光的光谱特征，借助探测光源光谱特性和探测器光谱响应的先验知识，使用颜色空间投影的方法，实现对不同分量中镜面反射和漫反射成分的分离；

将不同分量中的漫反射成分进行重新融合，获得活体漫反射图像。

在上述活体图像处理方法中，所述基于活体的生理特性，分离时序图像中的直流成分和时序图像中因活体内血流周期性脉动引起的交流成分，包括：

计算每一帧活体图像包含活体目标全部像素进行空间平均，得到一维时序信号；

根据探测活体的心率生理特征，对获得的一维时序信号进行频域分析，获得与血液脉动相关信号的中心频率fhr；

对每一帧活体图像进行空间滤波，对于每个像素域使用fhr进行频域滤波，分离脉动交流信号和直流信号。

在上述活体图像处理方法中，所述基于漫反射光和镜面反射光的光谱特征，借助探测光源光谱特性和探测器光谱响应的先验知识，使用颜色空间投影的方法，实现对不同分量中镜面反射和漫反射成分的分离，包括：

根据光源光谱特性和探测光谱响应函数计算光源光谱在探测图像rgb颜色空间的单位向量，获得垂直于该向量平面的投影矩阵p；

根据投影矩阵p，将已分离的脉动交流分量和直流分量投影到特定颜色空间平面内，获得去除镜面反射的漫反射脉动交流分量和漫反射直流分量。

第二方面，本公开实施例提供了一种活体漫反射图像获取装置，包括：

图像采集模块，用于获取时序活体图像，该模块中包含了一个具有特殊光谱特性的探测光源和已知响应光谱的探测器；

处理模块，用于活体时序图像处理，得到活体漫反射图像；

输出模块，用于将获得的活体漫反射图像结果输出显示。

本发明具有以下有益效果：

本方法主要针对生理信号检测领域的漫反射图像采集问题，提出了一种无需使用偏振器件即可对活体漫反射图像进行采集的方法，具有更好的适用性，更有利于推广；

利用漫反射光和镜面反射光线性叠加原理和活体漫反射光和镜面反射光在光谱特性上的差异，实现了对两者的分离，该方法分离得到的漫反射图像具有极高的可靠性，且不受到探测表面是否光滑等因素影响，具有极高鲁棒性；

利用活体的生理特性，实现在分离镜面反射和漫反射成分的过程中，对感兴趣信号进行滤波处理，使该方法具有较高的信噪比。

附图说明

图1为本公开实施例提供的一种活体漫反射图像获取方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

这些详细的描述旨在帮助理解本发明，而不应被用于限制本发明。根据本发明公开的内容，本领域技术人员明白，可以不需要一些或者所有这些特定细节即可实施本发明。而在其它情况下，为了避免将发明创造淡化，未详细描述众所周知的操作过程。

参照图1，本公开实施例提供一种活体漫反射图像获取方法，包括：

s1，采集时序活体图像，该探测光源的光谱可根据选择可见光400nm-700nm波段，使用ccd相机进行探测，获取含有漫反射成分和镜面反射成分的活体时序图像，该时序图像的采样频率应满足后续频域分析的需求；

根据双色模型，采集到的时序活体图像可用(1)表示：

icam(x,y,t)＝i(x,y)[vs(x,y,t)+vd(x,y,t)]+n(x,y,t)(1)

其中icam(x,y,t)代表实际采集到的时序图像，x和y代表图像上不同位置的像素，t代表时间，icam由三个颜色通道图像组成，即icam＝(ir,ig,ib)^t，i(x,y)图像不同空间位置入射光强度，vs(x,y,t)和vd(x,y,t)代表镜面反射和漫反射对于入射光强在三个通道下的调制，n(x,y,t)代表探测器的量化噪声。

s2，分离图像的脉动交流分量和直流分量，具体计算过程可以包括：

选择感兴趣的颜色通道，计算每一帧活体图像包含活体目标全部像素进行空间平均，得到一维时序信号ivivo(t)，具体计算可表示为(2):

i代表分析生理信号时感兴趣的颜色通道，svivo代表活体目标所在的区域；

对获得的ivivo(t)进行频域分析，求取活体的心率hr，即获得与血液脉动相关信号的中心频率fhr，具体计算可表示为(3):

将每一帧活体图像进行空间滤波，提高信噪比，计算可表示为(4)：

对每个像素时序信号进行滤波，使用带通滤波器求取(fhr-δf，fhr+δf)频率内的脉动交流信号iac，使用低通滤波器得到直流信号idc；

根据上述计算后，得到的脉动交流分量iac(x,y,t)＝ispecular_ac(x,y,t)+idiffuse_ac(x,y,t)，包含了由心脏脉动引起的表面振动导致的镜面反射交流成分ispecular_ac(x,y,t)和由于心脏脉动引起的血液容积变化导致的漫反射交流成分idiffuse_ac(x,y,t)，得到的直流分量idc(x,y)＝ispecular_dc(x,y)+idiffuse_dc(x,y)，也包括了镜面反射成分和漫反射成分。

s3，对不同分量中镜面反射和漫反射成分的分离，具体计算过程可以包括：

根据已知探测光源光谱和探测器的光谱响应函数,得到探测光源在图像rgb空间的单位向量μs，并计算在rgb空间垂直于μs的平面的正交投影矩阵p，计算可表示为公式(5)：

p·μs＝(00)^t(5)

根据投影矩阵p，将已分离的脉动交流分量和直流分量投影到垂直于μs颜色空间平面内，具体计算可以表示为公式(6)：

由于镜面反射不受到活体组织吸收，探测到的镜面反射光光谱仅和探测光源光谱和探测器的光谱响应函数相关，故其平行于μs，则在垂直于μs平面上并不包含镜面反射成分，由此即可实现对其的分离。

s4，将不同分量中的漫反射成分进行重新融合，由于漫反射信号中的交流分量比较微弱，经过颜色投影后将进一步减弱，这里需要对该信号进行放大，具体计算如公式(7)所示:

idiffuse(x,y,t)＝w1·idiffuse_dc(x,y)+w2·idiffuse_ac(x,y,t)(7)

参数w1和w2代表了融合的不同成分的权重，经过公式(7)计算，便可获得时序活体漫反射图像。

s5，将上述求取的时序漫反射图像作为结果进行输出显示。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述能容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。