专利名称：非接触式光学成像中自由空间光传播模型的建模方法
技术领域：
本发明涉及到光学分子影像成像模态-自发荧光断层成像(BLT)技术，特别涉及到非接触式光学成像中自由空间光传播的模型。
背景技术：
作为医学光子学技术的一个重要研究方向，医学成像技术试图在发展无辐射损伤、高分辨率的生物组织光学成像方法与技术的同时，体现出非侵入式、实时、安全、经济且能监测活体组织内部自然状态下化学成分的特点。从这一目标出发，非接触式探测在医学成像领域得到了广泛的应用。
与传统的接触式探测相比，在光学成像中采用非接触式探测的自由空间成像可以提供高质量的数据集，高空间分辨率的光子采样，并且可以简化实验。在非接触式光学成像中，为自由空间中漫射光传播建模时的关键问题是建立光从仿体表面到相机感应器平面的强度传递关系。2003年Jorge Ripoll在他的文章中介绍了一种用来描述自由空间中散射光从仿体表面到探测器平面的过程中能量转换的函数模型，表明了实现定量的非接触式光学成像的可能性。在他的模型中，他采用了一个NA依赖的简单的高斯函数来为相机的效果建模。然而，他的方法有一个缺点，至关重要的NA依赖函数是一个不确定的、敏感的函数，其中的参数需要加以选择从而精确描述漫射光从漫射物体表面到探测器平面的传播。
发明内容
为了解决现有技术建模函数敏感、不确定的问题，本发明的目的是进一步挖掘非接触式光学成像的机制，提出一种非接触式光学成像中自由空间光传播模型的建模方法。
解决问题的技术方案 为了达到所述目的，本发明非接触式光学成像中自由空间光传播模型的建模方法，其步骤如下 步骤1首先在距离仿体的附近引入一个虚平面； 步骤2根据给定仿体内光源计算仿体表面的向外的光通量； 步骤3用基于光学成像系统中相机镜头的数值孔径和虚平面法线方向与视线之间夹角的窄高斯函数，生成相机的透镜组的选择效应模块，依此模块将仿体外表面的光通量映射到仿体附近的虚平面上； 步骤4在依据透镜组的选择效应模块得到虚平面上的光强值的基础上，引入一个基于相机感应器平面上像素位置调整的高斯方程，生成衡量透镜组带来光强衰减整体效应的渐晕修正模块，通过渐晕修正模块对透镜组带来的光强衰减进行处理。
其中透镜组的选择效应模块，如下表示 式中，f(θd，NA)是描述透镜组选择效应的一个高斯函数，θd为虚平面法线方向与视线之间的夹角，NA为相机镜头的数字孔径，c为高斯函数的参数，其值为 其中渐晕修正模块，如下表示 f(rd)＝cos4(α)×f′(rd) 式中，f(rd)描述透镜组渐晕效应的一个函数；cos4(α)为cos4th定律，是由几何位置带来的光强衰减；α是虚平面上的点到透镜组中心连线与透镜组法向的夹角，rd为到虚平面中心的点距离； 式中c1是高斯函数的参数，通过对c1调整来近似不同透镜组带来的光强衰减效应。
其中虚平面距离仿体表面的附近，获得虚平面上的成像对该虚平面离仿体的距离不敏感。
其中仿体采用圆柱体仿体，在圆柱体仿体中放置两个圆柱体光源。
其中两个圆柱体光源具有相同的光通量。
本发明的技术效果本发明给出了虚平面处于不同距离对成像的影响只要虚平面距离仿体表面不是过近或是过远，虚平面上的成像对该平面离仿体的距离不敏感。
在非接触式光学成像中，为自由空间中漫射光传播建模时的关键问题是建立光从仿体表面到相机感应器平面的强度传递关系。本发明提出了一种有效的自由空间漫射光传播模型，考虑到了相机镜头数字孔径的影响和由透镜组的渐晕现象带来的光强衰减，获得了描述自由空间中光从仿体表面传播到相机感应器的直观、清晰的公式，从而使得针对非接触光学成像问题的定量分析有了更加直观的理论依据。
图1是本发明的流程图； 图2是本发明整体的光路传递线。
图3是本发明实施例从光源到虚平面的光路传递线。
图4是本发明实施例当NA＝0.5时，描述透镜组选择效应的窄高斯函数。
图5是本发明实施例从虚平面到相机感应器平面的光路传递线。
图6是本发明实施例为渐晕现象建模的宽高斯函数。
图7是本发明实施例验证实验所用的仿体。
图8是本发明实施例圆柱仿体表面光强。
图9是从图8中三个方位获得的虚平面上的成像结果。
图10是本发明实施例虚平面处于不同位置时成像情况。
具体实施例方式 下面将结合附图详细描述本发明的建模方法，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明采用一个基于光学成像系统中相机镜头的数字孔径NA和虚平面法线方向与视线之间夹角的窄高斯函数来为相机镜头里面的透镜组的选择效应建模，引入一个基于相机感应器平面上像素位置的可调整的高斯方程来为渐晕现象的整体效果建模，从而获得描述自由空间中光从仿体表面传播到相机感应器的直观、清晰的公式，促进了对定量的非接触光学成像的进一步研究。上面说到的渐晕现象是指光学成像系统输出中光随位置衰减的现象，显示了亮度从图像中心的放射性衰减。尽管透镜组生产商试图设计透镜组以让渐晕现象最小化，但是这种现象在一定程度上依然存在于所有透镜组上。某几种机制可能是渐晕现象的产生原因。自然界中的渐晕现象的成因是几何光学成像平面的不同区域受到光照情况不同。像素渐晕现象的成因是数字光学的角度敏感性造成以一个及其倾斜的角度穿过光子井的光被部分井壁阻挡。光学渐晕现象的成因是光路在透镜组体内被透镜组内的控光装置阻挡。而机械渐晕现象的成因是特定光路被相机其他设备阻挡。
在非接触光学成像中，为了获得尽可能多的信息，衡量透镜组透光能力的物镜焦距与入射光瞳周长的比值f，一般取值较小，例如取值为2、3或者4，此时，渐晕失真会变得很显著。如图1示出本发明的建模方法包括以下步骤 步骤1首先在距离仿体1的附近引入一个虚平面； 步骤2根据给定仿体1内光源rs计算仿体1表面的向外的光通量； 步骤3用基于光学成像系统中相机3镜头的数值孔径和虚平面2法线方向与视线之间夹角的窄高斯函数，生成相机的透镜组31的选择效应模块，依此模块将仿体外表面的光通量映射到仿体1附近的虚平面2上； 步骤4在依据透镜组31的选择效应模块得到虚平面2上的光强值的基础上，引入一个基于相机感应器32平面上像素位置调整的高斯方程，生成衡量透镜组31带来光强衰减整体效应的渐晕修正模块，通过渐晕修正模块对透镜组31带来的光强衰减进行处理。
下面对本发明方法涉及的关键步骤进行逐一详细说明，具体形式如下面所述 如图2示出了本发明非接触式光学成像系统中自由空间光传播的建模装置的光学成像系统整体的光路传递线，图中包括仿体1、虚平面2、相机3； 在光学成像系统中光轴上具有一仿体1，位于光学成像系统中的光轴上；一虚平面2，位于仿体1的附近，用于获得虚平面2上的成像对该虚平面2离仿体1的距离不敏感；一光源，位于仿体1内，用于计算仿体1表面的向外的光通量；一透镜组31位于虚平面2一侧，其对应的选择效应模块用于将仿体1表面的光通量映射到虚平面2上；一渐晕修正模块作用于透镜组选择效应模块之后，在光学成像系统感应器32平面上根据像素位置调整渐晕修正模块中的高斯函数，生成衡量透镜组31的光强衰减整体效应的结果。仿体1采用圆柱体形状。
1、根据给定光源rs计算仿体1表面的向外的光通量； 为了确定理论图像与相机3获得的实验图像最终比较结果的效果，确定对仿体1外表面的光通量的计算是正确的，且成为必需，本发明利用中科院自动化研究所医学影像研究室开发的一种基于蒙特卡洛方法的光子传播仿真软件MOSE(摩西)是一种有效工具，它的一个优点是它可以处理几何形状和任意形状的仿体，它的另一优点是它可以处理点光源、均匀分布在一个仿体内的柱状光源和椭圆体光源。通常，可以利用MOSE(摩西)获得外表面光通量。
假如光源rs是点光源，并且仿体的几何形态简单，那么基尔霍夫近似是计算高散射媒质中外部光通量的一种好方法。它的理论结果比蒙特卡洛方法获得的数值结果更加平滑。
这里介绍一下基尔霍夫近似方法用于解决前向高散射问题。给出一个漫射物体为仿体1，如图3从光源点rs到虚平面2的光路传递线所示，仿体1的体积为V、表面积为S，在其表面上一点rp的外向光通量为Jn(rp)，Jn(rp)的计算方法如下， 其中，S(r′)表示光源分布，G(rs，rd)是格林函数，D是漫射常数，其值为1/3(μ′s+μa)。Cnd考虑了媒质(nin和noul)和空气中之间的折射率指数不匹配，所以Cnd根据这个经验关系来计算， G(rs，rd)则依据基尔霍夫近似来计算， 上述公式用到的变量和参数如下所示， 在这些方程中，rs是光源中的一个点，rs是仿体1表面上的一个点，
为仿体1表面指向空气的法向量，如图3所示。是一个实向量，
在各个维度的数值量均为256， 2、依据透镜组31的选择效应将外表面光通量映射到仿体1附近的虚平面2上； 如图3所示，θ是物体表面点rp的法向与视线的夹角，rd是虚平面2上的一点，
是虚平面2的法向，θd为虚平面2法线方向与视线之间的夹角。一旦表面S上的外部光通量被确定，为了得到相机3感光平面上的光通量，首先要确定映射到仿体1表面附近的虚平面2上的光通量值。这一映射关系用一个窄高斯函数来描述，具体的传递函数如下， Jdet(rd)＝∫SJn(rp)W(rp，rd)dS(9) 在上述方程中，用一个辐射率为常值、与仿体1表面和透镜组31夹角无关的朗伯源来表示向外的漫射光。
是描述漫反射表面光的相互作用的经典模型。f(rd)是一个修正函数，它描述了由透镜组31引起的光强衰减，如下一小节所阐述。特别地，我们选择透镜组的选择效应模块为f(θd，NA)如下， 式(11)中，θd为虚平面2法线方向与视线之间的夹角，相机镜头的数字孔径NA，c为窄高斯函数的参数，其值为这里，NA＝0.05，这个窄高斯函数的曲线图如图4所示，其中Thetad就是表示θd。这个窄高斯函数是一个选通函数，只有来自表面相应区域的光可以被映射到虚平面2的特定位置。
3、考虑由透镜组31带来的光强衰减； 图5所示是本发明从虚平面2到感应器平面32的光路传递线。本发明不计算相机3的感应器32平面上的光强，而是通过修正虚平面2上的光通量分布来考虑透镜组31的影响。特别地，渐晕修正模块的修正函数f(rd)为， f(rd)＝cos4(α)×f′(rd)(12) 式(12)中，
虚平面2上的点到透镜组31中心的方向，
为透镜组2的法线方向；cos4(α)为cos4th定律，是由几何位置带来的光强衰减，α是虚平面2上的点到透镜组31中心连线与透镜组31法向的夹角，rd为到虚平面2中心的点距离；宽高斯函数f′(rd)为 式(13)中c1是宽高斯函数的参数，通过对宽高斯函数的参数c1调整来近似不同透镜组31带来的光强衰减效应。在上述方程中，
是透镜组31的法向量，c1需要调整。
透镜组31光通量衰减的几何效应可以通过著名的cos4th定律来计算。本发明的模型认为由渐晕现象或其它异常所引起的能量衰减也很重要。渐晕现象的整体效应通过一个基于到虚平面2中心点距离的宽高斯函数f′(rd)来描述。可以对宽高斯函数的参数c1加以调整来近似不同透镜组2的效果。时，为渐晕现象建模的宽高斯函数如图6所示。
运行结果 为了验证本发明提出的改进模型，我们引入一组实验来验证所用的仿体1为CCD相机3拍摄的图片。如图7所示，图中(1)(2)(3)表示CCD相机3进行拍摄的三个方向，在圆柱体仿体1中放置两个圆柱体光源41和42，圆柱体光源41和42的半径均为0.15cm，高均为0.001cm，并且具有相同的光通量。圆柱体仿体1半径为0.95cm，高为3cm，圆柱体仿体1(、光学特性为g＝0.8，nin＝1.37。假设圆柱体仿体1中心坐标为(0，0，0)，它的底面所在平面为x0y平面，那么圆柱体光源41和42的坐标分别为(0.0，0.0，0.54)和(0.6，0.0，0.54)，单位是cm。
如图8示出了圆柱仿体1表面光强，圆柱仿体1的光学特性为散射系数吸收系数各向异性参数g＝0.8，折射率nin＝1.37，光源rs位于0.6cm处。图8(a)是采用基尔霍夫近似的圆柱仿体1表面光强结果，图8(b)是采用光子总数——4,000,000进行蒙特卡洛仿真得到的圆柱仿体1表面光强结果，图8(c)是对图8(a)和图8(b)中最高一排值的归一化值的圆柱仿体1表面光强比较结果，其中黑色点线5表示基尔霍夫近似的结果，方块线6表示蒙特卡洛仿真的结果。
描述了根据基尔霍夫近似方法和蒙特卡洛仿真方法计算得到的一侧的光通量以及它们的对比情况。最终选择采用蒙特卡洛仿真方法来确定虚平面2上的成像。由于光源的半径相对较大，如果采用基尔霍夫近似把两个光源当作点光源会增加误差。在蒙特卡洛仿真中，仿体1内光源发射出了4,000,000个光子。
虚平面2被放置在距离仿体0.15cm处。一台CCD相机3被放在距离仿体1大约10cm的地方来获取图像，分别放在(1)，(2)，(3)三个方向。
选定方程中的宽高斯函数的参数为选择透镜组31的NA值为一个比较小的值0.05，也就是虚平面2的离散化距离。图9是分别从图7中(1)，(2)，(3)三个方位获得的虚平面2上的成像结果，其中图9a1，图9b1，图9c1是理论图像，图9a2，图9b2，图9c2是实验图像，图9a3，图9b3，图9c3为对应理论图像和实验图像之间的对比，显示了良好的吻合性，其中黑点线7表示实验值，圈线8表示理论值。需要指出的是图9a3，图9b3，图9c3中所比较的值都是归一化值。
在图9中，我们将虚平面2放置在距离仿体1为0.15cm处。假如我们将虚平面2移动到0.05cm或者0.45cm处，CCD相机3的方位(1)虚平面2上的成像如图10所示。我们可以在图10上看到给定的NA值和离散化值，虚平面2离仿体1太近会引起图像畸变。但虚平面2距离仿体1较远不会引起图像的显著变化。这就证明了上述结论只要虚平面2距离仿体表面不是过近或是过远，虚平面2上的成像对该平面离仿体1的距离不敏感。图10示出了虚平面2处于不同位置时成像情况，其中，图10a1，图10b1虚平面2距离仿体1为0.05cm，10a2，10b2距离0.45cm。图10a1和图10a2，表示理论图像，图10b1和图10b2表示实验图像与理论图像的比较，其中黑点线7表示实验值，圈线8表示理论值。从图10b1的结果看出，当虚平面距离仿体1太近时，成像有畸变；从图10b2的结果看出，当虚平面距离仿体1有相当的距离时，仍能正确地成像，这说明虚平面2距离仿体表面不过近或是过远时，虚平面2上的成像对该平面离仿体1的距离不敏感。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1、非接触式光学成像中自由空间光传播模型的建模方法，其特征在于
步骤1首先在距离仿体的附近引入一个虚平面；
步骤2根据给定仿体内光源计算仿体表面的向外的光通量；
步骤3用基于光学成像系统中相机镜头的数值孔径和虚平面法线方向与视线之间夹角的窄高斯函数，生成相机的透镜组的选择效应模块，依此模块将仿体外表面的光通量映射到仿体附近的虚平面上；
步骤4在依据透镜组的选择效应模块得到虚平面上的光强值的基础上，引入一个基于相机感应器平面上像素位置调整的高斯方程，生成衡量透镜组带来光强衰减整体效应的渐晕修正模块，通过渐晕修正模块对透镜组带来的光强衰减进行处理。
2、根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述透镜组的选择效应模块，如下表示
式中，f(θd，NA)是描述透镜组选择效应的一个高斯函数，θd为虚平面法线方向与视线之间的夹角，NA为相机镜头的数字孔径，c为高斯函数的参数，其值为
3、根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述渐晕修正模块，如下表示
f(rd)＝cos4(α)×f′(rd)
式中，f(rd)描述透镜组渐晕效应的一个函数；cos4(α)为cos4th定律，是由几何位置带来的光强衰减；α是虚平面上的点到透镜组中心连线与透镜组法向的夹角，rd为到虚平面中心的点距离；
式中c1是高斯函数的参数，通过对c1调整来近似不同透镜组带来的光强衰减效应。
4、根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述虚平面距离仿体表面的附近，获得虚平面上的成像对该虚平面离仿体的距离不敏感。
5、根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述仿体采用圆柱体仿体，在仿体中放置两个圆柱体光源。
6、根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，所述两个圆柱体光源具有相同的光通量。
全文摘要
本发明公开非接触式光学成像中自由空间光传播模型的建模方法，首先在距离仿体的附近引入一个虚平面；根据给定仿体内光源计算仿体表面的向外的光通量；用基于光学成像系统中相机镜头的数值孔径和虚平面法线方向与视线之间夹角的窄高斯函数，生成相机的透镜组的选择效应模块，依此模块将仿体外表面的光通量映射到仿体附近的虚平面上；在依据透镜组的选择效应模块得到虚平面上的光强值的基础上，引入一个基于相机感应器平面上像素位置调整的高斯方程，生成衡量透镜组带来光强衰减整体效应的渐晕修正模块，通过渐晕修正模块对透镜组带来的光强衰减进行处理。本发明解决了建模函数敏感、不确定的问题，促进了对定量的非接触式光学成像的进一步研究。
文档编号G02B27/00GK101609211SQ20081011515
公开日2009年12月23日 申请日期2008年6月18日 优先权日2008年6月18日
发明者捷 田, 薇 杨, 鑫 杨, 璐 冯 申请人:中国科学院自动化研究所