一种多色光照明三维粒子成像系统及方法与流程

本发明涉及三维粒子场表征技术领域，具体涉及一种多色光照明三维粒子成像系统及方法。

背景技术：

利用三维成像技术获取粒子三维坐标、形状、速度是冲击动力学、湍流、海洋、生物、大气等相关领域粒子动力学研究的重要内容。根据相关报道，目前相关研究中，主要采用全息技术获取三维粒子信息。

全息成像技术具有三维再现能力，能够给出颗粒的三维空间分布和粒径分布，在粒子场信息(包括颗粒数量、空间分布、颗粒度)表征方面优势明显，并获得了广泛应用，相关研究已有近30年的历史。

其主要原理如下：用准直激光照明粒子场，其前向散射场经光学系统传播至记录介质平面，并与未受干扰的透射波干涉，产生全息图像；通过全息重建方法及图像处理技术，可获得三维粒子信息。

然而，受制于激光相干性及光路元器件多次反射的影响，图像中会引入相干噪声，当与粒子强度可比拟时，无法从背景识别粒子。并且，由于光学系统缺陷、相邻粒子间的多次散射和检测环境复杂性等都会降低全息图像对比度。尤其在复杂环境中，由于粒子浓度动态范围大，传统全息技术无法获取有效数据，甚至失效。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有的全息成像技术受制于激光相干性及光路元器件多次反射的影响，图像中会引入相干噪声，当与粒子强度可比拟时，无法从背景识别粒子。并且，由于光学系统缺陷、相邻粒子间的多次散射和检测环境复杂性等都会降低全息图像对比度。尤其在复杂环境中，由于粒子浓度动态范围大，传统全息技术无法获取有效数据，甚至失效。

本发明目的在于提供一种多色光照明三维粒子成像系统及方法，本发明公开了一种多色光照明、多幅图像合成的三维粒子成像技术，具体如下：用多色光照明待检测粒子场得到散射光场，用光学成像子系统接收散射光场，并用多个ccd相机(包括黑白相机和彩色相机)同时记录多波长图像，对每个波长进行衍射重建，融合多波长信息进行三维层析图像重建。本发明系统及方法可抑制相干噪声、系统噪声及环境噪声，可提高粒子图像重建质量，从而可提高粒子信息获取精度。并且，本发明可采用紧凑型光纤激光照明方式，能够提供一种便携式三维粒子成像系统。

因此，发展多色光照明三维粒子成像技术，对于复杂环境中(如煤矿、车间及建筑工程等环境)的粉尘及颗粒检测具有重要意义。

本发明通过下述技术方案实现：

一方面，本发明提供了一种多色光照明三维粒子成像系统，该系统包括：照明模块、光学成像子系统、图像记录子系统和粒子图像重建子系统；所述图像重建子系统通过数据传输线连接所述图像记录子系统，所述图像重建子系统通过控制线连接所述照明模块；

照明模块，用于产生多色照明源，通过粒子图像重建子系统触发所述多色照明源，多色照明源输出不同波长的多色光以不同角度(包括同轴及斜入射)照明待测样品区域，得到目标散射光；所述多色照明源包括功率可调的连续多色照明源或脉冲能量可调的脉冲多色照明源；

所述光学成像子系统，用于把目标散射光进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统；

所述图像记录子系统，用于记录所述光学成像子系统处理得到的各个波长图像；

所述粒子图像重建子系统，用于对每个波长图像进行衍射重建，得到多波长重建图像；通过融合所述多波长重建图像获取三维层析图像，并对所述三维层析图像进行图像处理获取三维粒子图像，提供每颗粒子投影图像。

进一步地，所述照明模块采用紧凑型光纤激光照明方式。

进一步地，所述多色光包括相干光、部分相干光及光纤激光等。

进一步地，所述粒子图像重建子系统的执行过程如下：

距离光学成像子系统离物平面100μm量级处放置二维目标(放置二维目标的方式为将直径为10μm量级的金属颗粒随沉积在透明玻璃板表面)，依次用三束光照明所述二维目标，并记录相应的衍射图像；利用基于梯度信息进行自动聚焦，获得最佳聚焦位置；

通过斜入射照明对应的衍射图像中心将在记录平面将发生偏移，通过平移量与斜入射角的几何关系，确定入射角度；

根据获取的不同波长光的聚焦位置、入射角度及及记录图像，对不同波长对应的粒子图像衍射重建，得到不同波长光对应的三维切片；

利用单像素量级标准颗粒样品对应的衍射重建图像作为系统点扩散函数，根据所述不同波长光的三维切片和系统点扩散函数进行图像融合，得到融合后一套图像切片的重建结果；基于所述重建结果，通过自动分割法提取三维粒子信息；

其中，进行图像融合过程采用以下公式：

i为多波长图像融合后的切片图像，ir、ig和ib表示不同波长对应的衍射重建图像，表示im对应的点扩散函数，f表示傅里叶变换，τ为正则化项。

进一步地，所述基于所述重建结果，通过自动分割法提取三维粒子信息；包括：

对所述重建结果的一套图像切片进行伽马变换，得到增强图像切片；基于增强图像切片，通过三个尺度的最小值滤波产生不同尺度的图像，并对每个尺度进行循环otsu迭代，roi方差低于设定阈值时停止迭代；利用不同尺度roi的均值、标准差、众数对所得的方差和众数加权，取众数加标准差作为最终分割阈值；完成分割后对得到的分割mask进行腐蚀和膨胀。

进一步地，所述图像记录子系统包括多个ccd相机，所述ccd相机包括黑白ccd相机、彩色ccd相机。

进一步地，所述待测样品区域的待测样品包括粉尘、颗粒、液滴、海洋微生物或雪花。

进一步地，所述光学系统采用光纤耦合方式进行照明及图像传输，使光学成像子系统更加紧凑，减小了系统硬件实现难度，可提供便携式系统。

进一步地，该系统适应于复杂环境中的粉尘及颗粒检测，包括冲击动力学实验、煤矿、车间内及建筑工程中粉尘表征及分析。

另一方面，本发明还提供了一种多色光照明三维粒子成像方法，该方法包括以下步骤：

s1，图像记录：利用照明模块的多色光照明待检测粒子场，得到目标散射光场，并传输至光学成像子系统；所述光学成像子系统接收散射光场进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统，通过多个ccd相机记录多波长图像；所述多色光包括相干光、部分相干光及光纤激光等；

s2，图像重建：对每个波长图像进行衍射重建，得到多波长重建图像；通过融合所述多波长重建图像获取三维层析图像，并对所述三维层析图像进行图像处理获取三维粒子图像，提供每颗粒子投影图像。

工作原理是：本发明设计了一种多色光照明、多幅图像合成的三维粒子成像技术，该方法实现分两步：(1)图像记录和(2)图像重建。图像记录阶段用多色光(包括相干、部分相干及光纤激光等)照明待检测粒子场得到散射光场，光学成像子系统接收散射光场，多个ccd相机(包括黑白ccd相机、彩色ccd相机)记录多波长图像；图像重建阶段，对每个波长图像进行衍射重建得到多波长重建图像，融合多波长重建图像获取三维层析图像，对三维层析图像进行处理获取三维粒子图像。与传统方法相比，本发明公开的技术提供高精度粒子坐标、高信噪比及高对比度重建图像、能够适应复杂环境中的粉尘及颗粒检测，如冲击动力学实验、煤矿、车间内及建筑工程中粉尘表征及分析。

进一步地，步骤s2的图像重建包括以下子步骤：

s21：距离光学成像子系统离物平面100μm量级处放置二维目标(放置二维目标的方式为将直径为10μm量级的金属颗粒随沉积在透明玻璃板表面)，依次用三束光照明所述二维目标，并记录相应的衍射图像；利用基于梯度信息进行自动聚焦，获得最佳聚焦位置；

s22：通过斜入射照明对应的衍射图像中心将在记录平面将发生偏移，通过平移量与斜入射角的几何关系，确定入射角度；

s23：根据获取的不同波长光的聚焦位置、入射角度及三个光图像进行不同波长对应的粒子图像衍射重建，得到每个不同波长光的三维图切片；

s24：利用单像素量级标准颗粒样品对应的衍射重建图像作为系统点扩散函数，根据所述每个不同波长光的三维图切片和系统点扩散函数进行图像融合，得到一套图像融合的重建结果；基于所述重建结果，通过自动分割法提取三维粒子信息；

其中，进行图像融合过程采用以下公式：

i为多波长图像融合后的切片图像，ir、ig和ib表示不同波长对应的衍射重建图像，表示im对应的点扩散函数，f表示傅里叶变换，τ为正则化项。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过多色照明，可抑制传统全息中的相干噪声，从而可提供高信噪比粒子图像；

2、本发明通过融合多波长及多角度信息，能够适应复杂环境中的粉尘及颗粒检测，可精确获取目标区域颗粒的三维坐标；

3、本发明可采用光纤耦合方式，使成像系统更加紧凑，减小了系统硬件实现难度，可提供便携式系统；

4、本发明高质量的重建图像有利于后续图像分析，可快速提供三维粒子信息。

5、与传统方法相比，本发明公开的技术提供高精度粒子坐标、高信噪比及高对比度重建图像、能够适应复杂环境中的粉尘及颗粒检测，如冲击动力学实验、煤矿、车间内及建筑工程中粉尘表征及分析。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一种多色光照明三维粒子成像系统结构示意图。

图2为本发明三色部分相干光纤激光照明三维粒子成像系统重建流程图。

图3为本发明一种多色光照明三维粒子成像方法流程图。

图4为本发明利用图1所示系统记录沉降在透明介质中煤矿粉尘示意图。

图5为本发明从图2中提取的所有煤矿粉尘投影图像。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本发明一种多色光照明三维粒子成像系统，该系统包括：照明模块、光学成像子系统、图像记录子系统和粒子图像重建子系统；所述图像重建子系统通过数据传输线连接所述图像记录子系统，所述图像重建子系统通过控制线连接所述照明模块；其中，图像重建子系统通过计算机来实现，即计算机上运行有图像重建子系统。

照明模块，用于产生多色照明源，通过粒子图像重建子系统触发所述多色照明源，多色照明源输出不同波长的多色光(多色光包括相干光、部分相干光及光纤激光等)以不同角度(包括同轴及斜入射)照明待测样品区域，得到目标散射光；所述多色照明源包括功率可调的连续多色照明源或脉冲能量可调的脉冲多色照明源，以获取最佳图像对比度；

所述待测样品区域的待测样品包括粉尘、颗粒、液滴、海洋微生物、雪花等；

所述光学成像子系统，用于把目标散射光进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统；

所述图像记录子系统，包括多个ccd相机，可以为黑白ccd相机，也可以为彩色ccd相机；所述图像记录子系统用于记录所述光学成像子系统处理得到的各个波长图像；

所述粒子图像重建子系统，用于对每个波长图像进行衍射重建，得到多波长重建图像；通过融合所述多波长重建图像获取三维层析图像，并对所述三维层析图像进行图像处理获取三维粒子图像，提供每颗粒子投影图像。

具体实施例时，所述照明模块采用紧凑型光纤激光照明方式。

具体实施例时，重建流程如图2所示，需要获取不同波长对应的最佳聚焦距离、入射角度及点扩散函数。根据一般光学成像理论可知，由于色差不同波长的信息聚焦位置不同，在离光学成像子系统离物平面大约100μm处放置二维目标(放置二维目标的方式为将直径为大约10μm金属颗粒随沉积在透明玻璃板表面)，依次用三束光照明上述二维目标，并记录相应的衍射图像，利用基于梯度信息进行自动聚焦可获得最佳聚焦位置；斜入射照明对应的衍射图样中心将在记录平面将发生偏移，通过平移量与入射角的几何关系，可确定入射角度；单像素量级标准颗粒样品对应的衍射重建图像作为系统点扩散函数。

那么，如图2所示，所述粒子图像重建子系统的具体执行过程如下：

距离光学成像子系统离物平面100μm量级处放置二维目标(放置二维目标的方式为将直径为10μm量级的金属颗粒随沉积在透明玻璃板表面)，依次用三束光照明所述二维目标，并记录相应的衍射图像；利用基于梯度信息进行自动聚焦，获得最佳聚焦位置；

通过斜入射照明对应的衍射图像中心将在记录平面将发生偏移，通过平移量与斜入射角的几何关系，确定入射角度；

根据获取的不同波长光的聚焦位置、入射角度及及记录图像，对不同波长对应的粒子图像衍射重建，得到不同波长光对应的三维切片；

利用单像素量级标准颗粒样品对应的衍射重建图像作为系统点扩散函数，根据所述不同波长光的三维切片和系统点扩散函数进行图像融合，得到融合后一套图像切片的重建结果；基于所述重建结果，通过自动分割法提取三维粒子信息；

其中，进行图像融合过程采用以下公式：

i为多波长图像融合后的切片图像，ir、ig和ib表示不同波长对应的衍射重建图像，表示im对应的点扩散函数，f表示傅里叶变换，τ为正则化项。

具体地，基于所述重建结果，通过自动分割法提取三维粒子信息；流程包括：

对所述重建结果的一套图像切片进行伽马变换，得到增强图像切片；基于增强图像切片，通过三个尺度的最小值滤波产生不同尺度的图像；对每个尺度进行循环otsu迭代，roi方差低于设定阈值时停止迭代；利用不同尺度roi的均值、标准差、众数对所得的方差和众数加权，取众数加标准差作为最终分割阈值；完成分割后对得到的分割mask进行腐蚀和膨胀。

具体实施例时，所述光学系统采用光纤耦合方式进行照明及图像传输，使光学成像子系统更加紧凑，减小了系统硬件实现难度，可提供便携式系统。

本发明系统可抑制相干噪声、系统噪声及环境噪声，可提高粒子图像重建质量，从而可提高粒子信息获取精度。并且，本发明可采用紧凑型光纤激光照明方式，能够提供一种便携式三维粒子成像系统。本发明系统适应于复杂环境中的粉尘及颗粒检测，包括冲击动力学实验、煤矿、车间内及建筑工程中粉尘表征及分析。

实施例2

如图4、图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例基于实施例1的一种多色光照明三维粒子成像系统进行煤矿粉尘测量，测量过程为：

(1)触发多色照明源，不同波长光以不同角度照明待测区域，目标信息经光学成像子系统传播至图像记录子系统；(2)对每个波长图像经进行衍射重建，通过融合多波长图像获取三维层析图像，最后通过将层析图像进行图像处理获取粒子图像。

测量结果如下：图4为采用本发明记录的沉降在玻璃表面的煤矿粉尘图像，图像中环状结构为粉尘衍射图像。采用本发明提出的重建技术提取图3中煤矿粉尘信息，获得的粉尘二值投影图像如图5所示。

由以上测量结果可知，本发明系统对煤矿粉尘检测可抑制相干噪声、系统噪声及环境噪声，可提高粒子图像重建质量，从而可提高粒子信息获取精度。本发明系统适应于复杂环境中的煤矿粉尘及颗粒检测，且检测效果佳，提高了粒子信息获取精度。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还提供了一种多色光照明三维粒子成像方法，该方法应用于实施例1所述的一种多色光照明三维粒子成像系统，该方法包括以下步骤：

s1，图像记录：利用照明模块的多色光照明待检测粒子场，得到目标散射光场，并传输至光学成像子系统；所述光学成像子系统接收散射光场进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统，通过多个ccd相机记录多波长图像；所述多色光包括相干光、部分相干光及光纤激光等；

s2，图像重建：对每个波长图像进行衍射重建，得到多波长重建图像；通过融合所述多波长重建图像获取三维层析图像，并对所述三维层析图像进行图像处理获取三维粒子图像，提供每颗粒子投影图像。

本实施例中，步骤s2的图像重建包括以下子步骤：

s21：距离光学成像子系统离物平面100μm量级处放置二维目标(放置二维目标的方式为将直径为10μm量级的金属颗粒随沉积在透明玻璃板表面)，依次用三束光照明所述二维目标，并记录相应的衍射图像；利用基于梯度信息进行自动聚焦，获得最佳聚焦位置；

s22：通过斜入射照明对应的衍射图像中心将在记录平面将发生偏移，通过平移量与斜入射角的几何关系，确定入射角度；

s23：根据获取的不同波长光的聚焦位置、入射角度及三个光图像进行不同波长对应的粒子图像衍射重建，得到每个不同波长光的三维图切片；

s24：利用单像素量级标准颗粒样品对应的衍射重建图像作为系统点扩散函数，根据所述每个不同波长光的三维图切片和系统点扩散函数进行图像融合，得到一套图像融合的重建结果；基于所述重建结果，通过自动分割法提取三维粒子信息；

其中，进行图像融合过程采用以下公式：

i为多波长图像融合后的切片图像，ir、ig和ib表示不同波长对应的衍射重建图像，表示im对应的点扩散函数，f表示傅里叶变换，τ为正则化项。

其他的实施方式按照实施例1执行即可。

本发明设计了一种多色光照明、多幅图像合成的三维粒子成像技术，该方法实现分两步：(1)图像记录和(2)图像重建。图像记录阶段用多色光(包括相干、部分相干及光纤激光等)照明待检测粒子场得到散射光场，光学成像子系统接收散射光场，多个ccd相机(包括黑白ccd相机、彩色ccd相机)记录多波长图像；图像重建阶段，对每个波长图像进行衍射重建得到多波长重建图像，融合多波长重建图像获取三维层析图像，对三维层析图像进行处理获取三维粒子图像。与传统方法相比，本发明公开的技术提供高精度粒子坐标、高信噪比及高对比度重建图像、能够适应复杂环境中的粉尘及颗粒检测，如冲击动力学实验、煤矿、车间内及建筑工程中粉尘表征及分析。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。