專利名稱：基于振幅型透射光柵投影的三維內窺測量裝置和方法
技術領域：
本專利涉及三維內窺測量裝置，特別是一種基于振幅型透射光柵投影的三維內 窺測量裝置和方法。
背景技術：
內窺鏡是一種光機電相結合的精密儀器，用于觀察人眼所不能直接觀察到或者 不方便觀察的體內組織和結構，為醫學診斷，特別是微創手術提供科學的診斷信息。 從最初的硬管內窺鏡到現在的纖維內窺鏡以及電子內窺鏡，內窺鏡的技術發展曰臻 成熟。
現行的內窺鏡，包括纖維內窺鏡和電子內窺鏡。內窺鏡在結構上包括照明系統 和圖像采集系統。照明系統將光源(常用的如鹵素冷光源)產生的照明光束導入待 測組織內部，為成像系統提供觀察所需的光能量。現行的照明系統多采用非結構光 光源照明，照明光源本身不包含任何編碼信息。圖像采集系統通過導像束或者CCD 相機采集待測組織的光場的分布信息，得到待測組織的二維圖像。
這種內窺圖像所包含的信息反映了待測組織的平面信息，圖像處理工作集中在 提高現有平面圖像的質量(例如，清晰度和彩色圖像)和消除由于系統產生的各種 像差。法國的J.F.Rey等將內窺鏡輸出的視頻信號采集到計算機中進行圖像分析和處 理[參見在先技術1: J.F.Rey,etc，al., Electronic Video Endoscopy: Preliminary Results of Imaging Modification, Endoscopy, Vol. 20,1988: 8-10]。意大利的S.Guadagni等以電子 內窺鏡和一臺386計算機為核心，研制了電子內窺鏡圖像處理分析系統[參見在先技 術2: S. Guadagni,etc,al.， Imaging in Digestive Videoendoscopy, SPIE, Optic Fibers in Medicine, Vol.l420，1991:178-182]。特別是微型CCD的出現，極大的提高了平面圖像 所包含的信息質量。這些技術的發展為醫學診斷創造了良好的條件。
但是，現行的內窺鏡由于光源所包含的信息非常少，只能得到待測組織的平面 二維信息，顯然在測量過程中丟失了包含物體相對深度和橫向尺寸的三維面形分布 信息。這種三維面形分布信息的丟失給科學診斷帶來了很大的限制。克服這種缺點 的方法是采用光學的三維測量技術，這種技術能有效同內窺成像技術進行結合，從 而得到測量目標的三維面形分布，提供測量目標的三維面形信息。
光學三維面形測量技術是一類成熟的測量技術，廣泛應用于工業測量等領域， 具有精度高，速度快以及非接觸性測量等優點。基于結構光投影的光學三維面形測 量技術采用主動光學三維測量，對光源進行編碼，產生結構光源(點，線，光柵條紋等)，利用產生的結構光源照明測量目標。通過測量目標三維表面對照明結構光進 行調制的結果，獲取測量目標表面面形信息的光場分布。通過圖像釆集系統采集測 量目標表面光場分布，經過三維面型信息解調算法，得到物體的三維面形數據，重 建測量目標的三維面形分布。特別的，利用光柵條紋作為結構光的傅立葉變換輪廓 術(FTP)， TakedaMitsuo等于1983年提出此種方法[參見在先技術3: TakedaMitsuo, Mutoh Kazuhiro, "Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes", Applied Optics, Vol.22， Issue.24,1983]。這種方法利用光柵條紋光場作 為結構光源，通過對圖像強度分布進行傅立葉變換、濾波、反傅立葉變換、位相展 開等圖像處理和信息解調算法，得到測量目標的三維面形分布。
一種已知內窺三維測量技術方案基于激光高度掃描技術。但是這種高度掃描系 統控制結構復雜，所需時間較長，實施方案繁瑣。
周常河，王曉鑫，張軍等提出的基于導像束的光柵投影三維測量方法和裝置(周 常河，王曉鑫，張軍等，"基于光柵投影的三維內窺測量裝置和方法"，發明專利， 申請號200810037012.6)。上述發明中利用導像束作為照明結構光的傳輸通道，實施 中必須考慮到導像束的分辨率匹配，導像束和光路之間的耦合。
發明內容
本發明的目的是要克服上述現有內窺鏡輸出圖像中三維面形信息的丟失的技術 問題，提供一種基于振幅型透射光柵的三維內窺測量裝置和方法，以獲得內窺測量 目標的三維面形分布信息，并具有測量速度快、測量精度高和方法簡單的特點。
本發明的技術解決方案如下
一種基于振幅型透射光柵的三維內窺測量裝置，其特征在于由發光二極管光源 (以下簡稱為LED光源)、準直透鏡組、振幅型透射光柵、投影微透鏡組、微型面陣 CCD相機、導線、LED光源供電模塊、信號傳輸線、圖像采集卡、數據傳輸線和計算 機構成，各部件的連接關系是所述LED光源電源模塊經過所述的導線與所述的LED 光源連接，所述的LED光源發出的光束依次經所述的準直透鏡、振幅型透射光柵形 成和投影微透鏡組，照射在待測目標表面，由所述的微型面陣CCD相機采集被待測 目標三維面形調制的光柵投影條紋，所述的微型面陣CCD相機經信號傳輸線、圖像 采集卡、數據傳輸線進入所述的計算機，所述計算機具有相應的圖像處理和三維面 形重構算法和軟件，所述的投影微透鏡組、振幅型透射光柵、準直透鏡組、LED光 源和微型面陣CCD相機都集成在一直管套筒之內。
所述的微型面陣CCD相機的光軸和投影微透鏡組的光軸之間有一小夾角，該夾 角的取值范圍為10° 15° 。利用上述基于振幅型透射光柵的三維內窺測量裝置進行測量的方法，包括下列 步驟
①采集參考平面上的光柵條紋圖像
測量物體三維面形之前，首先利用所述的微型面陣CCD相機和圖像采集卡采集 一幅參考平面上的光柵條紋圖像，
<formula>formula see original document page 6</formula>存儲于所述的計算機中；
②采集待測目標上的形變光柵條紋圖像
將所述的微型面陣CCD相機對準待測目標，調整位置，使待測目標在該微型面 陣CCD相機上清晰成像，采集待測目標三維面形調制而產生形變的光柵條紋圖像<formula>formula see original document page 6</formula>存儲于所述的計算機中；
③所述的計算機計算兩幅圖像位相差，重構待測目標的三維面形 *采集參考平面條紋圖像，對圖像進行處理，得到參考平面條紋圖像的復數信
號<formula>formula see original document page 6</formula>并存儲在所述的計算機中；
，采集測量目標調制的形變條紋圖像，對圖像進行處理，得到形變條紋圖像復
數信號<formula>formula see original document page 6</formula>存儲在所述的計算機中；
*將上述參考條紋圖像的復數信號和形變條紋圖像的復數信號代入下式進行計
算
<formula>formula see original document page 6</formula>得到兩幅圖像的相對位相差；<formula>formula see original document page 6</formula> 由于計算機計算的反正切值位于[-;r,;t]，因此相對位相分布存在不連續躍變， 要對計算的位相差進行相位展開；
最后利用<formula>formula see original document page 6</formula>重構出所測目標的三維面形分布，
式中, r0(x,y), r(x,y)分別表參考平面和待測目標的表面反射率，A表示各級傅 立葉級數的權重因子，外&W和^(3c,:^表示條紋圖像未經調制和經過調制的位相分布， /e表示振幅型透射光柵的光柵條紋的基頻。
所述的圖像處理包括前期圖像處理和傅立葉變換、基頻濾波、傅立葉逆變換， 所述的前期圖像處理包括通常的數字圖像的中值濾波和均值濾波；圖像的幾何變換， 剪除邊緣畸變部分，以防止相位展開中不連續點的擴散；圖像的色彩變換，彩色圖像向灰度圖像的轉換，所述的前期圖像處理用以提高圖像的對比度，減少圖像噪聲。 所述的參考平面條紋圖像的采集、處理一次完成，數據存儲在所述的計算機中，
可反復使用。
本發明的技術效果
本發明基于振幅型透射光柵的三維內窺測量裝置和方法，將傅立葉變換輪廓術 應用于內窺測量，解決掃描部件復雜、控制精度要求高、測量時間長等技術問題。 這種測量方法只需要一幀被測量目標高度調制的形變條紋圖像就可以計算出物體的 三維面形分布。相比現有的內窺鏡系統，它能夠獲得內窺對象的三維高度分布信息， 并具有測量速度快、測量精度高和方法簡單的特點。同時，本發明還避免了導像束 方案存在的分辨率匹配，導像束和光路耦合等問題，結構簡單，實施方便。
圖1是本發明基于振幅型透射光柵的三維內窺測量裝置的示意圖。 圖2是本發明所采用的傅立葉變換輪廓術的原理示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
先請參閱圖1，圖1是本發明基于振幅型透射光柵的三維內窺測量裝置的示意 圖。由圖可見，本發明基于振幅型透射光柵的三維內窺測量裝置，由LED光源5、 準直透鏡組4、振幅型透射光柵3、投影微透鏡組2、微型面陣CCD相機6、導線7、 LED光源供電模塊8、信號傳輸線9、圖像采集卡10、數據傳輸線11和計算機12構 成，各部件的連接關系是所述LED光源電源模塊8經過導線7與所述的LED光源 5連接，所述的LED光源5發出的光束依次經所述的準直透鏡4、振幅型透射光柵3 和投影微透鏡組2，照射在待測目標表面，由所述的微型面陣CCD相機6采集被待 測目標三維面形調制的光柵投影條紋，所述的微型面陣CCD相機6經所述的信號傳 輸線9、圖像采集卡IO、數據傳輸線11進入計算機12,所述計算機12具有相應的 圖像處理和三維面形重構算法和軟件，所述的投影微透鏡組2、振幅型透射光柵3、 準直透鏡組4、 LED光源5和微型面陣CCD相機6都集成在一直管套筒13之內。 本發明的所采用的測量原理即傅立葉變換輪廓術的基本物理原理如下-參閱圖2，圖2是本發明所采用的傅立葉變換輪廓術的光路原理圖。P1P2表示 投影光路的光軸方向，L1L2表示圖像采集光路的光軸方向。參考平面S0是一個假 想的平面，作為待測平面Sl的測量參考。^x,力表示在物體表面D點相對參考平
面對應坐標處的高度，d表示圖像采集光路的入瞳和光柵投影光路之間的距離，當光路結構確定后，d為已知量。Lo表示圖像采集光路入瞳和參考平面的距離，同樣 在系統中為已知量。
沒有待測表面時即h(x,y)=0，在參考平面上，條紋圖像為原始的投影條紋，沒 有形變，其光場分布可以表示為:
<formula>formula see original document page 8</formula>(1)
當上述原始投影條紋圖像投影到待測表面時，待測表面的高度分布/2(X,力-0， 得到形變的條紋圖像，其光場分布可以表示為
<formula>formula see original document page 8</formula> (2)
其中，r0(x,y)r0， r(x,y)表示上述兩種情況的非均勻的表面反射，An表示各級傅立 葉級數的權重因子，ρ0和ρ表示條紋圖像未經調制和經過調制兩種情況下的位相分 布,f0表示投影條紋的基頻。
對(1)式沿x軸進行一維傅立葉變換獲得傅立葉頻譜，選擇合適的濾波函數(常 用的濾波函數有矩形窗函數)，對得到的頻譜進行濾波，提取基頻分量后進行傅立葉 反變換，可以得到復數信號
<formula>formula see original document page 8</formula>(3)
對(2)式進行同樣的處理，結果得到變形條紋圖像的復數信號-
<formula>formula see original document page 8</formula> (4 )
比較(3)和(4)式，所測物體三維面形調制投影光柵條紋的結果導致復指數項中 的位相發生了變化，大小為Ap(x,力
<formula>formula see original document page 8</formula> (5)
Re[g(i,力g。"力] 另外一個方面，從光路示意圖2中，由幾何光路可知
<formula>formula see original document page 8</formula> (6)
<formula>formula see original document page 8</formula> (7)
由(6) (7)式可以計算待測高度h(x， y)和高度調制導致的位相差Δρ(x, y)之間的
表達關系式<formula>formula see original document page 8</formula> (8)在具體的測量過程中，通過(5)式從參考條紋圖像和受到測量目標高度調制的 形變條紋圖像中進行差值計算，得到位相差Ap(;c,y)的數值，然后由(8)式給出高
度分布的信息。
利用上述光柵投影的三維內窺測量裝置進行測量的方法，包括下列步驟
① 采集參考平面上的條紋分布圖樣測量物體三維面形之前，首先利用微型面 陣CCD相機和圖像采集卡采集一幅參考平面上的光柵條紋圖像，存儲于計算機中；
② 采集測量目標上的形變光柵條紋分布圖像將所述的內窺三維測量裝置的微 型面陣CCD相機對準被測對象，調整位置，使測量目標在該微型面陣CCD相機上
清晰成像，采集待測目標三維面形調制而產生形變的光柵條紋圖像，存儲于計算機
中；
③ 計算機計算兩幅圖像位相差，重構所測目標的三維面形
*采集參考平面條紋圖像，并對圖像進行處理和分析利用微型面陣CCD相機 拍攝，進行必要的前期圖像處理包括通常的數字圖像的中值濾波和均值濾波；圖 像的幾何變換，剪除邊緣畸變部分，以防止相位展開中不連續點的擴散；圖像的色 彩變換，彩色圖像向灰度圖像的轉換。所述的前期圖像處理用以提高圖像的對比度， 減少圖像噪聲。然后進行傅立葉變換、基頻濾波、傅立葉逆變換，得到參考平面條
紋圖像的復數信號^。(;c，力々。Oc,y)exP(。^/^ + A(x，力)，并存儲在計算機中；
，采集測量目標調制的形變條紋圖像，并對圖像進行處理和分析利用微型面 陣CCD相機拍攝測量目標調制的形變條紋圖像，進行必要的前期圖像處理。包括數 字圖像濾波技術，中值濾波，均值濾波；圖像的幾何變換，剪除邊緣畸變部分，防 止相位展開中不連續點的擴散。圖像的色彩變換，彩色圖像向灰度圖像的轉換。所 述的前期圖像處理用以提高圖像的對比度，減少圖像噪聲。然后進行通常的傅立葉 變換、基頻濾波、傅立葉逆變換，得到形變條紋圖像的復數信號
^ (i，;;) = 4" exp (/2k/。x + -(x，力)，存儲在計算機中； *計算參考條紋圖像和受到測量目標面形調制的形變條紋圖像包含的信息差值，
即相位差值。將上述所存儲的參考條紋圖像的處理結果和所存儲的受到測量目標面
形調制的形變條紋圖像的處理結果代入下式進行計算
<formula>formula see original document page 9</formula>得到兩幅圖像的相對位相差； Re[g(x，y)g。 (jc，力]
由于計算機計算的反正切值位于[-7t，n]，因此相對位相分布存在不連續躍變， 要對計算的位相差進行相位展開；'最后利用/2(乂,力=，重構出所測目標的三維面形分布，
上述式中r^x,力、^c,力分別表參考平面示上述參考平面和所測目標兩種情況 的非均勻的表面反射率，^"表示各級傅立葉級數的權重因子，w(3c，:^和p&力表示條 紋圖像耒經調制和經過調制兩種情況下的位相分布，/c表示投影光柵條紋的基頻。
下面給出實施例的具體參數所述的微型面陣CCD相機6和投影微透鏡組2所 在光軸存在小夾角，由CCD相機(6)視場決定。本實施例中的匹配角度為10、
特別的，本發明所述的振幅型透射光柵3所用光柵為周期為15(Hmi的鉻膜光柵 模板，開口比為l: 3。所述LED光源5產生的光束經過準直微透鏡4，得到準直特 性很好的照明光束，利用所述的振幅型透射光柵3對準直后的光束進行編碼調制， 得到攜帶特定編碼信息的照明投影條紋。編碼后的照明投影條紋經投影微透鏡組2 照明于測量目標的表面。微型面陣CCD相機6采集被物體表面調制的形變條紋圖樣， 由信號傳輸線9與圖像采集卡10連接，將采集的圖像信號經過采集卡數據傳輸線 11傳送到計算機12。所述計算機12具有相應的圖像處理和三維面形計算重構算法 和軟件。
采集參考平面上條紋的分布圖樣。測量目標面形分布之前，首先利用微型面陣 CCD相機6和圖像采集卡10，由計算機12控制，采集一幅參考平面(高度分布為 /z(3c，力=0)上光柵條紋圖像，存儲在計算機中作為參考平面數據，以便計算相對相 位差，提取待測平面與參考平面的相對位置高度。為了可靠地提取三維面形分布信 息，所置參考平面與微型面陣CCD相機6的距離和測量百標和微型面陣CCD相機 6的距離大致相當。
采集測量目標高度調制的形變條紋圖樣。將圖1中所述的三維內窺測量裝置的 前端置于被測物體前面，調整位置，使測量目標在微型面陣CCD相機6上清晰成像。 通過圖像采集卡10采集微型面陣CCD相機6拍攝的測量目標高度調制的條紋圖樣， 存儲于計算機12，進行下一步的圖像處理。
計算存儲于計算機12的參考平面條紋的分布圖樣和受到測量目標高度調制的形 變條紋圖樣的相位差，重構測量目標表面三維面形分布。為了提高測量的速度，參 考平面條紋圖像處理可以先行處理，計算數據可以先行存儲在計算機12中。對CCD 相機采集的圖像，進行必要的前期圖像處理。包括數字圖像濾波技術，中值濾波， 均值濾波；圖像的幾何變換，剪除邊緣畸變部分，防止相位展開中不連續點的擴散。 圖像的色彩變換，彩色圖像向灰度圖像的轉換。所述的前期圖像處理用以提高圖像 的對比度，減少圖像噪聲。進行傅立葉變化、濾波、反傅立葉變換，將處理的結果 存儲在計算機12中。受到測量目標高度調制的形變條紋圖樣經過同樣的圖像處理和分析過程，計算的結果和已存儲的參考條紋圖像的處理結果進行如下的數學計算
△p(xj) = gIm[ ",>;)]，得到相對的相位差值。由于計算機計算的 Re[g(x，力g。 (x，力]
反正切值位于[-兀,7T]，相鄰象素間的相位存在不連續，因此需要對所述的相對相位差 的計算結果進行相位展開。計算機程序從展開的相位中重構待測目標高度分布，依
據公式*力=，計算出測量目標的三維分布圖。
本發明所述的基于振幅型透射光柵的光學內窺三維測量裝置，具有操作方便， 測量速度快，實施簡單，測量精度高等優點，利用計算機處理信息，可以高速動態 監控，具有重要的實用價值和前景。
權利要求
1、一種基于振幅型透射光柵的三維內窺測量裝置，其特征在于由LED光源(5)、準直透鏡組(4)、振幅型透射光柵(3)、投影微透鏡組(2)、微型面陣CCD相機(6)、導線(7)、LED光源供電模塊(8)、信號傳輸線(9)、圖像采集卡(10)、數據傳輸線(11)和計算機(12)構成，各部件的連接關系是所述LED光源電源模塊(8)經過導線(7)與所述的LED光源(5)連接，所述的LED光源(5)發出的光束依次經所述的準直透鏡(4)和振幅型透射光柵(3)形成和投影微透鏡組(2)，照射在待測目標表面，由所述的微型面陣CCD相機(6)采集被待測目標三維面形調制的光柵投影條紋，所述的微型面陣CCD相機(6)經信號傳輸線(9)、圖像采集卡(10)、數據傳輸線(11)進入計算機(12)，所述計算機(10)具有相應的圖像處理和三維面形重構算法和軟件，所述的投影微透鏡組(2)、振幅型透射光柵(3)、準直透鏡組(4)、LED光源(5)和微型面陣CCD相機(6)都集成在一直管套筒(13)之內。
2、 根據權利要求1所述的基于振幅型透射光柵的三維內窺測量裝置，其特征在 于所述的微型面陣CCD相機(6)的光軸和投影微透鏡組(2)的光軸之間有一小夾 角，該夾角的取值范圍為IO。 15° 。
3、 利用權利要求1所述的基于振幅型透射光柵的三維內窺測量裝置的測量方 法，包括下列步驟① 采集參考平面上的光柵條紋圖像測量物體三維面形之前，首先利用微型面陣CCD相機(6)和圖像采集卡(10) 采集一幅參考平面上的光柵條紋圖像，<formula>formula see original document page 2</formula>。存儲于所述的計算機(U〉中；<formula>formula see original document page 2</formula>② 采集待測目標上的形變光柵條紋圖像將所述的微型面陣CCD相機(6)對準待測目標，調整位置，使待測目標在該 微型面陣CCD相機(6)上清晰成像，采集待測目標三維面形調制而產生形變的光柵條紋圖像g<formula>formula see original document page 2</formula>存儲于所述的計算機(12)中；③所述的計算機(12)計算兩幅圖像位相差，重構待測目標的三維面形 采集參考平面條紋圖像，對圖像進行處理，得到參考平面條紋圖像的復數信號<formula>formula see original document page 2</formula>并存儲在所述的計算機(12)中；*采集測量目標調制的形變條紋圖像，對圖像進行處理，得到形變條紋圖像復 數信號;(x，;;卜々(x,力exp(f2;z"/。;c + 0(x,;;))，存儲在所述的計算機(12)中； ，將上述參考條紋圖像的復數信號和形變條紋圖像的復數信號代入下式進行計算卸(x, + a啤Jm[g"，力g。,"，力]，得到兩幅圖像的相對位相差； 由于計算機計算的反正切值位于[-7l,7t]，因此相對位相分布存在不連續躍變，要對計算的位相差進行相位展開； 最后利用A(x,j;) = ，重構出所測目標的三維面形分布，式中"(3c,"、 rfx，力分別表參考平面和待測目標的表面反射率，A表示各級傅 立葉級數的權重因子，Wf3c,W和伊f3c,W表示條紋圖像未經調制和經過調制的位相分布， ^表示振幅型透射光柵的光柵條紋的基頻。
4、 根據權利要求3所述的測量方法，其特征在于所述的圖像處理包括前期圖像 處理和傅立葉變換、基頻濾波、傅立葉逆變換，所述的前期圖像處理包括通常的數 字圖像的中值濾波和均值濾波；圖像的幾何變換，剪除邊緣畸變部分，以防止相位 展開中不連續點的擴散；圖像的色彩變換，彩色圖像向灰度圖像的轉換，所述的前 期圖像處理用以提高圖像的對比度，減少圖像噪聲。
5、 根據權利要求3所述的測量方法，其特征在于所述的參考平面條紋圖像的采 集、處理一次完成，數據存儲在所述的計算機(12)中，反復使用。
全文摘要
一種基于振幅型透射光柵的光學內窺三維測量裝置和方法。該裝置結構包括LED光源，準直透鏡，振幅型透射光柵，投影微透鏡組，微型面陣CCD圖像探測系統，傳輸線，圖像采集卡和計算機，所述計算機包含三維測量信息重建算法和軟件。利用振幅型透射光柵作為編碼條紋的產生源，將編碼條紋傳輸到測量目標表面得到調制，采集調制后發生變化的光柵條紋，經過計算機圖像處理，通過三維面形重構算法，重建測量目標的三維面形分布。本發明能夠獲得內窺對象的三維面形信息，并具有測量速度快、測量精度高和方法簡單的特點。
文檔編號G02B23/24GK101305899SQ200810040389
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月9日 優先權日2008年7月9日
發明者周常河, 軍 張, 王曉鑫, 金 謝, 偉 賈 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所