專利名稱：基于光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及內(nèi)窺鏡，特別是一種基于光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置。
背景技術(shù)：
內(nèi)窺鏡是一種光機(jī)電結(jié)合的精密醫(yī)療儀器，用于觀察體內(nèi)組織和結(jié)構(gòu)，為醫(yī)學(xué) 診斷，特別是微創(chuàng)手術(shù)提供科學(xué)的診斷信息。從最初的硬管內(nèi)窺鏡到現(xiàn)在的纖維內(nèi) 窺鏡以及電子內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡的技術(shù)發(fā)展日臻成熟。
現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡包括纖維內(nèi)窺鏡和電子內(nèi)窺鏡。內(nèi)窺鏡一般由照明系統(tǒng)和圖像采 集系統(tǒng)組成。照明系統(tǒng)主要是將光源(常用的如鹵素冷光源)產(chǎn)生的照明光傳導(dǎo)入 體內(nèi)，為待觀察的組織提供成像照明?，F(xiàn)行的照明系統(tǒng)多采用非結(jié)構(gòu)光源照明，照 明光場本身不能攜帶任何的編碼信息。圖像采集系統(tǒng)則是通過光纖導(dǎo)像束或者CCD 采集組織圖像，得到被測組織的二維圖像信息。
這種內(nèi)窺圖像所包含的信息反映了被測組織的二維平面信息，圖像處理工作集 中在提高現(xiàn)有平面圖像的質(zhì)量(例如清晰度和彩色圖像)和消除由于系統(tǒng)產(chǎn)生的各 種像差。法國的J.F.Rey等將內(nèi)窺鏡輸出的視頻信號采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像分析和 處理[參見在先技術(shù)1: J.F.Rey，etc，al.， Electronic Video Endoscopy: Preliminary Results oflmaging Modification, Endoscopy, Vol. 20,1988: 8-10]。意大利的S.Guadagni等以電 子內(nèi)窺鏡和一臺386計(jì)算機(jī)為核心，研制了電子內(nèi)窺鏡圖像處理、分析系統(tǒng)[參見在 先技術(shù)2: S. Guadagni,etc，al.， Imaging in Digestive Videoendoscopy, SPIE， Optic Fibers in Medicine, Vol. 1420， 1991:178-182]。近來，微型CCD的出現(xiàn)，極大的提高了平面圖 像所包含的信息質(zhì)量。這些技術(shù)的發(fā)展為醫(yī)學(xué)診斷創(chuàng)造了良好的條件。
但是，現(xiàn)有內(nèi)窺鏡系統(tǒng)由于光場所包含的信息非常少，只能得到被測組織的平 面二維信息，而丟失了包含物體相對深度和橫向尺寸的三維形貌信息，這種信息的 丟失給科學(xué)診斷和醫(yī)學(xué)研究造成了很大的限制?？朔@種缺點(diǎn)的方法是采用光學(xué)三 維測量技術(shù)，這種技術(shù)能有效的同內(nèi)窺成像技術(shù)相結(jié)合，測量目標(biāo)的三維面形分布， 提供目標(biāo)的三維形貌信息。
光學(xué)三維形貌測量技術(shù)是一類成熟的測量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種測量領(lǐng)域，具 有精度高、速度快和非接觸性測量等優(yōu)點(diǎn)。其中一種光學(xué)三維形貌測量技術(shù)采用主 動(dòng)光學(xué)三維測量原理，使照明光場結(jié)構(gòu)化(點(diǎn)，線，光柵條紋等)，利用結(jié)構(gòu)光照明 被測物體，被測物體三維表面對照明的結(jié)構(gòu)光進(jìn)行調(diào)制，使光場攜帶被測物體表面
的三維形貌信息。再通過CCD拍攝調(diào)制結(jié)構(gòu)光場的圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，通過三維
形貌重構(gòu)算法，得到被測目標(biāo)的三維形貌信息。特別的，利用光柵條紋作為結(jié)構(gòu)光
的傅立葉變換輪廓術(shù)(FTP)，由Takeda等人于1983年提出[參見在先技術(shù)3: Takeda Mitsuo， Mutoh Kazuhiro ， " Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object sh叩es"， Applied Optics, Vol,22, Issue.24, 1983]。這種方法 將光柵條紋光場作為結(jié)構(gòu)光源，通過對圖像強(qiáng)度分布進(jìn)行傅立葉變換、濾波、傅立 葉逆變換、位相展開等圖像和信息解調(diào)算法處理，得到測量目標(biāo)的三維形貌信息。
現(xiàn)有的內(nèi)窺三維測量系統(tǒng)采用激光高度掃描技術(shù)。但是，這種激光掃描系統(tǒng)的 控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需時(shí)間較長，實(shí)施方案繁瑣，技術(shù)尚不成熟。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決上述現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)窺鏡輸出圖像三維信息的丟失問題等不足， 提供一種基于光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置，以獲得內(nèi)窺對象的三維形貌信息，并 具有測量速度快、測量精度較和方法簡單的特點(diǎn)。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下
一種基于光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置，其特點(diǎn)在于由光纖導(dǎo)像束、振幅型透
射光柵、準(zhǔn)直透鏡、半導(dǎo)體激光器光源、微型面陣CCD探測器、傳輸線、圖像采集
卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，所述的計(jì)算機(jī)具有相應(yīng)的圖像處理和三維形貌計(jì)算重構(gòu)軟件，各
部件的連接關(guān)系是所述的半導(dǎo)體激光器光源發(fā)出的激光依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡、振幅型 透射光柵和光纖導(dǎo)像束照射在待測物體表面，由微型面陣CCD探測器拍攝被待測物
體表面三維形貌所調(diào)制的振幅型透射光柵的投影條紋后經(jīng)傳輸線、圖像采集卡進(jìn)入 計(jì)算機(jī)。
本實(shí)用新型的技術(shù)效果
本實(shí)用新型將傅立葉變換輪廓術(shù)應(yīng)用于內(nèi)窺測量的方法和裝置，解決掃描部件 復(fù)雜、控制精度要求高、測量時(shí)間長等技術(shù)問題。這種測量方法只需要一幀形變的 光柵投影圖像就可以計(jì)算出物體的三維面形分布。相比現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，它能夠 獲得內(nèi)窺對象的三維形貌信息，并具有測量速度快、測量精度較和方法簡單的特點(diǎn)。


圖1是本實(shí)用新型采用振幅型透射光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置的示意圖。
圖2是本實(shí)用新型所采用的傅立葉變換輪廓術(shù)的原理示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
先請參閱圖1，圖1是本實(shí)用新型基于光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置的示意圖。 也是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實(shí)用新型基于光柵投影的三維 內(nèi)窺測量裝置，由光纖導(dǎo)像束2、振幅型透射光柵3、準(zhǔn)直透鏡4、半導(dǎo)體激光器光 源5、微型面陣CCD探測器6、傳輸線7、圖像采集卡8和計(jì)算機(jī)9構(gòu)成，各部件 的連接關(guān)系是所述的半導(dǎo)體激光器光源5發(fā)出的激光依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡4、振幅型 透射光柵3和光纖導(dǎo)像束2照射在待測物體表面，由微型面陣CCD探測器6拍攝被 待測物體表面三維形貌所調(diào)制的振幅型透射光柵的投影條紋后經(jīng)傳輸線7、圖像采 集卡8進(jìn)入計(jì)算機(jī)9，所述的計(jì)算機(jī)9具有相應(yīng)的圖像處理和三維形貌計(jì)算重構(gòu)軟 件。圖中1表示光纖導(dǎo)像束2和微型面陣CCD探測器6的端面放大視圖。
本實(shí)用新型所涉及的測量原理即傅立葉變換輪廓術(shù)的基本物理原理如下
請參閱圖2，圖2是本實(shí)用新型所采用的傅立葉變換輪廓術(shù)的原理示意圖。如 圖2所示的光路結(jié)構(gòu)。P1P2表示圖像采集光路的光軸，L1L2表示光柵投影光路的 光軸。參考平面是一個(gè)假想的平面，作為待測面的測量參考。^;c，W表示在待測物體 表面D點(diǎn)相對于參考平面的高度，d表示圖像采集光路的入瞳中心和光柵投影光路 光軸之間的距離，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定后，d為已知量。L0表示光柵投影光路入瞳和參 考平面的距離，在系統(tǒng)中同樣為已知量。
在參考平面上，即/z(x，y)-0時(shí)，條紋圖像為最初的光柵投影，沒有形變，其光 場分布可以表示為
<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
當(dāng)光柵條紋投影到待測表面時(shí)，待測表面的高度分布A(x，;/)^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 5</formula>(2)
其中，"(3c,力、r(3c,力分別表示上述兩種情況的非均勻的表面反射率，厶表示各 級傅立葉級數(shù)的權(quán)重因子，爐。&力和伊&力表示條紋圖像未經(jīng)調(diào)制和經(jīng)過調(diào)制兩種情 況下的位相分布，力表示投影光柵條紋的基頻。
對(1)式沿x軸作一維傅立葉變換獲得傅立葉頻譜，選擇合適的濾波函數(shù)(常 用的濾波函數(shù)有矩形窗函數(shù))對得到的頻譜進(jìn)行濾波，提取其基頻分量后再作傅立 葉逆變換，可以得到參考平面未經(jīng)調(diào)制的條紋圖像的復(fù)數(shù)信號
<formula>formula see original document page 5</formula> (3)
對(2)式進(jìn)行同樣的處理，得到形變條紋圖像的復(fù)數(shù)信號
<formula>formula see original document page 6</formula> (4) 比較(3)和(4)式，所測物體三維形貌調(diào)制投影光柵條紋的結(jié)果導(dǎo)致復(fù)指數(shù)
項(xiàng)中的位相發(fā)生了變化，大小為delta phi (x, y):
另一方面，在圖2中由幾何關(guān)系可得
<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula> 由(6)、 (7)式計(jì)算，得待測高度h(x, y)和位相差delta phi (x, y)之間的關(guān)系
在具體的測量過程中，通過(5)式從參考光柵圖像和形變調(diào)制光柵圖像中計(jì)算 出位相差delta phi (x, y),然后帶入(8)式得到所測物體的三維形貌分布。
本實(shí)用新型的實(shí)施例所采用的振幅型透射光柵是周期為10(Hmi，開口比為l: 1 的鉻光柵模板，能夠?qū)⑺龅陌雽?dǎo)體激光器5輸出的照明光調(diào)制成光柵條紋狀的結(jié) 構(gòu)光，從信息論的角度看，即產(chǎn)生了攜帶編碼信息的投影光。光纖導(dǎo)像束2將鉻光 柵產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光傳輸、投影到待測物體表面。微型面陣CCD探測器6與光纖導(dǎo)像束 2的光軸有一微小夾角，該微型面陣CCD探測器6由計(jì)算機(jī)9控制，以實(shí)時(shí)監(jiān)控投 影條紋的變化情況。
采集參考平面上的條紋分布圖樣。測量物體三維形貌之前，首先利用微型面陣 CCD探測器6和圖像采集卡8采集一幅參考平面(高度分布為/2^，力=0)上的光
柵條紋圖像，存儲在計(jì)算機(jī)9中作為基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)，以便計(jì)算相對位相差，提取待 測平面與參考平面的相對高度分布。為了可靠地提取三維形貌信息，所設(shè)置的參考 平面和微型面陣CCD探測器6的距離與待測物體和微型面陣CCD探測器6的距離 大致相當(dāng)。
采集測量目標(biāo)上的形變光柵條紋分布圖像。將圖1所示的內(nèi)窺三維測量裝置的 微型面陣CCD探測器6對準(zhǔn)被測對象上，調(diào)整位置，使待測對象在微型面陣CCD 探測器6上清晰成像，采集受待測目標(biāo)三維形貌調(diào)制而產(chǎn)生形變的光柵條紋圖像， 存儲于計(jì)算機(jī)9中待下一步的圖像處理。
計(jì)算兩幅圖像位相差，重構(gòu)所測目標(biāo)的三維形貌。對調(diào)制的光柵條紋圖像和參
考平面條紋圖像進(jìn)行圖像處理。為了提高測量的速度，參考平面條紋圖像的處理可 以先行處理。對微型面陣CCD探測器6拍攝的圖像，進(jìn)行必要的圖像處理，以提高 圖像的對比度，減少圖像噪聲，然后進(jìn)行傅立葉變換、基頻濾波、傅立葉逆變換， 將處理的結(jié)果存儲在計(jì)算機(jī)9中。所測目標(biāo)調(diào)制的形變條紋圖像經(jīng)過同樣的圖像處 理和分析，再將處理的結(jié)果和所存儲的參考面條紋圖像的處理結(jié)果帶入下式進(jìn)行計(jì) 算
Ap(;c，j;) = ^,gIm[f "，力，。,"，力]，得到兩幅圖像的相對位相差。由于計(jì)算 Re[g(W)go
機(jī)計(jì)算的反正切值位于[-7I,7t]，因此相對位相分布存在不連續(xù)躍變，因此需要對計(jì)算 的位相差進(jìn)行相位展開。最后利用(8)式，重構(gòu)出所測目標(biāo)的三維形貌分布。
實(shí)驗(yàn)表明，本實(shí)用新型基于光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置和方法，具有測量速 度快，實(shí)施方法簡單，有較高的測量精度等優(yōu)點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)快速處理，可以高速 動(dòng)態(tài)監(jiān)控，具有重要的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
權(quán)利要求1、一種基于光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置，其特征在于由光纖導(dǎo)像束(2)、振幅型透射光柵(3)、準(zhǔn)直透鏡(4)、半導(dǎo)體激光器光源(5)、微型面陣CCD探測器(6)、傳輸線(7)、圖像采集卡(8)和計(jì)算機(jī)(9)構(gòu)成，各部件的連接關(guān)系是所述的半導(dǎo)體激光器光源(5)發(fā)出的激光依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(4)、振幅型透射光柵(3)和光纖導(dǎo)像束(2)照射在待測物體表面，由微型面陣CCD探測器(6)拍攝被待測物體表面三維形貌所調(diào)制的振幅型透射光柵的投影條紋后經(jīng)傳輸線(7)、圖像采集卡(8)進(jìn)入計(jì)算機(jī)(9)，所述的計(jì)算機(jī)(9)具有相應(yīng)的圖像處理和三維形貌計(jì)算重構(gòu)軟件。
專利摘要一種基于光柵投影的三維內(nèi)窺測量裝置，其特點(diǎn)在于由光纖導(dǎo)像束、振幅型透射光柵、準(zhǔn)直透鏡、半導(dǎo)體激光器光源、微型面陣CCD探測器、傳輸線、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，所述的計(jì)算機(jī)具有相應(yīng)的圖像處理和三維形貌計(jì)算重構(gòu)軟件，各部件的連接關(guān)系是所述的半導(dǎo)體激光器光源發(fā)出的激光依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡、振幅型透射光柵和光纖導(dǎo)像束照射在待測物體表面，由微型面陣CCD探測器拍攝被待測物體表面三維形貌所調(diào)制的振幅型透射光柵的投影條紋后經(jīng)傳輸線、圖像采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型能夠獲得內(nèi)窺對象的三維形貌信息，并具有測量速度快、測量精度較和方法簡單的特點(diǎn)。
文檔編號G06T7/00GK201208249SQ20082005806
公開日2009年3月18日 申請日期2008年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者周常河, 軍 張, 王曉鑫, 金 謝, 偉 賈 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所