CN102846312B - 一种多维度成像检测仪及其数据反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维度成像检测仪及其数据反演方法，该检测仪包括光源控制器、光源、动镜、聚光透镜组、光滤波器、匀光中继透镜组、数字微镜器件、DMD控制器、透镜组、反射镜、投影镜头组、检测目标、成像透镜组、光束分离器、准直透镜、滤光单元、会聚镜、灰度电荷耦合器件、彩色电荷耦合器件、动镜控制器、光滤波控制器、滤光单元控制器、数据采集和控制单元、标准色块及计算机。该成像检测仪通过分时调制产生彩色结构光条、灰度结构光条以及光路切换实现白光照明，使用灰度电荷耦合器件配合滤光单元采集目标高光谱图像数据和使用彩色电荷耦合器件采集目标结构光数据，通过融合所采集到的图像和光谱信息反演出检测目标的多维度信息，提高对检测目标结构和功能上的识别分析精度。

Description

一种多维度成像检测仪及其数据反演方法

技术领域

本发明涉及一种用于医学疾病诊断和生物特征识别领域的多维度成像检测分析装置和检测对象的多维度数据反演方法。

背景技术

生物医学成像技术在过去几十年取得了突飞猛进的发展，使疾病诊断技术逐步走向定量化、精细化，诊断水平也取得了长足的发展。在西医领域，广泛使用的成像方法主要有：X射线造影术、X射线断层扫描、正电子发射层析术、磁共振、超声成像、光学相干层析成像技术等。在这些技术中光学成像由于具有无损、非接触、使用简单等优点，在一些诊断领域有着广泛的应用。而在中医领域，应用现代科学仪器来代替视觉诊断疾病的传统望诊方法，客观地对望诊的内容进行定性、定量分析，科学地做出判断，从中得出规律性认识，研究其诊断客观化,是实现中医现代化的必然途径。随着现代科学的进一步发展，许多新技术、新方法被逐步引入生物医学成像研究领域。

在生物特征识别领域，光学成像技术也得到了广泛的应用。生物特征识别是近年来发展起来的一门高新技术，利用与生俱来的生理和行为特征来鉴别每个人的真实身份。与传统的以“物”认人的个人识别技术相比，这种技术具有更好的安全性和准确性，能克服传统方法中的丢失、盗用、复制等缺点。为确保生物识别的准确性和可靠性，要求这些生物特征具有“人各有异”、“随身携带”的特点。并且要求在提取这些生物特征时对被识别对象不会造成伤害。目前研究表明同时兼具这些特点的生理特征主要有：指纹、掌纹、虹膜、人脸等。

随着医学图像诊断和生物特征识别技术的发展，成像方式逐步由二维发展到三维成像。近年来，众多研究者开始致力于三维生物特征检测与识别，且主要集中于三维人脸、人舌、人耳等的识别以及这两者的结合。虽然与二维图像相比，三维成像检测技术可以为医学诊断和生物特征识别提供更为丰富的可视化信息。但是这种三维成像技术只是提供了检测对象的空间结构信息，在疾病早期诊断和生物特征识别领域的应用仍然存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是针对现有三维成像技术用于疾病诊断和生物特征识别的不足而提供的一种多维度成像检测仪。该成像检测仪采用了全新的多维信息获取方式，使用该检测仪可以同时获取检测对象的三维空间结构信息、色彩信息和所有检测点的光谱维信息，并可以通过模式识别和图像处理方法对采集的数据进行融合处理和多维信息的反演。该成像检测仪采集的多维度数据有助于综合利用检测对象的三维结构信息、色彩信息以及生理、生化等临床指标信息实现疾病的早期诊断或者对目标进行多维的生物特征识别。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多维度成像检测仪，它包括：光源控制器、光源、动镜、聚光透镜组、光滤波器、匀光中继透镜组、数字微镜器件（DMD）、DMD控制器、透镜组、反射镜、投影镜头组、检测目标、成像透镜组、光束分离器、准直透镜、滤光单元、会聚镜、灰度电荷耦合器件（CCD）、彩色电荷耦合器件（CCD）、动镜控制器、光滤波控制器、滤光单元控制器、数据采集和控制单元、标准色块、计算机。所述光源、动镜、聚光透镜组、光滤波器、匀光中继透镜组、数字微镜器件（DMD）、透镜组、反射镜、投影镜头组依次构成结构光产生光路；所述光源、反射镜、聚光透镜组、匀光中继透镜组、动镜、透镜组、反射镜、投影镜头组依次构成照明光路；所述成像透镜组、光束分离器、会聚镜、彩色电荷耦合器件（CCD）依次构成彩色图像成像光路；所述成像透镜组、光束分离器、准直透镜、滤光单元、会聚镜、灰度电荷耦合器件（CCD）依次构成高光谱图像数据采集光路。其中，光源控制器的控制输出端连接到光源的控制输入端，控制光源的工作；光滤波控制器的控制输出端连接到光滤波器上，控制光滤波器对白光进行滤波，分时输出红、绿、蓝三色光；动镜控制器的控制输出端连接到动镜的控制输入端，控制动镜的偏转，用于切换照明光路；滤光单元控制器的控制输出端连接到滤光单元的输入端上，控制其分时工作于不同波长；数据采集和控制单元的控制输出端连接至光源控制器的控制输入端，控制光源的工作；数据采集和控制单元的控制输出端连接至光滤波控制器的控制输入端，控制光滤波器的工作；数据采集和控制单元的控制输出端连接至DMD控制器的控制输入端，控制DMD工作于不同状态，按照软件设定生成平行或特定图案组成的结构光光条；数据采集和控制单元的控制输出端连接至动镜控制器的控制输入端，控制动镜的偏转；数据采集和控制单元的控制输出端连接至滤光单元控制器的控制输入端，控制滤光单元的工作；灰度电荷耦合器件（CCD）、彩色电荷耦合器件（CCD）的数据输出端连接到数据采集和控制单元的数据输入端，上传采集到的图像数据并进行预处理和存储；数据采集和控制单元的数据通信接口与计算机通信端口连接，一方面将采集的多维度图像数据传输到计算机进行后续处理分析，另一方面接收计算机数据采集软件的控制指令，对系统的光源控制器、光滤波控制器、动镜、滤光单元控制器进行控制，使其协同工作采集出高质量多维度图像数据。该数据既包含了目标的空间结构信息，也包含了每一象素点的光谱信息。通过对这些数据进行综合分析，结合一定的智能识别算法，可以进一步提高对目标识别分析的精度，为疾病诊断和生物特征识别提供更为丰富的可用信息。

在实际进行目标的多维度数据采集时，光源发出的白光经过动镜反射后到达聚光透镜组，然后经光滤波器、匀光中继透镜组照射到数字微镜器件上，数字微镜器件在DMD控制器的控制下与光滤波器配合，调制形成平行或特定图案组成的彩色和灰度结构光条，经过透镜组和反射镜反射后，使用投影镜头组将结构光照射到被检测目标上，检测目标在结构光照射下的反射光经过成像透镜组后被光束分离器分为两路，一路经过会聚镜后成像到彩色CCD上，用于采集结构光照射下目标的彩色图像；另一路经过准直透镜后，在滤光单元的工作下进行单波段选择并经会聚镜成像到灰度CCD上，经过连续采集，获得结构光照明下的高光谱图像数据。采集完成后动镜进行光路切换，光源的白光经过反射镜反射后到达聚光透镜组，经匀光中继透镜组和动镜反射后进入透镜组和反射镜，最后经投影镜头组照射到目标和标准色块上，再分别使用彩色CCD和灰度CCD采集白光照射下目标的两维彩色图像和高光谱图像数据。通过使用数据反演算法对这些数据进行处理，即可以反演出包含三维结构信息、色彩信息和光谱信息的目标多维度数据。

本发明可以同时获取检测目标的三维空间结构信息和每一点对应的光谱信息，为疾病的早期诊断和生物特征识别提供了更为丰富的多维度信息，可以提高相关应用的识别分析精度，在相关领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2 为本发明多维度数据反演融合流程图。

具体实施方式

实施例

下面以图1为实施例，说明本发明的结构特征，技术性能和效果。

本实施例中，光源2、动镜301、聚光透镜组401、光滤波器5、匀光中继透镜组601、数字微镜器件（DMD）7、动镜302、透镜组9、反射镜1002、投影镜头组11依次成光路连接，组成结构光产生光路，用于产生平行或特定图案组成的彩色和灰度结构光条并照射到检测目标12和标准色块24上；光源2、动镜301、聚光透镜组402、匀光中继透镜组602、动镜302、透镜组9、反射镜1002、投影镜头组11依次构成白光照明光路，对检测目标12和标准色块24进行白光照明；成像透镜组13、光束分离器14、会聚镜1702、彩色电荷耦合器件（CCD）19依次构成彩色图像成像光路，用于采集检测目标12和标准色块24在结构光照射下的彩色图像数据；成像透镜组13、光束分离器14、准直透镜15、滤光单元16、会聚镜1701、灰度电荷耦合器件（CCD）18依次构成高光谱成像光路，采集检测目标12和标准色块24在结构光照射下的高光谱图像数据。

光源控制器1、DMD控制器8、、动镜控制器2001、动镜控制器2002、光滤波控制器21、滤光单元控制器22、数据采集和控制单元23、计算机25构成了系统的数据采集处理和控制部分，用于控制系统协调工作、采集目标多维度数据并进行多维数据的反演融合。数据采集和控制单元23的控制输出端连接到光源控制器1的控制输入端，控制光源2的工作；数据采集和控制单元23的控制输出端连接到动镜控制器2001、2002的控制输入端，动镜控制器2001、2002的控制输出端连接到动镜301、302的控制输入端，控制动镜301、302的翻转，用以切换照明光路；数据采集和控制单元23的控制输出端连接到光滤波控制器21的控制输入端，光滤波控制器21的控制输出端连接到光滤波器5的控制输入端，控制光滤波器5工作于红绿蓝不同的波长；数据采集和控制单元23的控制输出端连接到DMD控制器8的控制输入端，DMD控制器8的控制输出端连接到数字微镜器件（DMD）7的控制输入端，控制数字微镜器件（DMD）7的翻转，在光滤波器5的配合下形成不同的平行或特定图案组成的结构光光条；数据采集和控制单元23的控制输出端连接到滤光单元控制器22的控制输入端，滤光单元控制器22的控制输出端连接到滤光单元16的控制输入端，控制滤光单元16连续工作于不同的波长，实现对检测目标12和标准色块24的高光谱图像数据采集；灰度电荷耦合器件（CCD）18、彩色电荷耦合器件（CCD）19的数据输出端连接到数据采集和控制单元23的数据输入端，实现彩色和高光谱数据的采集；数据采集和控制单元23的通信端口连接到计算机25的通信接口上，接收计算机25上应用软件对采集参数的设置并将采集的数据上传到计算机25。计算机25上运行的数据采集和处理软件可以对采集的各项参数进行设置，并使用一定的算法反演所采集的多维度数据。

基于该成像检测仪的多维度数据反演流程图如图2所示，动镜301、302在动镜控制器2001、2002的控制下实现光路的分时切换，经过光滤波器5和数字微镜器件7的调制分时产生彩色结构光条、灰度结构光条以及白光照明光源；当结构光或者白光照射到检测目标12上后，成像光路分时使用灰度电荷耦合器件18和彩色电荷耦合器件19分别采集检测目标12和标准色块24的彩色结构光图像、灰度结构光图像、单波段光条图像以及白光照明下的彩色图像和高光谱图像，使用标准色块24的数据对采集结果进行校正处理，利用彩色结构光图像、灰度结构光图像、单波段光条图像重构目标的三维结构信息数据，与校正后的彩色图像和高光谱图像进行融合，最后反演出检测目标的多维度数据信息。 

Claims (4)

1.一种多维度成像检测仪，其特征在于该检测仪包括光源控制器（1）、光源（2）、第一动镜（301）、第二动镜（302）、第一聚光透镜组（401）、第二聚光透镜组（402）、光滤波器（5）、第一匀光中继透镜组（601）、第二匀光中继透镜组（602）、数字微镜器件（7）、数字微镜器件控制器（8）、透镜组（9）、第一反射镜（1001）、第二反射镜（1002）、投影镜头组（11）、成像透镜组（13）、光束分离器（14）、准直透镜（15）、滤光单元（16）、第一会聚镜（1701）、第二会聚镜（1702）、灰度电荷耦合器件（18）、彩色电荷耦合器件（19）、第一动镜控制器（2001）、第二动镜控制器（2002）、光滤波控制器（21）、滤光单元控制器（22）、数据采集和控制单元（23）、标准色块（24）及计算机（25），所述光源（2）、第一动镜（301）、第一聚光透镜组（401）、光滤波器（5）、第一匀光中继透镜组（601）、数字微镜器件（7）、第二动镜（302）、透镜组（9）、第二反射镜（1002）、投影镜头组（11）依次构成结构光产生光路；光源（2）、第一动镜（301）、第一反射镜（1001）、第二聚光透镜组（402）、第二匀光中继透镜组（602）、第二动镜（302）、透镜组（9）、第二反射镜（1002）、投影镜头组（11）依次构成白光照明光路；成像透镜组（13）、光束分离器（14）、第二会聚镜（1702）、彩色电荷耦合器件（19）依次构成彩色图像成像光路；成像透镜组（13）、光束分离器（14）、准直透镜（15）、滤光单元（16）、第一会聚镜（1701）、灰度电荷耦合器件（18）依次构成高光谱成像光路；数据采集和控制单元（23）的控制输出端分别连接到光源控制器（1）的控制输入端、第一动镜控制器（2001）的控制输入端、第二动镜控制器（2002）的控制输入端、光滤波控制器（21）的控制输入端、数字微镜器件控制器（8）的控制输入端、滤光单元控制器（22）的控制输入端；光源控制器（1）的控制输出端连接到光源（2）的控制输入端；第一动镜控制器（2001）的控制输出端及第二动镜控制器（2002）的控制输出端分别连接到第一动镜（301）的控制输入端和第二动镜（302）的控制输入端；光滤波控制器（21）的输出端连接到光滤波器（5）的控制输入端；数字微镜器件控制器（8）的控制输出端连接到数字微镜器件（7）的控制输入端；滤光单元控制器（22）的控制输出端连接到滤光单元（16）的控制输入端；灰度电荷耦合器件（18）及彩色电荷耦合器件（19）的数据输出端连接到数据采集和控制单元（23）的数据输入端；数据采集和控制单元（23）的通信端口连接到计算机（25）的通信接口上。

2.根据权利要求1所述的多维度成像检测仪，其特征在于所述光滤波器（5）和数字微镜器件（DMD）（7）的分时调制产生投影用彩色和灰度结构光条。

3.根据权利要求1所述的多维度成像检测仪，其特征在于所述滤光单元（16）是声光调谐滤波器或液晶可调谐滤波器。

4.一种使用权利要求1所述检测仪实现检测目标多维度数据的反演方法，其特征在于该方法是：根据分时采集的检测目标彩色结构光图像、灰度结构光图像、高光谱光条图像反演检测目标的三维结构信息，并与白光照明下的检测目标彩色图像和高光谱图像进行融合，最后反演出检测目标的多维度数据信息。

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