CN102997866A - 一种物体表面三维轮廓重建方法及成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种物体表面三维轮廓重建方法及成像装置，包括以下步骤：将参考平面板放置在旋转台上，发光二极管发出的光通过光栅投射到参考平面板的表面形成若干条纹，摄像头摄取参考平面板的条纹，并将其发送到计算机；将待测物体放置在旋转台上，发光二极管发出的光通过光栅投射到待测物体的表面形成若干条纹，摄像头摄取待测物体的所有条纹，并将其发送到计算机；控制器控制旋转台旋转，摄像头摄取待在360°范围内的n帧待测物体条纹图像；计算机通过单帧傅立叶变换轮廓术子方法，得到n个不同角度下待测物体表面的部分轮廓；综合所有角度下的待测物体表面部分轮廓得到待测物体表面完整轮廓，本发明可以广泛用于荧光分子断层成像的物体表面三维轮廓重建中。

Description

一种物体表面三维轮廓重建方法及成像装置

技术领域

本发明涉及一种物体表面重建方法及成像装置，特别是关于一种适用于荧光分子断层成像的物体表面三维轮廓重建方法及成像装置。

背景技术

荧光分子断层成像技术已经成为一种用于生命医学研究的重要手段，有助于早期的疾病诊断尤其是癌症诊断和定位，有效促进药物研制和生命机理的分析。荧光分子断层成像方法主要可以分为基于有限元的方法和基于辐射传输方程的方法，无论是哪种重建方法，都需要在正向问题中先预测出边界荧光数据，然后在反演问题上更新模型的光学参数值，以使边界测量值和正向计算得出的数据之间差值最小。因此，在荧光分子断层成像的三维重建中，确定被测物体的三维表面边界轮廓是必不可少的。

目前，现有技术中解决荧光分子断层成像中物体表面轮廓重建问题，如白光下反投影重建法，其优点是能够基本达到荧光分子断层成像方法所需要的轮廓精度，但是成像精度不高，白光源对荧光波段仍有一定干扰，数据采集占用CCD资源；基于格雷编码结构光的轮廓提取方法，其优点是可以通过定标实现很高的分辨率，但是对于同一个角度的物体，重建需要多帧格雷编码图像，非常耗时，切换图案的装置也会大大增加系统复杂度和成本，因而效果不甚理想。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种成像操作简单，轮廓重建时间短，轮廓重建精度高的物体表面三维轮廓重建方法及成像装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种物体表面三维轮廓重建方法，包括以下步骤：1）设置一包括有发光二极管、光栅、旋转台、控制器、摄像头和计算机的物体表面三维轮廓成像装置；2）将一参考平面板放置在旋转台上，且参考平面板平行并通过旋转轴，发光二极管发出的光通过光栅投射到参考平面板的表面形成若干条纹，摄像头摄取参考平面板的所有条纹，并将摄取的参考平面板条纹图像发送到计算机；3）将一待测物体放置在旋转台上，发光二极管发出的光通过光栅投射到待测物体的表面形成若干条纹，摄像头摄取待测物体的所有条纹，并将摄取的待测物体条纹图像发送到计算机；4）控制器控制旋转台每间隔360°/n旋转一次，摄像头摄取待测物体在360°范围内的n帧待测物体条纹图像，并将其全部发送到计算机；5）计算机通过单帧傅立叶变换轮廓术子方法，以参考平面板条纹图像为参考，将n个不同角度的待测物体条纹图像分别进行处理，得到n个不同角度下待测物体表面的部分轮廓；6）综合所有角度下的待测物体表面部分轮廓得到待测物体表面完整轮廓，包括以下步骤：①对待测物体每一帧条纹图像的部分轮廓进行区域裁剪，即只保留以旋转轴为棱、摄像头的光轴为角平分线、角度为360°/n度的二面角范围内的部分；②分别对裁剪后的待测物体各个角度的表面部分轮廓进行相应角度的旋转变换，变换到统一的三维坐标空间；③将裁剪和旋转变换后的n帧待测物体物体表面部分轮廓进行拼接；④将拼接后的待测物体物体表面轮廓进行平滑，得到物体表面完整轮廓。

实现所述方法的一种物体表面三维轮廓成像装置，其特征在于：它包括发光二极管、光栅、旋转台、控制器、摄像头和计算机；所述旋转台底部中心设置旋转轴，所述控制器通过控制所述旋转轴使所述旋转台实现360°旋转，待成像体设置在所述旋转台上，所述发光二极管发出的光通过所述光栅投射到所述待成像体表面形成条纹，所述摄像头拍摄所述待成像体表面的所有条纹，并将拍摄的待成像体条纹图像发送到所述计算机。

所述待成像体为参考平面板，所述参考平面板平行并通过所述旋转台的旋转轴的延长线。

所述待成像体为待测物体，所述待测物体的中心通过所述旋转台的旋转轴的延长线。

所述发光二极管中心点与所述摄像头中心点的连线平行所述旋转台的转轴，且所述摄像头的光轴垂直且通过所述旋转台的旋转轴。

所述发光二极管的波长为380～470nm。

所述光栅的光栅常数为1mm。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明包括发光二极管、光栅、旋转台、控制器、摄像头和计算机，旋转台底部中心设置旋转轴，旋转轴连接控制器，控制器可以通过旋转轴使待测物体旋转轴360°，并且基于单帧傅立叶变换轮廓术子方法和360°傅立叶变换轮廓术子方法完成待测物体的三维表面轮廓重建，成像操作简单，能够极好地适应荧光分子断层成像中对重建物体三维表面轮廓的要求。2、本发明的发光二极管采用的波长为380～470纳米，与荧光分子断层成像的激发光波长650～880纳米，差异较大、互不干扰。3、本发明将发光二极管发出的光通过光栅分别照射参考平面板和待测物体，并分别将参考平面板与每一帧待测物体的条纹图像进行处理，以参考平面板的条纹图像为参考，得到待测物体各个角度的轮廓，最后对物体各角度的轮廓进行拼接处理，快速得到待测物体三维物体轮廓，重建时间短，轮廓重建精度也较高。4、本发明可以与其它荧光分子断层成像系统协同使用，通过摄像头实时监控待成像体的真实状态，且与荧光分子断层成像系统互相独立，可以同时工作，提高工作效率，使得荧光分子断层成像图像更加准确。本发明可以广泛用于荧光分子断层成像的物体表面三维轮廓重建中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明安装参考平面板时的结构示意图；

图3是本发明的待测物体表面轮廓重建流程示意图；

图4是本发明的单帧傅立叶变换轮廓术子方法流程示意图；

图5是本发明的360°傅立叶变换轮廓术子方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的物体表面三维轮廓成像装置包括发光二极管1、光栅2、旋转台3、摄像头4、控制器和计算机（图中未示出）；旋转台3底部中心设置一旋转轴，旋转轴连接控制器，控制器通过控制旋转轴使旋转台3实现360°旋转，待成像体设置在旋转台3上，发光二极管1发出的光通过光栅2投射到待成像体表面形成条纹，摄像头4拍摄待成像体表面的所有条纹，并将拍摄的待成像体的条纹图像发送到计算机。

如图1所示，上述实施例中，待成像体可以为待测物体5，且待测物体5的中心通过旋转台3的旋转轴的延长线（如图1中的细点线所示）。

如图2所示，上述各实施例中，待成像体可以为参考平面板6，且参考平面板6平行并通过旋转台3的旋转轴的延长线（如图2中的细点线所示）。

上述各实施例中，发光二极管1中心点与摄像头4中心点的连线距离约为55mm，且发光二极管1中心点与摄像头4中心点的连线平行于旋转台3的旋转轴。

上述各实施例中，摄像头4中心点与旋转台3的旋转轴的连线距离约为310mm，且摄像头4的光轴垂直且通过旋转台3的旋转轴。

上述各实施例中，发光二极管1采用的波长可以380～470纳米，光栅2的光栅常数可以为1mm左右。发光二极管1、光栅2和摄像机4均可以采用外部支架进行支撑固定（如图1所示）。

如图1～5所示，通过本发明的物体表面三维轮廓成像装置对待测物体5的三维轮廓进行重建的方法，包括以下步骤：

1、将一参考平面板6放置在旋转台3上，且参考平面板6平行并通过旋转轴（如图2所示的细点线所示），发光二极管1发出的光通过光栅2投射到参考平面板6的表面形成若干条纹，摄像头4摄取参考平面板6的所有条纹，并将摄取的参考平面板条纹图像发送到计算机；

2、将一待测物体5放置在旋转台3上，发光二极管1发出的光通过光栅2投射到待测物体5的表面形成若干条纹，摄像头4摄取待测物体5的所有条纹，并将摄取的待测物体条纹图像发送到计算机；

3、控制器控制旋转台3每间隔360°/n（n可以根据实际需要进行选取，本发明实施例n=12）旋转一次，摄像头4摄取待测物体5在360°范围内的n帧待测物体条纹图像，并将其全部发送到计算机；

4、计算机通过单帧傅立叶变换轮廓术子方法，以参考平面板条纹图像为参考，将n个角度的待测物体条纹图像分别进行处理，得到n个不同角度下待测物体表面的部分轮廓，包括以下步骤（如图4所示）：

1）将参考平面板条纹图像与第1帧待测物体条纹图像分别作二维傅立叶变换；

2）将参考平面板条纹图像和第1帧待测物体条纹图像的二维傅立叶变换结果，分别作频域滤波处理，并分别提取参考平面板条纹图像和第1帧待测物体图像的基频成分；

3）将参考平面板条纹图像和第1帧待测物体的条纹图像的基频成分，分别作二维傅立叶反变换；

4）将参考板平面板条纹图像和第1帧待测物体条纹图像的二维傅立叶反变换结果进行作差运算，得到参考平面板条纹图像和第1帧待测物体条纹图像的相位分布；

5）对步骤4）得到的相位分布作解卷绕处理；

6）由解卷绕后的相位分布计算待测物体表面的高度分布；

7）将参考平面板条纹图像分别与待测物体的每一帧条纹图像作上述1）～6）得到待测物体表面各个角度的轮廓。

5、综合所有角度下的待测物体表面部分轮廓得到待测物体表面完整轮廓，包括以下步骤（如图5所示）：

1）对待测物体各个角度（每一帧）的部分轮廓进行区域裁剪，即只保留以旋转轴为棱、摄像头4的光轴为角平分线、角度为360°/n度的二面角范围内的部分；

2）分别对裁剪后的待测物体各个角度的表面部分轮廓进行相应角度的旋转变换，变换到统一的三维坐标空间；

3）将裁剪和旋转变换后的n帧待测物体物体表面部分轮廓进行拼接；

4）将拼接后的待测物体物体表面轮廓进行平滑，得到物体表面完整轮廓。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、位置等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种物体表面三维轮廓重建方法，包括以下步骤：

1）设置一包括有发光二极管、光栅、旋转台、控制器、摄像头和计算机的物体表面三维轮廓成像装置；

2）将一参考平面板放置在旋转台上，且参考平面板平行并通过旋转轴，发光二极管发出的光通过光栅投射到参考平面板的表面形成若干条纹，摄像头摄取参考平面板的所有条纹，并将摄取的参考平面板条纹图像发送到计算机；

3）将一待测物体放置在旋转台上，发光二极管发出的光通过光栅投射到待测物体的表面形成若干条纹，摄像头摄取待测物体的所有条纹，并将摄取的待测物体条纹图像发送到计算机；

4）控制器控制旋转台每间隔360°/n旋转一次，摄像头摄取待测物体在360°范围内的n帧待测物体条纹图像，并将其全部发送到计算机；

5）计算机通过单帧傅立叶变换轮廓术子方法，以参考平面板条纹图像为参考，将n个不同角度的待测物体条纹图像分别进行处理，得到n个不同角度下待测物体表面的部分轮廓；

6）综合所有角度下的待测物体表面部分轮廓得到待测物体表面完整轮廓，包括以下步骤：

①对待测物体每一帧条纹图像的部分轮廓进行区域裁剪，即只保留以旋转轴为棱、摄像头的光轴为角平分线、角度为360°/n度的二面角范围内的部分；

②分别对裁剪后的待测物体各个角度的表面部分轮廓进行相应角度的旋转变换，变换到统一的三维坐标空间；

③将裁剪和旋转变换后的n帧待测物体物体表面部分轮廓进行拼接；

④将拼接后的待测物体物体表面轮廓进行平滑，得到物体表面完整轮廓。

2.实现如权利要求1所述方法的一种物体表面三维轮廓成像装置，其特征在于：它包括发光二极管、光栅、旋转台、控制器、摄像头和计算机；所述旋转台底部中心设置旋转轴，所述控制器通过控制所述旋转轴使所述旋转台实现360°旋转，待成像体设置在所述旋转台上，所述发光二极管发出的光通过所述光栅投射到所述待成像体表面形成条纹，所述摄像头拍摄所述待成像体表面的所有条纹，并将拍摄的待成像体条纹图像发送到所述计算机。

3.如权利要求2所述的一种物体表面三维轮廓成像装置，其特征在于：所述待成像体为参考平面板，所述参考平面板平行并通过所述旋转台的旋转轴的延长线。

4.如权利要求2所述的一种物体表面三维轮廓成像装置，其特征在于：所述待成像体为待测物体，所述待测物体的中心通过所述旋转台的旋转轴的延长线。

5.如权利要求2或3或4所述的一种物体表面三维轮廓成像装置，其特征在于：所述发光二极管中心点与所述摄像头中心点的连线平行所述旋转台的转轴，且所述摄像头的光轴垂直且通过所述旋转台的旋转轴。

6.如权利要求2或3或4所述的一种物体表面三维轮廓成像装置，其特征在于：所述发光二极管的波长为380～470nm。

7.如权利要求5所述的一种物体表面三维轮廓成像装置，其特征在于：所述发光二极管的波长为380～470nm。

8.如权利要求2或3或4或7所述的一种物体表面三维轮廓成像装置，其特征在于：所述光栅的光栅常数为1mm。

9.如权利要求5所述的一种物体表面三维轮廓成像装置，其特征在于：所述光栅的光栅常数为1mm。

10.如权利要求6所述的一种物体表面三维轮廓成像装置，其特征在于：所述光栅的光栅常数为1mm。

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