CN109924943A - 一种基于改进的线扫描成像系统的稳像方法及系统 - Google Patents
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- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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Abstract
本发明公开了一种基于改进的线扫描成像系统的稳像方法及系统，该系统包括一个线扫描眼底相机(LSO)成像系统，所述LSO成像系统中还包括正交振镜扫描装置，用于在眼底产生正交扫描面，能够将所述扫描面调整到360度空间的任一位置；以及用于结合智能控制算法实现LSO光学系统在二维眼底扫描的同时进行LSO内部的眼底光学跟踪。采用本发明，能够建立一个闭环的眼底光学跟踪系统，利用该闭环跟踪系统控制线扫描成像系统，从而达到高速、稳定、精确控制的目的。
Description
技术领域
本发明涉及激光眼底目标跟踪及成像技术，尤其涉及一种基于改进的线扫描成像系统的稳像方法及系统。
背景技术
现有的基于线扫描眼底相机(Line Scan Ophthalmoscope，LSO)成像系统的目标跟踪技术，如卡尔·蔡司(Carl Zeiss)的成像系统，其是以一帧图像作为一个单位进行计算眼底目标的运动量，但是存在控制系统有至少一帧的时间延迟，因而会导致跟踪精度降低的缺陷。并且，现有LSO的目标跟踪信号方式完全是数字式的，从图像提取该信号时，由于LSO内部缺少光学闭环控制措施，还会导致眼底运动信号的计算不是很可靠。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于改进的线扫描成像系统的稳像方法及系统，旨在克服现有LSO成像系统固有的光学和控制缺陷问题，大幅度提高其在临床应用中的稳定性、精确度、成像效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于改进的线扫描成像系统的稳像系统，包括一个线扫描眼底相机LSO成像系统，所述LSO成像系统中还包括正交振镜扫描装置，用于在眼底产生正交扫描面，能够将所述扫描面调整到360度空间的任一位置；以及用于结合智能控制算法实现LSO光学系统在二维眼底扫描的同时进行LSO内部的眼底光学跟踪。
其中，所述正交振镜扫描装置为由第一反射镜SM11和第二反射镜SM12组成的双镜结构，或正交双向振动的微机电系统MEMS扫描镜，或者其它正交双向振动反射镜组成。
所述正交振镜扫描装置结合智能控制算法实现LSO光学系统在二维眼底扫描的同时进行LSO内部的眼底光学跟踪，所述稳像系统存在如下关系：
(xt+1,yt+1)＝(xt,yt)+g(Δxt,Δyt) (1)
其中，(xt,yt)代表当前采样时刻在第一反射镜SM11和第二反射镜SM12上的控制指令，其等效于各自的运动偏移量；(Δxt,Δyt)代表从线扫描相机记录下的图像目标帧和参考帧的相对运动量；g代表闭环控制系统的增益；(xt+1,yt+1)代表现有信号施加给第一反射镜SM11和第二反射镜SM12的下一组新的指令，其等效于运动偏移量。
一种基于改进的线扫描成像系统的稳像方法，包括如下步骤：
A、在线扫描眼底相机LSO成像系统中增设正交振镜扫描装置，利用所述正交振镜扫描装置在眼底产生正交扫描面，使所述扫描面能够调整到360度空间的任一位置；
B、将所述正交振镜扫描装置结合智能控制算法实现LSO光学系统在二维眼底扫描的同时进行LSO内部的眼底光学跟踪。
一种基于改进的线扫描成像系统的稳像系统，还包括旋转装置，用于将产生线光源的柱面镜L13以及与之耦合的线扫描相机设置在360度空间可控旋转的支架上，使线可控光源在360度空间的任一位置旋转。
作为一种实施方式，将锯齿波作为第一反射镜SM11和第二反射镜SM12的驱动信号基，设旋转角为θ，将每个反射镜应得的幅度乘到各自的基信号上，则式(1)可更新为：
(xt+1,yt+1,θt+1)＝(xt,yt,θt)+g(Δxt,Δyt,Δθt) (2)
其中，θt为该闭环控制系统施加在旋转支架上的角度；(xt,yt)为施加在第一反射镜SM11和第二反射镜SM12上的平移量，(xt,yt)还是叠加在每个反射镜各自的用于产生扫描信号上的平移量；(xt,yt,θt)为当前采样时刻在第一反射镜SM11和第二反射镜SM12以及旋转支架上的控制指令，其等效于各自的运动偏移量和旋转角度；(Δxt,Δyt,Δθt)为从线扫描相机记录下来的图像目标帧和参考帧的相对运动量；g是闭环控制系统的增益；(xt+1,yt+1,θt+1)为现有信号施加给第一反射镜SM11和第二反射镜SM12以及柱面镜L13和与之耦合的线扫描相机的旋转支架的下一组新的指令，其等效于运动偏移量和旋转角度。
一种基于改进的线扫描成像系统的稳像系统的稳像方法，包括如下步骤：
A、在线扫描眼底相机LSO成像系统中增设正交振镜扫描装置，利用所述正交振镜扫描装置在眼底产生正交扫描面，使所述扫描面能够调整到360度空间的任一位置；
B、将产生线光源的柱面镜L13以及与之耦合的线扫描相机安装在一个360度的可控旋转支架上，使得线扩展光源可以出现在360度空间的任何一个位置旋转；
C、将所述正交振镜扫描装置结合智能控制算法实现LSO光学系统在二维眼底扫描的同时进行LSO内部的眼底光学跟踪。
本发明基于改进的线扫描成像系统的稳像方法及系统，具有如下有益效果：
1)通过在LSO成像系统内部建立一个闭环的眼底光学跟踪系统，利用该闭环跟踪控制系统控制线扫描成像系统，从而达到高速、稳定、精确控制的目的。
2)能够利用LSO闭环控制系统得到眼底运动信号，通过事先标定好的空间变换关系，去控制另外一个或者多个光学系统实现相应的眼底目标跟踪目的。
3)根据每一帧的图像里，每一根扫描线到达主机系统的先后顺序，把一帧图像按时间顺序划分成多个亚帧元，每个亚帧元包含一根到多根扫描线。根据每个亚帧元到达主机系统的先后顺序，实时计算每个亚帧元包含的眼底运动信息，然后立即反馈到跟踪器件，比如高速倾斜反射镜和旋转台等。采用这种倍频的方式可以大幅度提高目标跟踪的空间精度和时间带宽。
附图说明
图1为现有线扫描眼底相机的光学结构示意图；
图2为用于控制扫描反射镜SM的锯齿波示意图；
图3为根据图1所示线扫描眼底相机光学系统得到的眼底图像示意图；
图4为现有线扫描成像系统的示意图，包含一个不带光学跟踪的主LSO成像系统集成一个辅OCT成像系统；
图5为本发明基于线扫描成像系统的稳像系统得到的以帧为单位从图像中计算眼底的运动量示意图；
图6为本发明实施例改进的具备内部光学跟踪的LSO光学系统示意图；
图7为图6所示改进的LSO光学系统中两个倾斜反射镜SM11和SM12的工作状态示意图；
图8为通过改变反射镜SM11和SM12的偏移量调整成像面在360度空间的位置状态示意图；
图9为旋转装置用于旋转柱面镜L13产生的线光源以及与之耦合的线扫描相机在360度空间的位置示意图；
图10为旋转柱面镜产生一个任意旋转角的线光源以及与之相关的扫描面的状态示意图；
图11为本发明实施例一种自带闭环光学跟踪的主LSO成像系统集成另外一个辅成像系统原理示意图；
图12为本发明实施例采用倍频技术降低眼底计算的时间延迟的示意图；
图13为扫描(反射)镜SM11扫描信号以及亚帧元的分割方式示意图；
图14为线扫描系统的扫描信号和同步信号示意图；
图15为一种合成了线基准时钟和帧同步信号，用于触发线扫描相机的信号。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1为现有线扫描眼底相机的光学结构示意图。
如图1所示，从点光源L11发出的光线经过透镜L12准直，通过柱面镜(CylinderLens)L13将面光源转换成线光源，然后继续中继到准直透镜L14。这里，柱面镜L13的安装方向决定了线光源在空间的扩展方向(详见图9和图10)，透镜L12、透镜L13、透镜L14一定程度上决定了线光源在眼底的照明(扩展)尺寸。经所述透镜L14发出的光，一部分透过分光镜(BS)，到达扫描反射镜(Steering Mirror or Scanning Mirror，SM)；另一部分透过分光镜(BS)到达准直透镜L17，然后经过一组滤波器(FILTER)，达到线扫描相机(Line ScanCamera)。
其中，扫描反射镜SM的作用是在线光源的正交方向产生周期扫描，光线通过两个准直变焦透镜L15和L16在眼(Eye)底产生一个二维的扫描空间。所述扫描反射镜(SM)的运动轨迹一般呈图2所示的锯齿波。
图2为用于控制扫描反射镜(SM)的锯齿波示意图。锯齿波的频率决定成像系统的图像帧频，而锯齿波的振幅大小则决定扫描方向的光学视场尺寸。
如图2所示，该锯齿波的中心不一定总是在锯齿波零位置。锯齿波的中心偏移量实际上决定了扫描视场的中心位置。在光学设计允许的范围内，支持用户通过调节锯齿波的中心偏移量来控制扫描视场的中心位置。
参考图1，当眼底受点光源L11发出的光激发，返回的信号经同样的光学路径，从分光镜BS反射到准直透镜L17，再经过一组滤波器(FILTER)，达到线扫描相机(Line ScanCamera)。其中，从眼底返回的信号，可以是反射信号、可以是荧光信号，也可以是其他信号；还可以是同时到达所述线扫描相机的其他多种信号。
图3为根据图1所示线扫描眼底相机光学系统得到的眼底图像示意图。即利用图1所示线扫描眼底相机得到的眼底图像示意图。
图4为现有线扫描成像系统的系统示意图，包含一个不带光学稳像(或者跟踪)的主LSO成像系统和集成的一个辅助光相干断层扫描仪(OCT)成像系统。
如图4所示，该主LSO成像系统，即图1所示的成像系统。较佳地，该主LSO成像系统在临床上应用时，会搭载一个根据本发明实施例自定义的辅成像系统，例如Carl Zeiss的OCT产品Cirrus，如图4所示的辅助成像系统为一个OCT装置。
图4所示的辅成像系统中，从第二点光源L21发出的光经准直系统(包含准直透镜L22和L23)到达正交扫描反射镜SM21和SM22，然后经过聚焦透镜L24聚焦到分色镜(Dichotic Mirror，DM)上。所述DM也位于主LSO成像系统的焦平面上。
本发明实施例中，图4所示的主、辅(集成的光学)成像系统，支持同步实施二维眼底反射(或荧光)成像和三维OCT断层扫描成像。
该主LSO成像系统的一个作用是，为辅成像系统提供眼底的定位和导航，将当前OCT的断层扫描在眼底二维空间的相应位置显示给当前用户。该主LSO成像系统的另一个作用是，通过执行预设的算法(详见下文)计算从LSO图像得到的眼底/眼球运动信息(x,y,θ)。其中，(x,y)为眼底运动的平移量，θ为旋转量。然后，将(x,y,θ)施加到辅成像系统的扫描镜SM21和SM22，实时调整扫描镜SM21和SM22的相应的空间位置，以便获取到所需眼底位置的断层扫描图像。但是，这里的(x,y,θ)获取完全是数字方式，不是通过式(1)或者式(2)所述的光学闭环实现。
以上所述的眼底定位和导航过程，以及眼底跟踪技术，通过主LSO的图像，应用互相关算法(cross correlation)或者其他类似算法，计算得到眼底运动位置(x,y,θ)，以此来实时调整扫描镜SM21和SM22的光学扫描位置，锁定眼底目标。这里的(x,y,θ)获取完全是数字方式，不是通过式(1)或者式(2)所述的光学闭环实现。
上述的眼底跟踪技术，具有以下几个特点：
第一、主LSO系统仅仅通过获得类似于图3的图像，利用互相关算法(crosscorrelation)或者类似算法，计算数字眼底运动信息(x,y,θ)。(x,y,θ)获取完全是数字方式，不是通过式(1)或者式(2)所述的光学闭环实现。
第二、眼底跟踪仅仅发生在辅成像系统的扫描镜SM21和SM22上，主LSO系统并没有相应调整自己的光学参数来锁定眼底的LSO扫描(成像)位置。
第三、这里数字计算结果(x,y,θ)的精确度和可靠度很大程度上依赖于多方面的参数，包括眼底图像质量、正常眼底的动作包括眨眼(blink)、快速扫视(saccade)和微扫视(micro saccade)。例如，在互相关算法里，当目标图像(运动量待计算)漂移出参考图像时，也就是眼睛运动量过大时，互相关算法就不能得到准确的眼底运动信息，因而会导致辅成像系统的跟踪失败。
第四、现有技术计算(x,y,θ)是以帧为单位的，如图5所示，为以帧为单位从图像中计算眼底运动量的获得的图像示意图。
参考图5，假设f1是LSO捕捉到的第一帧图像，并且f1被用作和定义为“参考帧”图像。在时间序列上，系统之后得到的图像是f2，f3，...，fn，fn+1，定义为“目标帧”图像。
在现有眼底跟踪技术中，LSO的软件程序通常在接收到一个完整的图像帧fk(k＝2,3,4,...,n+1)之后，启动互相关算法(Cross Correlation)计算fk相对于f1的空间位置(xk,yk,θk)。一旦算法程序得到(xk,yk,θk)，则立即通过预先测定好的空间映射关系，将其转换到辅成像系统的扫描镜SM21和SM22上，使得扫描镜SM21和SM22锁定在需要的眼底扫描位置。
但这种基于帧的计算方式，由于存在很大的时延，用(xk,yk,θk)控制扫描镜SM21和SM22的位置会带来较大的空间误差，也就是跟踪的空间精度不高(几十到几百微米)并且时间响应慢。其原因是，一个典型的成像系统每秒输出25～30帧图像，那么每一帧图像携带的时间延迟已经是33～40毫秒。
例如，应用互相关算法(Cross Correlation)从图像计算眼睛运动量的前提是需要图像。如上所述，获取一帧图像已经需要33～40毫秒，再加上算法的时间，从算法得到的(xk,yk,θk)转化成扫描镜SM21和SM22控制信号的电子延迟，再到扫描镜SM21和SM22自身响应控制信号的机械延迟。一次完整的控制周期，从眼睛开始运动到扫描镜SM21和SM22跟踪该运动，延迟时间达到40～50毫秒是非常常见的现象。由以上分析过程可知，在所有能够带来延迟的因素里，33～40毫秒的(图像)采样延迟通常是主要延迟(dominant latency)。
相应的，一种缩短上述时间延迟的方法是，大幅提高图像输出的帧频，比如说LSO输出200帧/秒，这样图像采样的延迟就可以降低到5毫秒。但是，要在同样的成像视场、保持同样的图像信噪比，图像系统帧频的提高带来的副作用是成像激光剂量的非线性快速提高。这在临床上是不可行的，因为激光剂量的使用受安全标准限制。
综上所述，现有LSO成像系统(产品)在光学、电子、控制方面的不足，使得本发明在基于图1和图4系统的基础上，在光学和电子、软件、控制几个方面能够进一步进行改进和提高。
图6为本发明实施例改进的LSO光学系统示意图。
如图6所示，在图1所示的传统LSO光学系统上，增加了第二个倾斜反射镜。作为另一种实施方式，图6中的两个一维振镜(SM11和SM12)也可以用一个正交双向振动的微机电系统(Microelectro Mechanical Systems，MEMS)扫描镜，或者其他正交扫描反射镜替代。
图6中，不同于图1的是，增加了一个倾斜(反射)镜，将图1的反射镜(SM)命名为第一反射镜SM11，将新增的反射镜命名为第二反射镜SM12。所述反射镜SM11和SM12的工作过程如图7所示。
这里，所述第一反射镜SM11和第二反射镜SM12组成的双镜结构，或双向振动的微机电系统(MEMS)扫描镜，或者其他形式的正交扫描反射镜结构，可统称为正交振镜扫描装置。
图7为图6所示改进的LSO光学系统中两个倾斜反射镜SM11和SM12的工作状态示意图。
为了便于描述，首先定义一个空间参考坐标(x,y,z)，如图7A所示。在只有反射镜SM11(SM1)时，参考图7B，一个线光源A入射到反射镜SM11。这里反射镜SM11的转动轴在空间坐标的x轴上，这样，反射镜SM11在y-z平面上摆动，然后在位置B产生一个二维的扫描面。参考图1所示的传统LSO成像系统，B的位置直接共轭到眼底的成像面。
但是，在本发明实施例中，来自位置A的线光源经反射镜SM11后，在图7C中的B位置插入第二个倾斜(反射)镜SM12。沿袭上述定义，这里反射镜SM12的转动轴在z轴上，在x-y平面摆动。
可以理解的是，图7A中的参考坐标(x,y,z)可以任意定义，只需保证反射镜SM11的运动轴和反射镜SM12的运动轴正交即可。
这种双反射镜的工作方式可以用图6所示的双镜结构来实现，比如采用两个Cambridge Technology的一维6210H振镜或6220H振镜，也可以由一个设有两个独立正交运动轴的倾斜镜来实现，比如采用PI的S-335.2SH快速倾斜镜(Tip/Tilt Mirror)。
将图6和图7所示联合使用反射镜SM11和SM12的作用和效果是，在LSO眼底产生的扫描面，可以通过改变反射镜SM11和SM12的偏移量，在光学系统允许的范围内，将扫描面调整到360度空间的任何一个位置。下面在图8中进一步进行说明。
图8为通过改变反射镜SM11和SM12的偏移量调整成像面在360度空间的位置状态示意图。
如图8所示，控制反射镜SM12的参数在简单的情况下(复杂的控制情况参考图9及以下内容)就是一个平移量，以便调整成像面在水平方向的位置，可以用于跟踪目标在水平方向的移动。这里，控制反射镜SM11的参数一般有多个，反射镜SM11一方面作扫描，另一方面作成像面在垂直方向的平移或者目标跟踪(参考图2)。
联合使用反射镜SM11和SM12的作用，结合智能控制算法，即可实现LSO光学系统在二维眼底扫描的同时作LSO内部的眼底光学跟踪。相关控制以及算法实现部分请参考图11以及之后的内容。
综上，图6构成了一个完整的闭环控制系统。从点光源L11过来的光经过反射镜SM11和SM12到达眼底是一个二维的扫描空间，从眼底被扫描的空间返回的信号再一次经过反射镜SM11和SM12的扫描到达光电探测器，这里是一个线扫描相机(Line Scan Camera)，该线扫描相机用于记录从眼底返回的图像信号。
此外，本发明的图6之所以可以构成一个完整的闭环控制系统，是因为在启动眼底跟踪系统之后，系统存在这样一个关系式：
(xt+1,yt+1)＝(xt,yt)+g(Δxt,Δyt) (1)
在上式(1)中，(xt,yt)代表当前采样时刻在反射镜SM11和SM12上的控制指令(等效于各自的运动偏移量)，(Δxt,Δyt)代表从线扫描相机记录下来的图像(目标帧)和参考图像(参考帧)的相对运动量，g代表闭环控制系统的增益，(xt+1,yt+1)代表现有信号施加给反射镜SM11和SM12的下一组新的指令(等效于运动偏移量)。
由于在进入光电探测器(这里的线扫描相机)之前，来自眼底的运动信号已经得到反射镜SM11和SM12光学补偿，所以从光电探测器得到的运动信号总是残余运动信号，就是式(1)的(Δxt,Δyt)。
以上描述的闭环控制也可以补偿眼球的旋转信号。一个方法是将图6产生线光源的柱面镜L13以及相耦合的线扫描相机安装在一个360度的可控旋转支架上，使得线扩展光源可以出现在360度空间的任何一个位置旋转(参考图9)。
图9为旋转装置/机构用于旋转柱面镜L13产生的线光源在360度空间的位置示意图。
如图9所示，柱面镜的轴心以及相耦合的线扫描相机(为简单起见，所述线扫描相机图中未示出)在坐标原点O位置，被安装在一个可以控制的旋转机构(粗虚线所示)，在x-y平面的360度范围内可以自由旋转。光学系统的光轴在图9所示的z方向。从图9所示右侧过来的平面光源ABCD，经过柱面镜聚焦成一条线光源A'B'。柱面镜也可以安装在任意一个旋转机构上，用于产生任意一个方向的线光源A'B'。
转动图9所示的旋转装置，即可调整线光源A'B'在x-y平面的投影方向，并且A'B'和x轴的夹角跟旋转装置的旋转角一致，也就是θ(参考图10)。
图10为旋转柱面镜产生一个任意旋转角的线光源以及与之相关的扫描面的状态示意图。
如图10所示，从线光源A'B'产生如图所示的扫描面abcd，这时图6的扫描(反射)镜SM11和SM12都必须参与扫描，而不是图8所示的仅仅由扫描(反射)镜SM11参与扫描。
扫描(反射)镜SM11和SM12同时参与扫描的一种技术实现过程是，将图2所示的锯齿波作为SM11和SM12的驱动信号基(basis)，然后根据图10的旋转角将每个扫描(反射)镜应得的幅度乘到各自的基信号上。如图8的定义以及图10所示，这时扫描(反射)镜SM11的扫描基得到的振幅是(A'B'/2)sin(θ)，扫描(反射)镜SM12的扫描基得到的振幅是(A'B'/2)cos(θ)。需要指出的是，这种扫描方向，旋转方向的定义是随意的。
在这种情况下，关系式(1)则可更新为，
(xt+1,yt+1,θt+1)＝(xt,yt,θt)+g(Δxt,Δyt,Δθt) (2)
这里，θt为该闭环控制系统施加在旋转支架上的角度；(xt,yt)为施加在扫描(反射)镜SM11和SM12上的平移量，同时，(xt,yt)还是叠加在扫描(反射)镜SM11和SM12各自的用于产生图10的扫描信号上的平移量。同理，上式(2)中，(xt,yt,θt)为当前采样时刻在反射镜SM11、SM12以及柱面镜和线扫描相机旋转支架上的控制指令(等效于各自的运动偏移量和旋转角度)；(Δxt,Δyt,Δθt)为从线扫描相机记录下来的图像(目标帧)和参考图像(参考帧)的相对运动量；g是闭环控制系统的增益；(xt+1,yt+1,θt+1)为现有信号施加给反射镜SM11、SM12以及柱面镜和线扫描相机旋转支架的下一组新的指令(等效于运动偏移量和旋转角度)。
上述实施例中图6～图10描述的是本发明的主LSO成像系统，集成内部的眼底光学跟踪闭环控制系统，如式(1)或者式(2)的控制方式。在此基础之上，增加一个如图4所示的辅成像系统。该辅成像系统可以是一个OCT系统，也可以用于其他目的，如眼底激光治疗系统。所述的这两部分的具体技术实现，在另外的专利申请中有详细的描述。
图11为本发明实施例一种自带闭环光学跟踪的主LSO成像系统集成另外一个辅成像系统原理示意图。
如图11所示，左侧的主LSO成像系统集成了上半部分的另一个辅成像系统，其中左侧的主LSO成像系统自带闭环光学跟踪功能。其工作原理如下：
将控制信号(x,y,θ)施加给主LSO系统的扫描(反射)镜SM11、SM12以及柱面镜L13和线扫描相机的旋转支架。所述控制信号的参数分别如带箭头的虚线所示，来自LSO内部的闭环控制系统，和式(1)式(2)的一致。这组闭环控制运动信号比起传统LSO系统的纯数字运动信号有如下优点：1)平滑；2)稳定；3)抗干扰强。
在图11中，施加给辅系统的扫描(反射)镜SM21和SM22的控制信号(x',y',θ')完全继承了上述的闭环控制信号(x,y,θ)的优点，因为(x',y',θ')是通过空间变换(x,y,θ)得到，如式(3)所示：
(x',y',θ')＝f(x',y',θ'；x,y,θ)(x,y,θ) (3)
其中，式(3)的空间变换关系f(x',y',θ'；x,y,θ)完全由光学系统的参数决定。式(3)中快速、高效、精确、全自动测量主LSO系统到辅系统的空间变换关系f(x',y',θ'；x,y,θ)这里不展开论述。
上述图6～图11描述了本发明的光学和机械实现部分。下面描述本发明实施例的控制实现部分，着重点在于如何通过算法高速计算和获得眼底位置，从而快速调整扫描(反射)镜SM11，SM12以及扫描(反射)镜SM21，SM22实现高空间精度、低时间延迟的眼底跟踪。
参考图5，现有的数据处理技术是以帧为单位从LSO的图像计算眼底运动的。而发明实施例中，则采用了倍频技术进行计算。
图12为本发明实施例采用倍频技术降低眼底计算的时间延迟的示意图。
如图12所示，左侧的图像即图12A的f1和图5中的f1一致，仍然作为参考帧。右边的图像即图12B的fk是目标帧的任一帧图像(k>1)。本发明中将每一帧图像按照扫描相机达到的数据按照时间顺序，为了计算的方便，分成多个等间距亚帧元，如S1,1，S1,2，S1,3，…，S1,M是参考帧里的所有M个亚帧元，Sk,1，Sk,2，Sk,3，…，Sk,M是第k个目标帧里的所有M个亚帧元。
这里，本发明方法是将任何一帧图像在SM11的扫描方向(如上所述，通常情况下是图10所示的SM11和SM12扫描组合。为方便起见，这里仅用图8所示的SM11作为参考，以下描述一致。)分成多个等间距的亚帧元。所述等间距，表示每个亚帧元包含一样数量的扫描线。
图12A、图12B显示的是水平方向长条形的亚帧元，表示SM11在垂直方向扫描。如图10所示，SM11和SM12的组合可以让光学系统在360度空间的任何一个方向扫描，那么图12亚帧元的分割需要调整到相应的正交方向。为方便起见，参考图2的SM11扫描信号，所述亚帧元的分割方式参考图13。
图13为扫描(反射)镜SM11扫描信号以及亚帧元的分割方式示意图。
如图13所示，垂直虚线表示每个亚帧元的时间(等效的空间)位置；实粗线表示驱动SM11(或者SM11和SM12的组合，上下文一致)扫描的锯齿波。通常情况下，锯齿波有扫描区和回程区，如图13所示。极端情况下，回程区的时间是0，那么锯齿波就变成三角波。实施过程中也可以用三角波取代锯齿波作为SM11的扫描信号，只要不损坏扫描镜SM11和SM12即可。
本发明的另一个实施例中，采用一个Wasatch Photonics的线扫描相机(OCTOPLUS3)，让该相机接收一个16kHz的触发信号。也就是把相机设置成每秒接收16000个行信号。实施例中，16kHz触发时钟从Xilinx FPGA产生(SP605)，也可以从其它芯片比如DSP产生。
本发明实施例的LSO系统，所述SM11每个周期的扫描包含544根线，其中512根线在扫描区，32根线在回程区。所以图像的帧频是：
fps＝16000/544＝29.4
扫描区的512根线被用于成像，也就是图12所示的图像。回程区的数据被系统自动丢弃。
以上的划分方式仅仅是本发明的一个实施方式，不同的系统可以有完全不同的划分方式。
在以上实施例所示的情况下，本实施例中将SM11一个完整的扫描周期划分成32(扫描)+2(回程)个子区，每个子区包含16根扫描线(或者时间单位)。如图13的垂直虚线所示，这样一个完整的周期正好是34x16＝544根线。
本发明实施例的关键点在于，一旦有16根线到达相机，也就是一个亚帧元的数据就绪，该亚帧元的数据立即从相机送到主PC或者其他计算单元，比如CPU，GPU，DSP，FPGA等，本发明实施例中的处理单元采用了nVidia的图形处理器GTX1050。该16根线的亚帧元数据，对应着图12中Sk,1，Sk,2，Sk,3，......，Sk,M的其中一个位置。显然，该例子里M＝32，就是每一帧图像里亚帧元的总数量。
一旦计算单元接收到最新亚帧元的数据，算法立即启动比如Cross Correlation算法计算该亚帧元相对于参考帧的位置。通常情况下，是寻找目标帧亚帧元Sk,m和参考帧亚帧元S1,m的相对位置。但是也可以是寻找目标帧亚帧元Sk,m和其他参考帧亚帧元S1,p(p≠m)的相对位置。上述具体算法实施过程已在美国专利US9406133中公开。
采用该方法的优点在于，取得一个亚帧元Sk,m的时间仅仅需要：
16/16000＝1毫秒；
而不是等待一个完整帧的时间：
544/16000＝34毫秒。
将Cross Correlation算法从CPU移植到nVidia GPU(GTX1050)之后，从接收到亚帧元Sk,m数据到运动信号传送到SM11和SM12加上SM11和SM12的机械响应时间一共不到2毫秒。这相当于将一个周期的控制总延迟时间，从现有最好的装置能做到的(34+2)＝36毫秒降低到(1+2)＝3毫秒，后者是前者的1/12。
现有最好的装置调整SM11(没有SM12)的频率是图像的帧频29.4Hz，本发明的装置调整SM11和SM12的频率是亚帧元的采样时间1000Hz。这就是上述的倍频技术。同样，这里的具体数字仅仅是发明里的一个示例，不同的系统不同的应用，完全可以用不同的参数来实现上述的倍频技术。
与现有最好的技术相比，本发明采用将Cross Correlation算法从CPU移植到nVidia GPU(GTX1050)的技术，带来的优势是把跟踪系统的空间精度和3dB时间带宽提高了一个数量级以上。
继续应用以上的例子，线扫描系统里亚帧元的数据采样可以通过以下方法逐步实现(参考图14)。
图14为线扫描系统的扫描信号和同步信号示意图。
如图14所示，16kHz线脉冲是FPGA产生的系统基准时钟，图13的扫描信号(即图14的上半部分)以及图14的下部分29.4Hz帧同步信号均从16kHz基准脉冲锁相得到。并且扫描信号和帧同步信号也是完全同步的，扫描信号爬升期间，帧同步信号处于低电平；扫描信号回程期间，帧同步信号处于高电平。这些信号的产生可以在FPGA或DSP或者其他电子硬件上实现。本发明实施例中则是应用Xilinx的一个FPGA开发板SP605(Spartan 6芯片)实现。
通常情况下，控制线扫描相机的数据输出方式由用户输入线扫描相机一个触发信号实现。这个触发信号是既要包含图14的16kHz基准脉冲，又要包含图14的帧同步信号，也就是两者的组合，如图15所示，就是以上所述的Wasatch Photonics线扫描相机OCTOPLUS3要求的同步触发信号。
如图15所示，显示了一种合成了线基准时钟和帧同步信号，用于触发线扫描相机的信号，但图15中所示的这种标准方法无法触发线扫描相机发送1000Hz的亚帧元数据。仅仅用图14的16kHz基准时钟，又无法保证接收到的图像和扫描信号同步。为了得到和扫描信号同步的1000Hz亚帧元图像，本发明实施例中还对现有的触发技术做了适当改进。
线扫描相机的触发信号仅用图14的16kHz基准时钟，缓冲区大小是16行。这就是说，线扫描相机不管帧同步的状态，一旦线扫描相机收到16行的数据，立即发送给PC。但是，本发明实施例在硬件实现上作了一个额外的同步。
任何一个相机都有开始和结束数据采样的状态。一旦用户点击软件界面开始采样，传送给线扫描相机的16kHz基准时钟并不是马上开始，而是等到帧同步信号的上升沿或者下降沿出现，才触发线扫描相机的16kHz基准时钟。本发明实施例中在FPGA上实现这种功能时，采用了如以下的Verilog代码：
在上述FPGA代码中，v_sync是图14的29.4Hz帧同步信号，camera_start是用户开启和关闭相机的状态寄存器，camera_trigger是送给线扫描相机触发时钟。代码例子是v_sync的上升沿触发(posedge v_sync)，另一种情况是设置成下降沿触发(negedge v_sync)。只有在_sync的上升沿(或者下降沿)和camera_start同时出现的时候，才把16kHz基准时钟送给线扫描相机，否则，线扫描相机一直得到一个低电平处于采样等待状态。这里的采样定义为从相机发送图像数据给接收设备比如PC、GPU、DSP、或者其他器件。
上升沿或者下降沿的触发区别在于，如图14所示。上升沿触发时，每34个亚帧元的第1、第2单元是返程区的数据，需要被剔除。下降沿触发时，每34个亚帧元的第33、34单元是返程区的数据，需要被剔除。
以上实施例所述的具体数字只是本发明多种实施方式的一种参数设置，不同系统不同的应用场景完全可以用不同的参数。比如说扫描区可以是1024根线，回程区是32根线，这样系统的帧频就变成16000/(1024+32)＝15.2Hz。另外，根据线扫描相机的参数，也可以调整基准线时钟的频率，从16kHz提升到20kHz或者降低到15kHz等等，都是可以改变的参数。
亚帧元的大小同样也可以调整。比如说以上的1000Hz可以改变成500Hz每个亚帧元有32根线。也可以是其它亚帧元采样频率。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于改进的线扫描成像系统的稳像系统，包括一个线扫描眼底相机LSO成像系统，其特征在于，所述LSO成像系统中还包括正交振镜扫描装置，用于在眼底产生正交扫描面，能够将所述扫描面调整到360度空间的任一位置；以及用于结合智能控制算法实现LSO光学系统在二维眼底扫描的同时进行LSO内部的眼底光学跟踪。
2.根据权利要求1所述基于改进的线扫描成像系统的稳像系统，其特征在于，所述正交振镜扫描装置为由第一反射镜(SM11)和第二反射镜(SM12)组成的双镜结构，或正交双向振动的微机电系统MEMS扫描镜，或者由其他正交双向振动反射镜组成的结构。
3.根据权利要求2所述基于改进的线扫描成像系统的稳像系统，其特征在于，所述正交振镜扫描装置结合智能控制算法实现LSO光学系统在二维眼底扫描的同时进行LSO内部的眼底光学跟踪，所述稳像系统存在如下关系：
(xt+1,yt+1)＝(xt,yt)+g(Δxt,Δyt) (1)
其中，(xt,yt)代表当前采样时刻在第一反射镜(SM11)和第二反射镜(SM12)上的控制指令，其等效于各自的运动偏移量；(Δxt,Δyt)代表从线扫描相机记录下的图像目标帧和参考帧的相对运动量；g代表闭环控制系统的增益；(xt+1,yt+1)代表现有信号施加给第一反射镜(SM11)和第二反射镜(SM12)的下一组新的指令，其等效于运动偏移量。
4.一种基于改进的线扫描成像系统的稳像方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、在线扫描眼底相机LSO成像系统中增设正交振镜扫描装置，利用所述正交振镜扫描装置在眼底产生正交扫描面，使所述扫描面能够调整到360度空间的任一位置；
B、将所述正交振镜扫描装置结合智能控制算法实现LSO光学系统在二维眼底扫描的同时进行LSO内部的眼底光学跟踪。
5.一种包括权利要求1～3任一项所述基于改进的线扫描成像系统的稳像系统，其特征在于，还包括旋转装置，用于将产生线光源的柱面镜(L13)以及与之耦合的线扫描相机设置在360度空间可控旋转的支架上，使线可控光源在360度空间的任一位置旋转。
6.根据权利要求5所述基于改进的线扫描成像系统的稳像系统，其特征在于，将锯齿波作为第一反射镜(SM11)和第二反射镜(SM12)的驱动信号基，设旋转角为θ，将每个反射镜应得的幅度乘到各自的基信号上，则式(1)可更新为：
(xt+1,yt+1,θt+1)＝(xt,yt,θt)+g(Δxt,Δyt,Δθt) (2)
其中，θt为该闭环控制系统施加在旋转支架上的角度；(xt,yt)为施加在第一反射镜(SM11)和第二反射镜(SM12)上的平移量，(xt,yt)还是叠加在每个反射镜各自的用于产生扫描信号上的平移量；(xt,yt,θt)为当前采样时刻在第一反射镜(SM11)和第二反射镜(SM12)以及柱面镜(L13)和与之耦合的线扫描相机的旋转支架上的控制指令，其等效于各自的运动偏移量和旋转角度；(Δxt,Δyt,Δθt)为从线扫描相机记录下来的图像目标帧和参考帧的相对运动量；g是闭环控制系统的增益；(xt+1,yt+1,θt+1)为现有信号施加给第一反射镜(SM11)，第二反射镜(SM12)，以及柱面镜(L13)和与之耦合的线扫描相机的旋转支架的下一组新的指令，其等效于运动偏移量和旋转角度。
7.一种根据权利要求5所述基于改进的线扫描成像系统的稳像系统的稳像方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、在线扫描眼底相机LSO成像系统中增设正交振镜扫描装置，利用所述正交振镜扫描装置在眼底产生正交扫描面，使所述扫描面能够调整到360度空间的任一位置；
B、将产生线光源的柱面镜(L13)以及与之耦合的线扫描相机安装在一个360度的可控旋转支架上，使得线扩展光源可以出现在360度空间的任何一个位置旋转；
C、将所述正交振镜扫描装置结合智能控制算法实现LSO光学系统在二维眼底扫描的同时进行LSO内部的眼底光学跟踪。
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