CN113566854B - 二进制编码盘和采用该二进制编码盘的层析成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种层析成像系统，包括：柱面镜、光调制盘、汇聚透镜和点阵探测器；所述光调制盘包括圆盘，所述圆盘上由内向外划分多个圆心均与圆盘的圆心重合的圆环区域，各圆环区域上均沿圆周方向设有扇形孔，圆环区域上所有扇形孔对应的圆心角度之和作为该圆环区域的光通角度；各圆环区域的光通角度形成公比为2的等比数列。通过该系统可用点阵探测器对光信号进行探测，降低了系统成本。本系统借助层析成像原理，单像素情况下仍能保证成像的质量和极高的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种二进制编码盘和采用该二进制编码盘的层析成像系统。
背景技术
背景噪声中获得有用信号能够成像是近年来研究的重点，层析成像原理在图像处理中的应用非常广泛。现有的层析成像系统，多采用面阵探测器，或者柱面镜和线阵探测结合。面阵探测器和线阵探测器的集成电路复杂，集成难度相对较大，成本高昂。因此，现有层析成像中，采用柱面镜将二维光束压缩成一维光信号后，采用点阵探测器(即单像素探测器)的线性往复运动对一维光信号进行采集。由于点阵探测器在运动状态下采集光信号，其稳定性差，出错率高。
发明内容
为了解决上述现有技术中层析成像系统的搭建成本高的缺陷，本发明提出了一种二进制编码盘和采用该二进制编码盘的层析成像系统，可采用静止状态下的点阵探测器进行光信号的采集，降低了术中层析成像系统的搭建成本高，并保证了成像的质量。
本发明的目的之一采用以下技术方案：
一种二进制编码盘，包括圆盘，所述圆盘上由内向外划分多个圆心均与圆盘的圆心重合的圆环区域，各圆环区域上均沿圆周方向设有扇形孔，且所有圆环区域上的扇形孔在圆盘半径方向上的宽度均相等，圆环区域上所有扇形孔对应的圆心角度之和作为该圆环区域的光通角度；各圆环区域的光通角度形成公比为2的等比数列。
优选的，圆环区域上的扇形孔在圆盘任意半径方向上的宽度等于该圆环区域的外边缘和内边缘在圆盘半径方向上的距离。
优选的，沿着圆盘上由内向外的半径方向，各圆环区域的通光角度依次递增或者递减。
优选的，沿圆盘圆周方向扇形孔呈梯形分布；或者，所述圆盘划分为多个面积相等的扇形区域，各扇形区域旋转对称。
优选的，所述圆盘上还设有标记孔，标记孔位于最边缘的圆环区域的外周。
优选的，所述圆盘上沿圆周方向设有多个均匀分布的标记孔。
本发明的目的之二采用以下技术方案：
一种层析成像系统，包括：柱面镜、光调制盘、汇聚透镜和点阵探测器；
柱面镜用于将入射的平行光束压缩成一维光信号并透射到光调制盘上，柱面镜的出射光位于光调制盘的中心轴线的同一侧；所述光调制盘采用上述的二进制编码盘；
所述一维光信号经过光调制盘后透射到汇聚透镜上，汇聚透镜将一维光信号聚焦成光点信号，所述点阵探测器用于检测光点信号。
优选的，还包括解码模块，解码模块用于对点阵探测器的探测值进行二进制解码，以获得一维解码光信号；或者由点阵探测器对探测值φ进行二进制解码，以获得一维解码光信号；
对点阵探测器的探测值φ进行二进制解码的公式为：
其中，θi表示第i个设有扇形孔的圆环区域的光通角度，θmin为θ1、θ2、θ3、……、θn中的最小值，n为设有扇形孔的圆环区域的数量，θi/θmin为首项为1公比为2的等比数列中的项，1≤i≤n；εi等于0或者1，εi表示第i个圆环区域的编码值，一维解码光信号记作ε1ε2ε3......εn。
优选的，所述解码模块的解码方法包括以下步骤：
S1、将圆环区域的光通角度θi与最小光通角度θmin的比值记作圆环区域的参照值；
S2、获得小于或等于所述光点信号的编码值φ的参照值中的最大值作为选择对象，将选择对象对应的编码值置1；
S3、计算所述光点信号的编码值φ与所述选择对象的差值作为分配对象；
S4、将选择对象更新为小于或等于所述分配对象的参照值中的最大值，将选择对象对应的编码值置1；
S5、将所述分配对象更新为所述分配对象与选择对象的差值，然后返回步骤S4，直至分配对象为0。
优选的，步骤S1还包括：将各圆环区域的参照值由大到小排序；
所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、根据由大到小的顺序，将第一个参照值与所述编码值φ比较；
S22、该参照值是否小于或等于所述编码值φ；
S23、否，则将该参照值对应的编码值置0；将下一个参照值与所述编码值φ比较，并返回步骤S22；
S24、是，则将该参照值作为选择对象，将选择对象对应的编码值置1，然后执行步骤S3；
所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41、根据由大到小的顺序，将选择对象之后的参照值与分配对象比较；
S42、该参照值是否小于或等于所述分配对象；
S43、否，则将该参照值对应的编码值置0；将下一个参照值与所述分配对象比较，并返回步骤S42；
S44、是，则该参照值作为选择对象，将选择对象对应的编码值置1，然后执行步骤S5；
步骤S5具体包括以下步骤：
S51、是否存在小于选择对象的参照值；
S52、是，则分配对象更新为所述分配对象与选择对象的差值，然后返回步骤S41；
S53、否，则解码完成。
本发明的优点在于：
(1)该层析成像系统，采用该二进制编码盘作为光调制盘，光调制盘旋转一周相当对柱面镜出射的一维光信号进行了二进制编码，使得汇聚透镜的出射的光点信号的强度值可根据经过光调制盘的二进制编码后的一维光信号获得，反之，可根据汇聚透镜出射的光点信号的强度值即点阵探测器的探测值逆推经过光调制盘进行二进制编码后的一维光信号，即可对点阵探测器的探测值进行二进制解码。通过该系统可用点阵探测器对光信号进行探测，降低了系统成本。本系统借助层析成像原理，单像素情况下仍能保证成像的质量和极高的信噪比。
(2)通过汇聚透镜的应用，将柱面镜出射的一维光信号转换为光点信号，点阵探测器可在静止状态下实现对光点信号的探测，保证了点阵探测器工作的可靠性。同时，通过光调制盘对一维光信号进行二进制编码，为点阵探测器探测到的光点信号的强度值的解码实现了唯一解，从而保证了根据点阵探测器的探测器还原一维光信号实现目标物的建模的可靠性。光调制盘旋转一周实现依次二进制编码，随着光调制盘旋转周数的增加，光点信号的强度周期性叠加，点阵探测器的探测值增加，从而提高了探测精度，实现了对物光的积分放大状态下的分析，保证了物光分析和目标物建模的精确。
(3)不同圆环区域上的扇形孔的宽度相等，所述宽度即为扇形孔在圆盘半径方向上的宽度，从而保证根据圆心角计算各环形区域的光通量的正确率，保证对一为光信号进行二进制编码的可靠性。
(4)圆环区域上的扇形孔在圆盘任意半径方向上的宽度等于该圆环区域的外边缘和内边缘在圆盘半径方向上的距离。如此，有利于保证扇形孔的规整，避免扇形孔的边缘位置对光线的遮挡，进一步保证对一维光信号的二进制编码的可靠性。
(5)标记孔的设置，可用于统计圆盘的旋转角度，从而精确计算圆盘的旋转周数，以便结合圆盘旋转圈数对点阵探测器的探测值进行精确解码。
(6)本发明中给出了具体的编码解码方法，保证了对点阵探测器的探测值的解码的精确。
附图说明
图1为一种二进制编码盘平面示意图；
图2为一种层析成像系统光路示意图；
图3为另一种二进制编码盘平面示意图；
图4又一种二进制编码盘平面示意图；
图5再一种二进制编码盘平面示意图；
图6为一种层析成像系统的光强解码方法流程图；
图7为一种层析成像系统的另一种光强解码方法流程图；
图8为实施例所用验证图像。
图示：1、柱面镜；2、光调制盘；21、圆盘；22、扇形孔；23、标记孔；24、安装孔；3、汇聚透镜；4、点阵探测器；A、目标物。
具体实施方式
本实施方式提出的一种层析成像系统，包括：柱面镜1、光调制盘2、汇聚透镜3和点阵探测器4。
柱面镜1用于将入射的平行光束压缩成一维光信号并透射到光调制盘2上，柱面镜1的出射光位于光调制盘2的中心轴线的同一侧。
所述一维光信号经过光调制盘2后透射到汇聚透镜3上，汇聚透镜3将一维光信号聚焦成光点信号，所述点阵探测器4用于检测光点信号。
本实施方式提出的一种二进制编码盘，包括圆盘21，所述圆盘21上由内向外划分多个圆心均与圆盘21的圆心重合的圆环区域，各圆环区域上均沿圆周方向设有扇形孔22，且所有圆环区域上的扇形孔22在圆盘半径方向上的宽度均相等，圆环区域上所有扇形孔22对应的圆心角度之和作为该圆环区域的光通角度；各圆环区域的光通角度形成公比为2的等比数列。具体的，任一圆环区域上设置的扇形孔22可以是一个也可以是多个。
具体实施时，所述扇形孔22的沿圆周方向的边缘可以是弧线，也可以是波浪线或者折线等。扇形孔22的沿圆周方向的边缘为弧线时，扇形孔22的宽度为扇形孔22的外边缘弧线和内边缘弧线在圆盘21半径方向上的距离；扇形孔22的沿圆周方向的边缘为波浪线或者折线时，扇形孔22的宽度为扇形孔22的外边缘的中心线和内边缘的中心线在圆盘21半径方向上的距离。所述扇形孔22的外边缘为扇形孔22背离圆盘21中心的边缘，所述扇形孔22的内边缘为扇形孔22靠近圆盘21中心的边缘。所述扇形孔22的外边缘的中心线和扇形孔22的内边缘的中心线均为与圆盘21同心的弧线。
通过各圆环区域上的扇形孔22透射到圆盘21另一侧的光线与圆环区域的光通角度相对应，由于各圆环区域的光通角度构成公比为2的等比数列，故而通过圆环区域的编码可实现任意的二进制编码值的编码和解码。
该层析成像系统，采用该二进制编码盘作为光调制盘，光调制盘旋转一周相当对柱面镜1出射的一维光信号进行了二进制编码，使得汇聚透镜3的出射的光点信号的强度值可根据经过光调制盘2的二进制编码后的一维光信号获得，反之，可根据汇聚透镜3出射的光点信号的强度值即点阵探测器的探测值逆推经过光调制盘2进行二进制编码后的一维光信号，即可对点阵探测器的探测值进行二进制解码。
本实施方式中，通过汇聚透镜3的应用，将柱面镜1出射的一维光信号转换为光点信号，点阵探测器4可在静止状态下实现对光点信号的探测，保证了点阵探测器4工作的可靠性。同时，通过光调制盘2对一维光信号进行二进制编码，为点阵探测器4探测到的光点信号的强度值的解码实现了唯一解，从而保证了根据点阵探测器4的探测器还原一维光信号实现目标物A的建模的可靠性。
同时，在目标物A不变的状态下，入射到柱面镜1的受光面上的携带有目标物A信息的物光是恒定不变的，光调制盘2旋转一周实现依次二进制编码，随着光调制盘2旋转周数的增加，光点信号的强度周期性叠加，点阵探测器4的探测值增加，从而提高了探测精度，实现了对物光的积分放大状态下的分析，保证了物光分析和目标物A建模的精确。
本实施方式中，圆环区域上的扇形孔22在圆盘21任意半径方向上的宽度等于该圆环区域的外边缘和内边缘在圆盘21半径方向上的距离。如此，有利于保证扇形孔22的规整，避免扇形孔22的边缘位置对光线的遮挡，进一步保证对一维光信号的二进制编码的可靠性。
具体的，图1、图3、图4、图5给出了多种二进制编码盘的示意图，本领域技术人员应当知道，二进制编码盘的具体实施方式不限于附图所示。
本实施方式中，沿着圆盘21上由内向外的半径方向，各圆环区域的通光角度依次递增或者递减，如图1或图5所示，以保证圆盘上扇形孔22的规律性性分布，方便圆盘21的加工。进一步的，还可设置沿圆盘圆周方向扇形孔22呈梯形分布，如图1所示，或者，所述圆盘21划分为多个面积相等的扇形区域，各扇形区域旋转对称，如图3所示。
本实施方式中，所述圆盘21上还设有标记孔23，标记孔23位于最边缘的圆环区域的外周。标记孔23的设置，可用于统计圆盘21的旋转角度。具体实施时，为了进一步保证圆盘21的旋转角度的精确监控，所述圆盘21上沿圆周方向设有多个均匀分布的标记孔23。
本实施方式中提供的层析成像系统，还包括解码模块，解码模块用于对点阵探测器的探测值进行二进制解码，以获得一维解码光信号，一维解码光信号的格式为：ε1ε2ε3......εn，其中，εi表示第i个圆环区域的编码值，εi等于0或者1,1≤i≤n，n为圆环区域的数量；第i个圆环区域的光通角度记作θi，将θ1、θ2、θ3、……、θn中的最小值记作θmin，所述光点信号的编码值记作φ，则：
具体的，解码模块根据上述公式对点阵探测器的探测值进行二进制解码，以获得唯一解。
本实施方式中，所述解码模块的解码方法包括以下步骤：
S1、将圆环区域的光通角度θi与最小光通角度θmin的比值记作圆环区域的参照值。可见，各圆环区域的参照值构成首项为1，公比为2的等比数列。
S2、获得小于或等于所述光点信号的编码值φ的参照值中的最大值作为选择对象，将选择对象对应的编码值置1。
S3、计算所述光点信号的编码值φ与所述选择对象的差值作为分配对象。
S4、将选择对象更新为小于或等于所述分配对象的参照值中的最大值，将选择对象对应的编码值置1。
S5、将所述分配对象更新为所述分配对象与选择对象的差值，然后返回步骤S4，直至分配对象为0。
具体的，编码值置1以外的编码值均置0，即所有未曾作为选择对象的参照值对应的编码值均置0，以完成光点信号的编码值二进制解码。具体实施时，可在步骤S5中，统一将置1以外的编码值均置0。
更进一步的实施方式中，所述解码模块的解码方法包括以下步骤：
S1、将圆环区域的光通角度θi与最小光通角度θmin的比值记作圆环区域的参照值，将各圆环区域的参照值由大到小排序。
S21、根据由大到小的顺序，将第一个参照值与所述编码值φ比较。
S22、该参照值是否小于或等于所述编码值φ。
S23、否，则将该参照值对应的编码值置0；将下一个参照值与所述编码值φ比较，并返回步骤S22。
S24、是，则将该参照值作为选择对象，将选择对象对应的编码值置1，然后执行步骤S3。
S3、计算所述光点信号的编码值φ与所述选择对象的差值作为分配对象。
S41、根据由大到小的顺序，将选择对象之后的参照值与分配对象比较。
S42、该参照值是否小于或等于所述分配对象。
S43、否，则将该参照值对应的编码值置0；将下一个参照值与所述分配对象比较，并返回步骤S42。
S44、是，则该参照值作为选择对象，将选择对象对应的编码值置1，然后执行步骤S51。
S51、是否存在小于选择对象的参照值。
S52、是，则分配对象更新为所述分配对象与选择对象的差值，然后返回步骤S41。
S53、否，则解码完成。
以下，结合一个具体的实施例对上述层析成像系统的工作方式进行解析。本实施例中，目标物A的图像如图8所示，其分辨率矩阵图像理想状态下如下表1所示。
表1：图8所示图像理想状态下的分辨率矩阵
| 1 | 1 | ||||||||
| 1 | 1 | ||||||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | ||||||
| 1 | 1 | ||||||||
| 1 | 1 | ||||||||
| 1 | 1 | ||||||||
| 1 | 1 | ||||||||
| 1 | 1 |
实际探测时，由于光强影响，分辨率矩阵中各像素点的光强只会有变化。例如，假设本实施例中光强较弱，则实际的分辨率矩阵如下表2所示。
表2：图8所示图像实际状态下的分辨率矩阵
| 0.1 | 0.1 | ||||||||
| 0.1 | 0.1 | ||||||||
| 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | ||||||
| 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | ||||||
| 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | ||||||
| 0.1 | 0.1 | ||||||||
| 0.1 | 0.1 | ||||||||
| 0.1 | 0.1 | ||||||||
| 0.1 | 0.1 | ||||||||
| 0.1 | 0.1 |
可见，本实施例中，如果分辨率阈值设置为0.5，则图8所示图像无法辨认。
为了提高图像的分辨率，可以通过柱面镜1对图像进行任意角度的积分。本实施例中，对图像进行竖直方向上的积分，从而获得如下表3所示的一维分辨率矩阵，即一维光信号。
表3：对表2进行竖直积分后的分辨率矩阵
| 0 | 0 | 0 | 0.3 | 1 | 1 | 0.3 | 0 | 0 | 0 |
本实施例中，设置分辨率阈值为0.5，对低于分辨率阈值的光强置0，高于或等于分辨率阈值的光强置1，则表3所示分辨率矩阵转换为表4所示。
表4：对表3进行转换后的分辨率矩阵
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
本实施例中的层析成像系统采用如图5所示的光调制盘2。本实施例中，圆盘21上将需要加工扇形孔22的区域在半径方向上等分为10个圆环区域，即各加工有扇形孔22的圆环区域在圆盘21的半径方向上宽度相等，且扇形孔22的宽度等于其所在圆环区域的宽度，从而保证不同圆环区域上的扇形孔22的宽度相等。
本实施例中，光调制盘2旋转一周的状态下，点阵探测器4探测到的光点信号的光强值为48，该光强值即为光点信号的编码值。
本实施例中，共有10个设有扇形孔22的圆环区域，根据光通角度又小到大的顺序，该10个圆环区域对应的参照值分别为：1、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29。
25≤48≤26，48-25＝16＝24；
即，本实施例中，光点信号的编码值为φ＝48＝25+24；
即，φ＝48＝0×20+0×21+0×22+0×23+1×24+1×25+0×26+0×27+0×28+0×29
根据以上公式，可获得二进制解码后的一维光信号的分辨率矩阵为：0000110000；该分辨率矩阵与表4相符合，可见本系统的可行性。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种层析成像系统，其特征在于，包括：柱面镜(1)、光调制盘(2)、汇聚透镜(3)和点阵探测器(4)；
柱面镜(1)用于将入射的平行光束压缩成一维光信号并透射到光调制盘(2)上，柱面镜(1)的出射光位于光调制盘(2)的中心轴线的同一侧；所述光调制盘(2)二进制编码盘；
所述一维光信号经过光调制盘(2)后透射到汇聚透镜(3)上，汇聚透镜(3)将一维光信号聚焦成光点信号，所述点阵探测器(4)用于检测光点信号；
二进制编码盘包括圆盘(21)，所述圆盘(21)上由内向外划分多个与圆盘(21)同心的圆环区域，各圆环区域上均沿圆周方向设有扇形孔(22)，且所有圆环区域上的扇形孔(22)在圆盘半径方向上的宽度均相等，圆环区域上所有扇形孔(22)对应的圆心角度之和作为该圆环区域的光通角度；各圆环区域的光通角度形成公比为2的等比数列；
圆环区域上的扇形孔(22)在圆盘(21)任意半径方向上的宽度等于该圆环区域的外边缘和内边缘在圆盘(21)半径方向上的距离；
沿着圆盘(21)上由内向外的半径方向，各圆环区域的通光角度依次递增或者递减；
沿圆盘圆周方向扇形孔(22)呈梯形分布；或者，所述圆盘(21)划分为多个面积相等的扇形区域，各扇形区域旋转对称；
所述圆盘(21)上还设有标记孔(23)，标记孔(23)位于最边缘的圆环区域的外周；
所述圆盘(21)上沿圆周方向设有多个均匀分布的标记孔(23)；
所述层析成像系统还包括解码模块，解码模块用于对点阵探测器的探测值φ进行二进制解码，以获得一维解码光信号；或者由点阵探测器对探测值φ进行二进制解码，以获得一维解码光信号；
对点阵探测器的探测值φ进行二进制解码的公式为：
其中，θi表示第i个设有扇形孔的圆环区域的光通角度，θmin为θ1、θ2、θ3、……、θn中的最小值，n为设有扇形孔的圆环区域的数量，θi/θmin为首项为1公比为2的等比数列中的项，1≤i≤n；εi等于0或者1，εi表示第i个圆环区域的编码值，一维解码光信号记作ε1ε2ε3......εn。
2.如权利要求1所述的层析成像系统，其特征在于，对点阵探测器的探测值φ进行二进制解码的方法包括以下步骤：
S1、将圆环区域的光通角度θi与最小光通角度θmin的比值记作圆环区域的参照值；
S2、获得小于或等于所述光点信号的编码值φ的参照值中的最大值作为选择对象，将选择对象对应的编码值置1；
S3、计算所述光点信号的编码值φ与所述选择对象的差值作为分配对象；
S4、将选择对象更新为小于或等于所述分配对象的参照值中的最大值，将选择对象对应的编码值置1；
S5、将分配对象更新为所述分配对象与选择对象的差值，然后返回步骤S4，循环步骤S4-S5，直至分配对象为0。
3.如权利要求2所述的层析成像系统，其特征在于，步骤S1还包括：将各圆环区域的参照值由大到小排序；
所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、根据由大到小的顺序，将第一个参照值与所述光点信号的编码值φ比较；
S22、该参照值是否小于或等于所述编码值φ；
S23、否，则将该参照值对应的编码值置0；将下一个参照值与所述编码值φ比较，并返回步骤S22；
S24、是，则将该参照值作为选择对象，将选择对象对应的编码值置1，然后执行步骤S3；
所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41、根据由大到小的顺序，将选择对象之后的参照值与分配对象比较；
S42、该参照值是否小于或等于所述分配对象；
S43、否，则将该参照值对应的编码值置0；将下一个参照值与所述分配对象比较，并返回步骤S42；
S44、是，则该参照值作为选择对象，将选择对象对应的编码值置1，然后执行步骤S5；
步骤S5具体包括以下步骤：
S51、是否存在小于选择对象的参照值；
S52、是，则分配对象更新为所述分配对象与选择对象的差值，然后返回步骤S41；
S53、否，则解码完成。
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