CN115737272B - 一种激光治疗系统的标定方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种激光治疗系统的标定方法，所述方法包括：步骤1、获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像，在二维图像中选取参考图像块，所述光斑位于所述参考图像块中；步骤2、计算光斑中心在所述二维图像中的坐标，将该坐标点与其对应的振镜角度作为该坐标点的标定结果；步骤3、调整振镜角度，改变光斑在图像中的位置；步骤4、在所述参考图像块外确定临近搜索范围，在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，作为更新的参考图像块；步骤5、返回步骤2，直到满足标定结束的条件；借由上述方法，可实现激光治疗系统自动标定，缩短标定时间，节约人力成本；采用跟踪搜索法，有利于消除杂散光或光斑变形带来的影响。
Description
技术领域
本发明涉及激光治疗系统图像处理技术，具体涉及一种激光治疗系统的标定方法和装置。
背景技术
激光治疗系统目前普遍用于眼底疾病的治疗，它利用激光对眼底产生一系列生物学效应，消除眼底病变区域或对可能的眼底疾病做预防。但传统的激光治疗系统为手动治疗，对医生和病人的要求比较高，有经验资格进行手术的医生比较少且难以获得。
激光治疗系统与面相机相结合的系统中，虽然抛弃了传统的裂隙灯式成像方法，使图像可以数字化，便于网络传输，但这带来了激光打击位置误差的问题。传统的激光治疗系统配合瞄准光可以实时看到激光位置，且每次手术均为医生手动选取，打击时机由医生判断。面相机激光治疗系统可利用面相机实时采集人眼眼底数字图像实现自动激光治疗，从而解决传统激光治疗系统的自动化程度低的问题。但面相机激光治疗系统改用数字图像后，手术过程需要受机器控制，电脑需要在面相机采集到的图像与决定激光位置的振镜偏转角度之间取得转换关系。由于装配等原因，即使可以理论计算出转换表，实际上也会有一定偏差，需要对每台机器标定。
通常标定的做法是手动标定，这种方法虽然准确度相对较高，但耗时极长，且为提高准确度带来的时间成本呈几何式增长。
发明内容
针对上述存在的拘束局限性，本发明提出了一种激光治疗系统的标定方法和装置，通过该方法可准确地获得振镜坐标与图像坐标的转换关系，实现激光治疗系统的自动标定。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种激光治疗系统的标定方法，其中激光治疗系统包括照明光源、激光器、振镜和面相机，所述方法包括：
步骤1、获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像，在二维图像中选取参考图像块，所述光斑位于所述参考图像块中；
步骤2、计算光斑中心在所述二维图像中的坐标，将该坐标点与其对应的振镜角度作为该坐标点的标定结果；
步骤3、调整振镜角度，改变光斑在图像中的位置；
步骤4、在所述参考图像块外确定临近搜索范围，在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，作为更新的参考图像块；
步骤5、返回步骤2，直到满足标定结束的条件。
进一步的，所述计算光斑中心在所述二维图像中的坐标，包括：
计算所述光斑中心在参考图像块中的坐标：
，
；
其中，i,j分别为参考图像块中的像素点的横坐标和纵坐标，I i,j 为像素点(i,j)处的亮度值；
基于所述光斑中心在参考图像块中的坐标、以及参考图像块在所述二维图像中的位置，计算所述光斑中心在所述二维图像中的坐标。
进一步的，所述在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，具体为：
在所述临近搜索范围内通过互相关运算确定与参考图像块互相关值最大的区域，将该区域作为与所述参考图像块相似程度最高的图像区域。
进一步的，在所述满足标定结束的条件之前，多次进行所述调整振镜角度，改变光斑在图像中的位置的步骤，具体是：多次调整振镜角度，使得光斑在图像中依次按S形轨迹移动。
进一步的，在所述选取参考图像块之前，还包括：调整激光器的光强，使所述光斑的中心亮度达到最大值。
进一步的，在所述获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像之前，还包括：
获取面相机拍摄的标定眼所反射的第一光斑图像；
调整振镜转动初始角度，获取面相机拍摄的标定眼所反射的第二光斑图像；
确定标定范围，基于第二光斑图像与第一光斑图像中光斑位置的变化、初始角度、以及所述标定范围，确定标定过程中每次振镜转动的方向、步长以及标定结束的条件。
进一步的，所述标定范围占面相机成像范围的75%~85%。
进一步的，在得到各所述坐标点的标定结果后，还包括：将各坐标点与其对应的振镜角度采用最小二乘法转化为单应性矩阵，作为图像的标定结果。
进一步的，在所述获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像之前，还包括关闭激光器和照明光源，拍摄背景图像；
并且，所述获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像，具体是获取面相机拍摄的标定眼所反射的减去背景图像处理后的带有光斑的二维图像。
本发明还提供了一种激光治疗系统的标定装置，包括：
获取模块，用于获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像；
处理模块，用于在二维图像中选取参考图像块，所述光斑位于所述参考图像块中；计算光斑中心在所述二维图像中的坐标，将该坐标点与其对应的振镜角度作为该坐标点的标定结果；在所述参考图像块外确定临近搜索范围，在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，作为更新的参考图像块；返回所述计算光斑中心在所述二维图像中的坐标的步骤，直到满足标定结束的条件；
调整模块，用于调整振镜角度，改变光斑在图像中的位置。
本发明与现有技术相对比，本发明具有以下优点：
（1）可实现激光治疗系统的自动标定，缩短标定时间，节约人力成本；每个点的计算时间相比人的观察时间大大减少，一般1000个点的标定在2分钟即可完成，而人工时间大约需要40-60分钟左右。且若希望进一步提高标定速度，更换相机提高帧频或更换计算元件提高计算速度即可。
（2）在参考图像块外确定临近搜索范围，在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，作为更新的参考图像块，能够快速高效的确定出光斑在图像中的位置，并且相比与简单的重心法计算光斑质心，更有利于消除杂散光或光斑变形带来的影响；
（3）通过采用单应性变换矩阵得到标定后的面相机图像中的各像素点所对应的治疗振镜角度，当只标定了部分点时，可通过矩阵估计未标定点的结果；当在标定了全部点时，可通过矩阵校正标定出的偏差较大的错误点，消除了因少数点计算错误导致的部分区域位置不准确问题，利于提升标定的准确率。
（4）采用本发明，还能够进一步提高标定精度。本发明的实施例中，每次操作执行所需的最小时间单元取决与面相机两帧图像之间的时间间隔，即帧频。目前使用最广泛的简易人工标定方式，通常只取3、4个点进行标定，而本方法实际使用时，一般是在短时间内自动标定几百个点，如此一来，标定结果的稳定程度提高了上百倍，而且，还可以通过提高激光器的性能提高激光光源特性进一步缩小光斑的面积，来进一步提升标定精度。
（5）本发明的应用场景广泛，适用于多种治疗系统，如眼科或内窥的激光治疗系统，具有良好的应用前景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种激光治疗系统的标定方法的步骤图。
图2为本发明实施例提供的一种光斑中心坐标计算方法的示意图。
图3为本发明实施例提供的更新的参考图像块的示意图。
图4为本发明实施例提供的一种S形轨迹的示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。为了进一步了解本发明，下面结合最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的发明一方面是，提供一种激光治疗系统的标定方法；本实施例的激光治疗系统为光凝仪，包括照明光源、激光器、振镜和面相机；参考图1，所述方法包括以下步骤：
步骤1、获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像，在二维图像中选取参考图像块，所述光斑位于所述参考图像块中；如图3所示， a图中的灰色圆点即为光斑，本实施例中在光斑外的选取的实线矩形框即为参考图像块，参考图像块的形状不限，也可以为圆形、三角形、多边形等，参考图像块的大小也可由技术人员根据经验人为设定。
步骤2、计算光斑中心在所述二维图像中的坐标，将该坐标点与其对应的振镜角度作为该坐标点的标定结果；
步骤3、调整振镜角度，改变光斑在图像中的位置；
步骤4、由于相机或激光的特性，光斑移动时常出现光斑拖影和杂散光，为了能够快速准确的定位到新的光斑，本实施例中采用的方法为：在所述参考图像块外确定临近搜索范围，在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，作为更新的参考图像块；
如图3所示，a图中在实线矩形框外确定的虚线矩形框即为临近搜索范围，临近搜索范围的形状不限，可与参考图像块的形状相同，也可以不相同，临近搜索范围的尺寸也可由技术人员根据需要设定，本实施例中的尺寸设定为参考图像块尺寸的2倍。b图为光斑在图像中的位置改变后，虚线圆点为上一光斑的位置，灰色圆点为新光斑，在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，即为c图中的实线矩形框区域，该区域中包含了新的光斑，即c图中的灰色圆点，将c图中的实线矩形框区域作为更新的参考图像块；
步骤5、返回步骤2，此时再次进行到步骤4时，即在更新的参考图像块外确定临近搜索范围，即c图中的虚线矩形框。如此多次重复步骤2-4，直到满足标定结束的条件，此时得到各所述坐标点的标定结果；
还可以包括步骤6、将各坐标点与其对应的振镜角度采用最小二乘法转化为单应性矩阵，作为图像的标定结果。
作为一种实施例，步骤1中，所述标定眼可以为标准的模拟眼，也可以为动物眼或人眼，或其他可以类似模拟人眼的具有模拟晶状体和模拟视网膜的结构。
作为一种实施例，步骤1中，在所述获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像之前，还包括：
获取面相机拍摄的标定眼所反射的第一光斑图像；
调整振镜转动初始角度，获取面相机拍摄的标定眼所反射的第二光斑图像；
确定标定范围，标定范围不应太大，避免超出相机的成像范围，导致标定途中光斑移出图像无法观察；也不应太小，这样标定结果不具有代表性。标定范围应尽量覆盖整个成像视场，本实施例中的标定范围优选占面相机成像范围的75%~85%。
基于第二光斑图像与第一光斑图像中光斑位置的变化、初始角度、以及所述标定范围，确定标定过程中每次振镜转动的方向、步长以及标定结束的条件。
例如，根据标定范围规划预期的每次移动的光斑点的距离及方向，调整振镜转动的初始角度为：X轴方向顺时针旋转5°，之后观察到图像中第二光斑图像的光斑相比于第一光斑图像中的光斑，其位置向着预期的方向移动，但移动的距离仅达到预期的二分之一，则可判断振镜转动的方向基本正确，确定下一次振镜转动的方向和本次一致，但步长可以增大一倍，如此确定标定过程中每次振镜转动的方向和步长。
需要说明的是，结束条件可以是结合标定范围确定全部移动的轨迹和次数，到达所述次数后停止，例如确定按照S型轨迹移动，移动满100次即停止；也可以是光斑点覆盖的范围基本覆盖标定范围等，可自行设定。
作为一种实施例，步骤1中，在所述获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像之前，还包括关闭激光器和照明光源，拍摄背景图像；
并且，所述获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像，具体是获取面相机拍摄的标定眼所反射的减去背景图像处理后的带有光斑的二维图像。
作为一种实施例，步骤2中所述计算光斑中心在所述二维图像中的坐标包括：
计算所述光斑中心在参考图像块中的坐标，计算方法为：
，
；
其中，i,j分别为参考图像块中的像素点的横坐标和纵坐标，I i,j 为像素点(i,j)处的亮度值；
参考图2，基于所述光斑中心在参考图像块中的坐标、以及参考图像块在所述二维图像中的位置，计算所述光斑中心在所述二维图像中的坐标（x,y），计算方法为：
其中，x1、y1分别为参考图像块的左上角像素点在所述二维图像中位置的横、纵坐标。
作为一种实施例，参考图3，步骤4中，所述在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域采用的方法具体为：
在所述临近搜索范围内通过互相关运算确定与参考图像块互相关值最大的区域，将该区域作为与所述参考图像块相似程度最高的图像区域。
所述互相关值的计算方法如下：
其中，A(x,y)是所述参考图像块与当前图像的相对位置，FFT{ImgRef}为所述参考图像块的正向FFT（快速傅里叶变换），FFT{ImgTar} + 为当前图像的正向FFT的共轭，FFT -1为逆向FFT，.*代表点乘计算。
作为一种实施例，步骤4中，在所述选取参考图像块之前，还包括：调整激光器的光强，使所述光斑的中心亮度达到最大值。
作为一种实施例，步骤5中，在所述满足标定结束的条件之前，多次进行所述调整振镜角度，改变光斑在图像中的位置的步骤。
改变光斑在图像中的位置的步骤具体是：多次调整振镜角度，使得光斑在图像中依次按预设轨迹移动。
作为一种实施例，参考图4，所述预设轨迹可以是S形轨迹，当采取此种轨迹移动时，初始位置为所述二维图像的左上角或右上角。
具体地，当所述初始位置为所述二维图像的左上角时，
开始扫描，从所述初始位置按照横向坐标轴正方向移动光斑；
当所述光斑到达右侧边缘时，按照纵向坐标轴正方向移动光斑，到下一个扫描行，而后按照横向坐标轴负方向移动光斑；
当所述光斑到达左侧边缘时，按照纵向坐标轴正方向移动光斑，到下一个扫描行，而后按照横向坐标轴正方向移动光斑；
当所述光斑到达结束位置时，停止扫描。
当所述初始位置为所述二维图像的右上角时，光斑移动方式与所述初始位置为所述二维图像的左上角时的移动方式相反，在此不再赘述。
作为一种实施例，所述预设轨迹还可以是螺旋式轨迹，当采取此种轨迹移动时，初始位置为所述二维图像的中心。
需要说明的是，除了采用各种无交叉的轨迹（如所述S形轨迹、所述螺旋式轨迹），也可以采用鱼骨式等有交叉重叠的轨迹，重叠处不采数据即可。
本发明的另一方面是，提供一种激光治疗系统的标定装置，所述装置包括：获取模块、处理模块、调整模块，各模块的作用如下：
获取模块：用于获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像；
处理模块：用于执行如下步骤：在二维图像中选取参考图像块，所述光斑位于所述参考图像块中；计算光斑中心在所述二维图像中的坐标，将该坐标点与其对应的振镜角度作为该坐标点的标定结果；振镜角度调整后，在所述参考图像块外确定临近搜索范围，在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，作为更新的参考图像块；返回所述计算光斑中心在所述二维图像中的坐标的步骤，直到满足标定结束的条件；
调整模块：用于调整振镜角度，改变光斑在图像中的位置。
作为一种实施例，本发明所述方法可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用计算机或任何其他类似硬件设备来实现。
本发明所述的方法可以软件程序的形式实施，所述软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，所述软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。
另外，本发明所述方法的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。
另外，本发明所述的方法的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本申请的方法和/或技术方案。而调用本发明所述方法的程序指令，可被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。
作为一种实施例，本发明还提供一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述的多个实施例的方法和/或技术方案。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
最后，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种激光治疗系统的标定方法，激光治疗系统包括照明光源、激光器、振镜和面相机，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像，在二维图像中选取参考图像块，所述光斑位于所述参考图像块中；
步骤2、计算光斑中心在所述二维图像中的坐标，将该坐标点与其对应的振镜角度作为该坐标点的标定结果；
步骤3、调整振镜角度，改变光斑在图像中的位置；
步骤4、在所述参考图像块外确定临近搜索范围，在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，作为更新的参考图像块；
步骤5、返回步骤2，直到满足标定结束的条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算光斑中心在所述二维图像中的坐标，包括：
计算所述光斑中心在参考图像块中的坐标：
，
；
其中，i,j分别为参考图像块中的像素点的横坐标和纵坐标，I i,j 为像素点(i,j)处的亮度值；
基于所述光斑中心在参考图像块中的坐标、以及参考图像块在所述二维图像中的位置，计算所述光斑中心在所述二维图像中的坐标。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，具体为：
在所述临近搜索范围内通过互相关运算确定与参考图像块互相关值最大的区域，将该区域作为与所述参考图像块相似程度最高的图像区域。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述满足标定结束的条件之前，多次进行所述调整振镜角度，改变光斑在图像中的位置的步骤，具体是：多次调整振镜角度，使得光斑在图像中依次按S形轨迹移动。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述选取参考图像块之前，还包括：调整激光器的光强，使所述光斑的中心亮度达到最大值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像之前，还包括：
获取面相机拍摄的标定眼所反射的第一光斑图像；
调整振镜转动初始角度，获取面相机拍摄的标定眼所反射的第二光斑图像；
确定标定范围，基于第二光斑图像与第一光斑图像中光斑位置的变化、初始角度、以及所述标定范围，确定标定过程中每次振镜转动的方向、步长以及标定结束的条件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述标定范围占面相机成像范围的75%~85%。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到各所述坐标点的标定结果后，还包括：将各坐标点与其对应的振镜角度采用最小二乘法转化为单应性矩阵，作为图像的标定结果。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像之前，还包括关闭激光器和照明光源，拍摄背景图像；
并且，所述获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像，具体是获取面相机拍摄的标定眼所反射的减去背景图像处理后的带有光斑的二维图像。
10.一种激光治疗系统的标定装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取面相机拍摄的标定眼所反射的带有光斑的二维图像；
处理模块，用于执行如下步骤：在二维图像中选取参考图像块，所述光斑位于所述参考图像块中；计算光斑中心在所述二维图像中的坐标，将该坐标点与其对应的振镜角度作为该坐标点的标定结果；振镜角度调整后，在所述参考图像块外确定临近搜索范围，在临近搜索范围内搜索与所述参考图像块相似程度最高的图像区域，作为更新的参考图像块；返回所述计算光斑中心在所述二维图像中的坐标的步骤，直到满足标定结束的条件；
调整模块，用于调整振镜角度，改变光斑在图像中的位置。
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| CN117606747B (zh) * | 2023-11-22 | 2024-06-18 | 北京天翔睿翼科技有限公司 | 激光振镜系统的高精度化标定方法 |
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2022
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