CN117968562A - 一种空间频域成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间频域成像方法及系统，方法包括：在避光环境下向待测组织投射相互正交的两个正弦条纹结构光，相机采集经过待测组织表面反射的图像；对图像的光强信息解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量；计算待测组织的相位，然后计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系；获取参考板的调制幅度变化量，利用该变化量对交流分量的调制幅度进行校正，从而校准待测组织的三维形貌；本发明的优点在于：实现实时对结果进行修正，减少了实验和拍摄的次数，通过单次快照避免了活体测量中抖动对结果造成的图像不匹配等问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学和医疗技术领域，具体涉及一种空间频域成像方法及系统。
背景技术
空间频域成像(SFDI)依赖于对结构化照明(即光条纹)的空间频率响应的分析，允许一次表征整个视场(即多像素方法)。SFDI在动物和人体、离体和体内进行广泛的外科指导和标本检查方面显示出巨大的潜力。但是将空间频域成像技术转换为为临床相关工具是一项重大挑战，尤其是在需要定量时。这些技术中的大多数要求以不同的参数(例如，时间或空间强度、波长)采集多幅图像，并且必须在数据采集期间将图像配准到空间中的相同位置。因此，在处理具有不同表面轮廓或随时间变化的表面轮廓(即运动)的样品时会导致最终光学参数与生理参数恢复上的误差。因此目前尚未真正达到临床上实时的准确性。若能够实现面向复杂形貌生物组织的实时空间频域成像，在实时测量的到组织生理参数的同时能够实时测量三维形貌进行轮廓矫正，便可以实现能够良好应用于临床的实时空间频域成像技术。
2005年David J.Cuccia等人发表文献《Cuccia D J,Bevilacqua F,Durkin A J,et al.Modulated imaging:quantitative analysis and tomography of turbid mediain the spatial-frequency domain[J].Optics letters,2005,30(11):1354-1356.》首次提出在空间频域利用调制成像对浑浊介质进行定量分析和层析成像。在每个频率下三个初始相位的图像利用三相移法解调出直流和交流分析，进而反推算出光学特性分布情况。2013年Vervandier and Gioux等人发表的文献《Vervandier J,Gioux S.Single snapshotimaging of optical properties[J].Biomedical optics express,2013,4(12):2938-2944.》提出了单幅图像解调出直流和交流分量，该方法是对得到空间调制图案依次每行作傅里叶变化并在频域空间处理和解调出直流和交流分量以便反推算出光学特性分布。尽管这种方法可以有效地减少数据的采样时间，但在分离空间频域谱为直流和交流分量时图像变模糊。该方法的性能与标准的三相位移法采集方法进行了比较，并在组织模拟模型和体内进行了评估。总的来说，这两种方法在提取光学特性方面表现相似但效率大大提高。2014年Nadeau等人发表的文献《Nadeau K P,Durkin A J,Tromberg B J.Advanceddemodulation technique for the extraction of tissue optical properties andstructural orientation contrast in the spatial frequency domain[J].Journal ofbiomedical optics,2014,19(5):056013-056013.》提出在傅里叶空间采用复数螺旋相位函数作二维希尔伯特变化解调出交流和直流分量，尽管该方法相比传统三相移法在采样速度上提高了两至三倍，但该方法至少需要两幅图像才能够得到光学特性分布图。
直到2016年温州医科大学团队发表的文献《Li Y,Guo M,Qian X,et al.Singlesnapshotspatial frequency domain imaging for risk stratification of diabetesand diabetic foot[J].Biomedical Optics Express,2020,11(8):4471-4483.》报告了一种新的解调方法，这种单快照多频解调(SSMD)方法利用谐波函数的正交性来提取多个调制频率下的调制传递函数(MTF)同时从单一结构的照明图像，每个调制的方向、频率和幅度可以根据实施装置的限制任意设置。通过在模拟组织的模型和活体上恢复光学特性的实验与标准三相解调方法进行比较证明了SSMD的性能。结果表明，SSMD显著提高了数据采集速度并减少了运动伪影。SSMD在成像中表现出优异的噪声抑制，是实现实时空间频域成像平台的理想选择，将为SFDI在成像和监测动态介质和过程中的广泛应用开辟道路。2021年天津大学团队发表的文献《Dan M,Liu M,Bai W,et al.Profile-based intensity andfrequency corrections forsingle-snapshot spatial frequency domain imaging[J].Optics Express,2021,29(9):12833-12848.》基于单快照成像提出了用于单快照空间频域(SFD)成像的基于轮廓的强度和频率校正，根据样本表面轮廓自适应地调整投影正弦图案的空间调制频率，减少了单快照解调中调制幅度的失真和光学特性提取中的误差。然后，使用Minnaert校正对入射到样品上和从样品反射的光的测量强度的轮廓效应进行补偿，以获得样品的真实漫反射率。但由于需要预先测量组织的表面轮廓。因此在实时性上仍然有改进的空间。
综上，在空间频域成像测量光学参数和测量三维形貌的方法上大多是分开求解，并且大部分方法都需要分别拍摄多张不同相移的图片进行解调，实验次数和拍摄次数繁琐，无法实现实时测量。在活体测量中，尤其是对幼年和老年群体进行测量的时候容易产生抖动，如果需要拍摄多张图像测量，就会造成图像不匹配等问题从而影响实验结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术空间频域成像方法存在难以实现实时测量以及测量时图像不匹配的问题。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：一种空间频域成像方法，包括以下步骤：
步骤一、在避光环境下向待测组织投射相互正交的两个正弦条纹结构光，相机采集经过待测组织表面反射的图像；
步骤二、对图像的光强信息解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量；
步骤三、根据待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量计算待测组织的相位，然后计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系；
步骤四、根据待测组织的表面高度获取参考板的调制幅度变化量，利用该变化量对交流分量的调制幅度进行校正，从而校准待测组织的三维形貌。
进一步地，所述步骤二中图像的光强信息表示为
I(x，y)＝MDC(x，y)+MAC，1(x，y)co s(φmodel，1)+MAC，2(x，y)cos(φmodel，2)
其中，(x，y)为图像的像素点的坐标，MDC(x，y)为坐标(x，y)处的像素点的直流分量，MAC，1(x，y)和MAC，2(x，y)分别为坐标(x，y)处的像素点的第一方向、第二方向的交流分量，φmodel，1和φmodel，2分别为待测组织在第一方向、第二方向上的相位。
更进一步地，所述步骤二中解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量，分别为
其中，MDC为待测组织的直流分量，MAC，i为待测组织在第i方向的交流分量，T1×T2是大小为T1×T2像素的滑动窗口，σ为积分下限，fx，i为待测组织在第i方向的x轴频率，fy，i为待测组织在第i方向的y轴频率。
更进一步地，所述步骤三包括：
待测组织的相位表示为
其中，B2＝MAC，2 2-A2，A＝I-MDC-MAC，1cos(φref，1)，MAC为待测组织的交流分量，MAC，2为待测组织在第二方向上的交流分量，MAC，1为待测组织在第一方向上的交流分量，I是I(x，y)的简化形式，φref，1为参考平面在第一方向上的相位。
将待测组织相位和参考平面相位解包裹后相减得到相位差Δφ；
通过公式计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系，其中，h为待测组织的表面高度，D是投影机和摄像机之间的水平距离，L是投影仪或摄像机的垂直高度，f是该方向上的空间频率。
更进一步地，所述步骤四包括：
对于每个像素点，随着高度的变化会产生相应的光强变化，同时光强的变化与交流分量MAC的变化成正比，因此，通过光学特性测量得到MAC的差值用来校准待测组织的高度差。
更进一步地，所述步骤四还包括：
参考板的调制幅度的变化量表示为
ΔMac，ref(fx)＝k*h
其中，k是校准方程的斜率；h是待测组织三维形貌的高度，ΔMac，ref(fx)是参考板的调制幅度的变化量；
待测组织的交流分量的调制幅度的校正值为
MAC，ref，corrected(fx)＝MAC，ref，initial(fx)+ΔMac，ref(fx)
其中，MAC，ref，corrected(fx)为待测组织的交流分量的调制幅度的校正值，MAC，ref，initial(fx)为待测组织的交流分量的调制幅度的初始值。
本发明还提供一种空间频域成像系统，包括：
数据采集模块，用于在避光环境下向待测组织投射相互正交的两个正弦条纹结构光，相机采集经过待测组织表面反射的图像；
信息解调模块，用于对图像的光强信息解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量；
高度获取模块，用于根据待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量计算待测组织的相位，然后计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系；
高度修正模块，用于根据待测组织的表面高度获取参考板的调制幅度变化量，利用该变化量对交流分量的调制幅度进行校正，从而校准待测组织的三维形貌。
进一步地，所述信息解调模块中图像的光强信息表示为
I(x，y)＝MDC(x，y)+MAC，1(x，y)cos(φmodel，1)+MAC，2(x，y)cos(φmodel，2)
其中，(x，y)为图像的像素点的坐标，MDC(x，y)为坐标(x，y)处的像素点的直流分量，MAC，1(x，y)和MAC，2(x，y)分别为坐标(x，y)处的像素点的第一方向、第二方向的交流分量，φmodel，1和φmodel，2分别为待测组织在第一方向、第二方向上的相位。
更进一步地，所述信息解调模块中解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量，分别为
其中，MDC为待测组织的直流分量，MAC，i为待测组织在第i方向的交流分量，T1×T2是大小为T1×T2像素的滑动窗口，σ为积分下限，fx，i为待测组织在第i方向的x轴频率，fy，i为待测组织在第i方向的y轴频率。
更进一步地，所述高度获取模块还用于：
待测组织的相位表示为
其中，B2＝MAC，2 2-A2，A＝I-MDC-MAC，1cos(φref，1)，MAC为待测组织的交流分量，MAC，2为待测组织在第二方向上的交流分量，MAC，1为待测组织在第一方向上的交流分量，I是I(x，y)的简化形式，φref，1为参考平面在第一方向上的相位。
将待测组织相位和参考平面相位解包裹后相减得到相位差Δφ；
通过公式计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系，其中，h为待测组织的表面高度，D是投影机和摄像机之间的水平距离，L是投影仪或摄像机的垂直高度，f是该方向上的空间频率。
更进一步地，所述高度修正模块还用于：
对于每个像素点，随着高度的变化会产生相应的光强变化，同时光强的变化与交流分量MAC的变化成正比，因此，通过光学特性测量得到MAC的差值用来校准待测组织的高度差。
更进一步地，所述高度修正模块还用于：
参考板的调制幅度的变化量表示为
ΔMac，ref(fx)＝k*h
其中，k是校准方程的斜率；h是待测组织三维形貌的高度，ΔMac，ref(fx)是参考板的调制幅度的变化量；
待测组织的交流分量的调制幅度的校正值为
MAC，ref，corrected(fx)＝MAC，ref，initial(fx)+ΔMac，ref(fx)
其中，MAC，ref，corrected(fx)为待测组织的交流分量的调制幅度的校正值，MAC，ref，initial(fx)为待测组织的交流分量的调制幅度的初始值。
本发明的优点在于：
(1)本发明只需要通过单次快照就能实时计算得到待测组织的表面高度也即三维形貌信息，利用参考板的调制幅度变化量对交流分量的调制幅度进行校正，从而校准待测组织的三维形貌，实现实时对结果进行修正，减少了实验和拍摄的次数，提升了实验测量的效率，并且通过单次快照避免了活体测量中抖动对结果造成的图像不匹配等问题的影响。
(2)本发明仅通过一次拍照，就同时实现了光学参数和三维形貌的测量，并且实时根据三维形貌对光学参数结果进行了校正，在此前尚未有其他技术实现此功能效果，相比较于现有的其他技术，在准确性、便捷性、稳定性、实时性上都有了显著的突破，解决了结构光测量中三维形貌对于结果的影响，提高了测量结果的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法的算法流程图；
图2为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中实验平台装置的原理图；
图3为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中实验平台装置的实物图；
图4为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型1单次快照采集图像；
图5为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型1的交流分量MAC解调结果示意图；
图6为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型1的三维形貌恢复结果示意图；
图7为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型1的交流分量MAC校正结果示意图；
图8为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型2单次快照采集图像；
图9为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型2的交流分量MAC解调结果示意图；
图10为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型2的三维形貌恢复结果示意图；
图11为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型2的交流分量MAC校正结果示意图；
图12为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型3单次快照采集图像；
图13为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型3的交流分量MAC解调结果示意图；
图14为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型3的三维形貌恢复结果示意图；
图15为本发明实施例所公开的一种空间频域成像方法中模型3的交流分量MAC校正结果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作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。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种空间频域成像方法，包括以下步骤：
S1、如图2所示，为本发明的空间频域成像方法应用的实验平台装置的原理图，图2中LS为光源；L1、L2、L3分别为准直透镜、消色差透镜、成像透镜；P1、P2均为线性偏振片；DMD为数字微镜；M为平面镜；SA为待测组织；LCTF为液晶可调滤光器；C为单色相机；PC为控制计算机。光源LS是采用宽带卤素灯(OSL2IR,Thorlabs)作为照明光源，发射光谱覆盖可见至近红外波段。光源LS的出射光依次经光纤束(OSL2RFB,Thorlabs)、准直透镜L1后，照射到数字微镜DMD(V-7001,ViALUX)。数字微镜DMD调制图案通过消色差透镜L2、线性偏振片P1和平面镜M投射到待测生物组织样品上，投射结构光的有效面积为60mm×40mm。光与生物组织相互作用后的调制漫反射图像经过线性偏振片P2、液晶可调滤光器LCTF、成像透镜L3后由互补金属氧化物CMOS相机C(BFS-U3-123S6M-C,FLIR)采集，相机分辨率为4096×3000，像素尺寸为3.45μm。样品或组织表面的镜面反射光不包含样品或组织的内部信息，通过偏振片P1和偏振片P2偏振方向正的交方式，以消除样品或组织镜面反射光对结果的影响。数字微镜(DMD)结构照明可以准确的控制和改变试样表面的入射光图案。本发明的方法采用同时包含多个正弦波的结构化照明，在避光环境下向待测组织投射相互正交的两个正弦条纹结构光，相机采集经过组织表面反射的图像，输入控制计算机PC内置的算法中进行解调得到结果。算法过程也就是下文的步骤S2至步骤S4。
S2、对图像的光强信息解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量；具体过程为：
首先向待测组织投射相互正交的两个正弦条纹结构光，相机采集经过组织表面反射的图像。采集到的光强信息可以用下列公式来表示：
I(x，y)＝MDC(x，y)+MAC，1(x，y)cos(φmodel，1)+MAC，2(x，y)cos(φmodel，2)
其中，(x，y)为图像的像素点的坐标，MDC(x，y)为坐标(x，y)处的像素点的直流分量，MAC，1(x，y)和MAc，2(x，y)分别为坐标(x，y)处的像素点的第一方向、第二方向的交流分量，φmodel，1和φmodel，2分别为待测组织在第一方向、第二方向上的相位。
若将MAC，i(x，y)变化的过程看作是缓慢平滑的，那么可以在大小为T1×T2像素的滑动窗口上将其作为常数处理。再由积分得到每个交流分量的振幅MAC，i。通过下列公式解调得到组织的直流分量和在各方向上的交流分量：
其中，MDC为待测组织的直流分量，MAC，i为待测组织在第i方向的交流分量，T1×T2是大小为T1×T2像素的滑动窗口，σ为积分下限，fx，i为待测组织在第i方向的x轴频率，fy，i为待测组织在第i方向的y轴频率。
S3、根据待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量计算待测组织的相位，然后计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系；具体过程为：
在结构光投影中，平行于投影仪和光学采集轴所在平面方向的条纹对高度不敏感，垂直于投影仪和光学采集轴所在平面方向方向的条纹对高度敏感，对于敏感方向的组织相位有：
φsample＝φref+Δφ
对于不敏感方向的组织相位可近似看作参考平面的相位：
φsample＝φref
因此光强与相位信息的公式可表示为：
I(x，y)＝MDC(x，y)+MAC，1(x，y)cos(φref，1)+MAC，2(x，y)cos(φref，2+Δφ)
φref，i为参考平面在此方向上的相位，可预先进行测量得到，待测组织的相位即可由上式变换得到：
其中，B2＝MAC，2 2-A2，A＝I-MDC-MAC，1cos(φref，1)，MAC为待测组织的交流分量，MAC，2为待测组织在第二方向上的交流分量，MAC，1为待测组织在第一方向上的交流分量，I是I(x，y)的简化形式，φref，1为参考平面在第一方向上的相位。
将待测组织相位和参考平面相位解包裹后相减即可得到相位差Δφ。相位差与高度利用系统几何结构的三角形相似性重建样品的高度轮廓：
其中L是投影仪或摄像机的垂直高度，D是投影机和摄像机之间的水平距离，AB是相似三角形的一侧，对于AB有：
其中，f是该方向上的空间频率。
Δφ是从样品表面测量的相位与从参考平面测量的相位之差；
将上述公式结合便可得到高度相位函数：
当L远大于h(达到十倍以上)时，式子可以近似看作：
从而由上述方程推导得出待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系，其中的值由系统结构决定。
S4、根据待测组织的表面高度获取参考板的调制幅度变化量，利用该变化量对交流分量的调制幅度进行校正，从而校准待测组织的三维形貌；具体过程为：
对于SFDI测量，光强受样品表面与相机之间距离的影响，距离越小，强度越大。为了消除样品高度对测量的影响，对系统进行了高度校正。与相位高度校准相同，在n个离散的高度下，对漫反射板参考平面模型进行光学特性的测量。对于每个像素点，随着高度的变化会产生相应的光强变化，同时光强的变化与交流分量MAC的变化成正比，因此通过光学特性测量得到MAC的差值用来校准高度差。
对于每个像素点，随着高度的变化会产生相应的光强变化，同时光强的变化与交流分量MAC的变化成正比，因此，通过光学特性测量得到MAC的差值用来校准待测组织的高度差。
建立了一个矩阵，描述参考板调制幅度的差值与图像中每个像素的高度的关系，该量与高度的关系成正比。在每个位置(x，y)，参考板的调制幅度的变化量ΔMac，ref(fx)可描述对应高度h的函数：
ΔMac，ref(fx)＝k*h
其中，k是校准方程的斜率；h是待测组织三维形貌的高度，ΔMac，ref(fx)是参考板的调制幅度的变化量；
待测组织的交流分量的调制幅度的校正值为
MAC，ref，corrected(fx)＝MAC，ref，initial(fx)+ΔMac，ref(fx)
其中，MAC，ref，corrected(fx)为待测组织的交流分量的调制幅度的校正值，MAC，ref，initial(fx)为待测组织的交流分量的调制幅度的初始值。
图1的算法流程图还给出了计算出待测组织的交流分量的调制幅度的校正值以后的一些计算过程，最终计算出生理参数，但这些后续的计算过程不是本发明的改进点，属于现有常规技术，在此不做赘述，可以参考文献《康旭，张洋，任慧明，等.基于空间频域成像的人体皮肤组织光学和生理参数的提取[J].Chinese Journal of Lasers，2022，49(5)：0507210-0507210-10.》。
如图3所示，为本发明的空间频域成像方法应用的实验平台装置的实物图，为了验证本发明的方法的效果，如图4至图7分别给出了模型1单次快照采集图像、交流分量MAC解调结果、三维形貌恢复结果示意图以及交流分量MAC校正结果，如图8至图11分别给出了模型2单次快照采集图像、交流分量MAC解调结果、三维形貌恢复结果示意图以及交流分量MAC校正结果，如图12至图15分别给出了模型3单次快照采集图像、交流分量MAC解调结果、三维形貌恢复结果示意图以及交流分量MAC校正结果，模型1、模型2及模型3均为不同结构形式的待测组织，从图6、图9以及图12可以看出，本发明的方法能够完全恢复待测组织的三维形貌，且图7、图11以及图15可以看出校正后的交流分量MAC看起来更加均匀，整个方案能够实现实时校正且校正效果好。
通过以上技术方案，本发明突破现有拍照次数多，实验操作繁琐不稳定的瓶颈，仅通过一次拍照即可同时获取光学参数以及三维形貌，并建立完整的算法可以实时根据三维形貌结果对得到的光学参数进行实时校正，这样最终结果的准确性相比现有同等方法的技术准确性大大提高，并且具备了实时检测的能力，大大提升了检验的效率和各种用途的可能性。最核心的技术特征就是研究出了具有实时三维形貌修正功能的空间频域成像方法。
实施例2
基于实施例1，本发明实施例2还提供一种空间频域成像系统，包括：
数据采集模块，用于在避光环境下向待测组织投射相互正交的两个正弦条纹结构光，相机采集经过待测组织表面反射的图像；
信息解调模块，用于对图像的光强信息解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量；
高度获取模块，用于根据待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量计算待测组织的相位，然后计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系；
高度修正模块，用于根据待测组织的表面高度获取参考板的调制幅度变化量，利用该变化量对交流分量的调制幅度进行校正，从而校准待测组织的三维形貌。
具体的，所述信息解调模块中图像的光强信息表示为
I(x，y)＝MDC(x，y)+MAC，1(x，y)cos(φmodel，1)+MAC，2(x，y)cos(φmodel，2)
其中，(x，y)为图像的像素点的坐标，MDC(x，y)为坐标(x，y)处的像素点的直流分量，MAC，1(x，y)和MAC，2(x，y)分别为坐标(x，y)处的像素点的第一方向、第二方向的交流分量，φmodel，1和φmodel，2分别为待测组织在第一方向、第二方向上的相位。
更具体的，所述信息解调模块中解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量，分别为
其中，MDC为待测组织的直流分量，MAC，i为待测组织在第i方向的交流分量，T1×T2是大小为T1×T2像素的滑动窗口，σ为积分下限，fx，i为待测组织在第i方向的x轴频率，fy，i为待测组织在第i方向的y轴频率。
更具体的，所述高度获取模块还用于：
待测组织的相位表示为
其中，MAC为待测组织的交流分量，B2＝MAC，2 2-A2，A＝I-MDC-MAC，1cos(φref，1)，φref，1为参考平面在第一方向上的相位。
将待测组织相位和参考平面相位解包裹后相减得到相位差Δφ；
通过公式计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系，其中，h为待测组织的表面高度，D是投影机和摄像机之间的水平距离，L是投影仪或摄像机的垂直高度，f是该方向上的空间频率。
更具体的，所述高度修正模块还用于：
对于每个像素点，随着高度的变化会产生相应的光强变化，同时光强的变化与交流分量MAC的变化成正比，因此，通过光学特性测量得到MAC的差值用来校准待测组织的高度差。
更具体的，所述高度修正模块还用于：
参考板的调制幅度的变化量表示为
ΔMac，ref(fx)＝k*h
其中，k是校准方程的斜率；h是待测组织三维形貌的高度，ΔMac，ref(fx)是参考板的调制幅度的变化量；
待测组织的交流分量的调制幅度的校正值为
MAC，ref，corrected(fx)＝MAC，ref，initial(fx)+ΔMac，ref(fx)
其中，MAC，ref，corrected(fx)为待测组织的交流分量的调制幅度的校正值，MAC，ref，initial(fx)为待测组织的交流分量的调制幅度的初始值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种空间频域成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在避光环境下向待测组织投射相互正交的两个正弦条纹结构光，相机采集经过待测组织表面反射的图像；
步骤二、对图像的光强信息解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量；
步骤三、根据待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量计算待测组织的相位，然后计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系；
步骤四、根据待测组织的表面高度获取参考板的调制幅度变化量，利用该变化量对交流分量的调制幅度进行校正，从而校准待测组织的三维形貌。
2.根据权利要求1所述的一种空间频域成像方法，其特征在于，所述步骤二中图像的光强信息表示为
I(x，y)＝MDC(x，y)+MAC，1(x，y)cos(φmodel，1)+MAC，2(x，y)cos(φmodel，2)
其中，(x，y)为图像的像素点的坐标，MDC(x，y)为坐标(x，y)处的像素点的直流分量，MAC，1(x，y)和MAC，2(x，y)分别为坐标(x，y)处的像素点的第一方向、第二方向的交流分量，φmodel，1和φmodel，2分别为待测组织在第一方向、第二方向上的相位。
3.根据权利要求2所述的一种空间频域成像方法，其特征在于，所述步骤二中解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量，分别为
其中，MDC为待测组织的直流分量，MAC，i为待测组织在第i方向的交流分量，T1×T2是大小为T1×T2像素的滑动窗口，σ为积分下限，fx，i为待测组织在第i方向的x轴频率，fy，i为待测组织在第i方向的y轴频率。
4.根据权利要求3所述的一种空间频域成像方法，其特征在于，所述步骤三包括：
待测组织的相位表示为
其中，B2＝MAC，2 2-A2，A＝I-MDC-MAC，1cos(φref，1)，MAC为待测组织的交流分量，MAC，2为待测组织在第二方向上的交流分量，MAC，1为待测组织在第一方向上的交流分量，I是I(x，y)的简化形式，φref，1为参考平面在第一方向上的相位。
将待测组织相位和参考平面相位解包裹后相减得到相位差Δφ；
通过公式计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系，其中，h为待测组织的表面高度，D是投影机和摄像机之间的水平距离，L是投影仪或摄像机的垂直高度，f是该方向上的空间频率。
5.根据权利要求4所述的一种空间频域成像方法，其特征在于，所述步骤四包括：
对于每个像素点，随着高度的变化会产生相应的光强变化，同时光强的变化与交流分量MAC的变化成正比，因此，通过光学特性测量得到MAC的差值用来校准待测组织的高度差。
6.根据权利要求5所述的一种空间频域成像方法，其特征在于，所述步骤四还包括：
参考板的调制幅度的变化量表示为
ΔMac，ref(fx)＝k*h
其中，k是校准方程的斜率；h是待测组织三维形貌的高度，ΔMac，ref(fx)是参考板的调制幅度的变化量；
待测组织的交流分量的调制幅度的校正值为
MAC，ref，corrected(fx)＝MAC，ref，initial(fx)+ΔMac，ref(fx)
其中，MAC，ref，corrected(fx)为待测组织的交流分量的调制幅度的校正值，MAC，ref，initial(fx)为待测组织的交流分量的调制幅度的初始值。
7.一种空间频域成像系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于在避光环境下向待测组织投射相互正交的两个正弦条纹结构光，相机采集经过待测组织表面反射的图像；
信息解调模块，用于对图像的光强信息解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量；
高度获取模块，用于根据待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量计算待测组织的相位，然后计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系；
高度修正模块，用于根据待测组织的表面高度获取参考板的调制幅度变化量，利用该变化量对交流分量的调制幅度进行校正，从而校准待测组织的三维形貌。
8.根据权利要求7所述的一种空间频域成像系统，其特征在于，所述信息解调模块中图像的光强信息表示为
I(x，y)＝MDC(x，y)+MAC，1(x，y)cos(φmodel，1)+MAC，2(x，y)cos(φmodel，2)
其中，(x，y)为图像的像素点的坐标，MDC(x，y)为坐标(x，y)处的像素点的直流分量，MAC，1(x，y)和MAC，2(x，y)分别为坐标(x，y)处的像素点的第一方向、第二方向的交流分量，φmodel，1和φmodel，2分别为待测组织在第一方向、第二方向上的相位。
9.根据权利要求8所述的一种空间频域成像系统，其特征在于，所述信息解调模块中解调得到待测组织的直流分量和在各方向上的交流分量，分别为
其中，MDC为待测组织的直流分量，MAC，i为待测组织在第i方向的交流分量，T1×T2是大小为T1×T2像素的滑动窗口，σ为积分下限，fx，i为待测组织在第i方向的x轴频率，fy，i为待测组织在第i方向的y轴频率。
10.根据权利要求9所述的一种空间频域成像系统，其特征在于，所述高度获取模块还用于：
待测组织的相位表示为
其中，B2＝MAC，2 2-A2，A＝I-MDC-MAC，1cos(φref，1)，MAC为待测组织的交流分量，MAC，2为待测组织在第二方向上的交流分量，MAC，1为待测组织在第一方向上的交流分量，I是I(x，y)的简化形式，φref，1为参考平面在第一方向上的相位。
将待测组织相位和参考平面相位解包裹后相减得到相位差Δφ；
通过公式计算待测组织的表面高度与相位差之间的线性关系，其中，h为待测组织的表面高度，D是投影机和摄像机之间的水平距离，L是投影仪或摄像机的垂直高度，f是该方向上的空间频率。
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