專利名稱：反射投影成像投影圖中心的對準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反投影成像系統(tǒng)，特別是一種反射投影成像投影圖中心的對準(zhǔn)方法。在反投影成像系統(tǒng)中，存在目標(biāo)物體平動所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)中心偏移問題，最終將導(dǎo)致不同角度下反射投影中心失配，重建圖像發(fā)生錯(cuò)位。本發(fā)明方法利用特征點(diǎn)的投影信息可以迅速快捷的實(shí)現(xiàn)不同角度反射投影中心的校準(zhǔn)，操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
背景技術(shù)：
在醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)輔助層析(簡稱為CT)中，根據(jù)一維透射投影信息實(shí)現(xiàn)兩維圖像重建已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。所得到的一維透射投影信息反應(yīng)的是在多個(gè)不同角度下，物體內(nèi)部不同部位透射系數(shù)的差異。反投影成像的內(nèi)容為重建圖像某一點(diǎn)的光強(qiáng)密度值可看作這一平面內(nèi)所有經(jīng)過該點(diǎn)的射線投影值之和。
如圖1透射層析所示，f(x，y)為待建圖像，Lr，φ為對應(yīng)的直線r＝xcosφ+ysinφ，p(r，φ)為f(x，y)沿直線Lr，φ的透射特征系數(shù)的積分，即角度φ所對應(yīng)的一維透射投影 用反投影成像方法重建圖像g(x，y)，則 其中，φi為第i次投影所對應(yīng)的角度，Δφ為投影角度采樣間隔，m為總的投影個(gè)數(shù)。
反射層析(基于距離)類似于上述CT反投影重建圖像的操作過程，其實(shí)質(zhì)是將到源點(diǎn)某一距離的有限表面區(qū)域反射所得的投影信息，反投影到離源點(diǎn)同此距離的所有區(qū)域，如圖2反射層析激光雷達(dá)所示。所不同的是CT依據(jù)的透射特征系數(shù)，只需要0-π的透射投影信息，而反射層析依據(jù)的是反射特征系數(shù)，需要0-2π的反射投影信息。
隨著激光的出現(xiàn)和發(fā)展，Charles L.Matson(參見文獻(xiàn)R.M.Marino，R.N.Capes，W.E.Keicher et al..Tomographic image reconstruction from laser radarreflective projections[J]，SPIE Laser Radar III，1988，Vol.999248-263)，Parker.J.K.(參見文獻(xiàn)Jeffrey K.Parker，E.B.Cralg，D.I.Klick et al..Reflective tomographyimage from range resolved laser radarmearsurements[J]，Applied Optics，1988，27(13)2642-2643)，F(xiàn).K.Knight(參見文獻(xiàn)Frederick L.Knight，David Klick，Danette P.Ryan-Howard et al..Laserradar reflective tomography utilizing a steak camera for precise rangeresolution[J].Applied Optics，1989，28(12)2196-2198)等很快的將反射層析算法引入到激光雷達(dá)中。在物體發(fā)生平動情況下，激光短脈沖探測和非相干接收器得到基于距離的多角度一維反射投影信息，所獲得的旋轉(zhuǎn)中心投影不再對應(yīng)距離上同一位置。投影圖對準(zhǔn)就是將不同角度下的旋轉(zhuǎn)中心投影排列在同一直線上，現(xiàn)有的投影圖對準(zhǔn)采用位相恢復(fù)迭代算法(參見文獻(xiàn)Stephen D.Ford and CharlesL.Matson，Projection registration in reflective tomography[J]，SPIE，1999，Vol.3815189-197)，存在計(jì)算量大，操作復(fù)雜的問題。
本方法利用特征點(diǎn)投影信息可以迅速的實(shí)現(xiàn)含有特征點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心投影的對準(zhǔn)，可以避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)迭代過程。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為反射投影成像系統(tǒng)提供一種反射投影成像投影圖中心的對準(zhǔn)方法，該方法的原理可靠，易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 一種反射投影成像投影圖中心對準(zhǔn)方法，其特點(diǎn)在于包括以下步驟 ①激光器發(fā)出光脈沖，用會聚透鏡使光脈沖會聚后再次發(fā)散，通過調(diào)節(jié)透鏡的焦距來改變光斑的大小，使到達(dá)探測目標(biāo)的光斑外輪廓涵蓋整個(gè)探測目標(biāo)； ②將初始待測目標(biāo)所對應(yīng)的角度定義為
，其中
是在激光器，探測器和目標(biāo)所確定平面內(nèi)，激光器初始脈沖方向與水平方向夾角，如圖3所示。激光器發(fā)出單脈沖照射到待測目標(biāo)上，探測器記錄在角度
下所對應(yīng)的經(jīng)過目標(biāo)反射加寬后的反射投影信息
③待測目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度
后，探測角度變?yōu)?
激光器發(fā)出單個(gè)脈沖，探測器記錄相應(yīng)的反射投影信息
待測目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度
后，探測角度變?yōu)?
激光器發(fā)出單個(gè)脈沖，探測器記錄相應(yīng)的反射投影信息
直至獲得全部投影
④觀察反射投影，提取反射投影中的特征點(diǎn)。特征點(diǎn)可以選取反射投影中反射強(qiáng)度明顯高于周圍區(qū)域的點(diǎn)(對應(yīng)于反射投影中的峰值)，也可以是反射強(qiáng)度明顯低于周圍區(qū)域的點(diǎn)(對應(yīng)于反射投影中的谷值)，如圖4所示。值得注意的是要將特征點(diǎn)與隨機(jī)噪聲點(diǎn)分開，可以采用單個(gè)角度多個(gè)脈沖獲得多個(gè)投影，然后對投影取平均去除隨機(jī)噪聲。將所提取的特征點(diǎn)定義為特征點(diǎn)A； ⑤觀察特征點(diǎn)A的反射投影信息，將相鄰角度投影Δt變化很小的角度范圍定義為局域角度，其中Δt為相鄰角度特征點(diǎn)A反射投影信息峰值上升沿(或谷值下降沿)時(shí)間延遲。如圖5所示，Δt1為角度
所對應(yīng)的特征點(diǎn)A反射投影信息上升沿時(shí)間延遲，Δt2為角度
所對應(yīng)的特征點(diǎn)A反射投影信息上升沿時(shí)間延遲； ⑥局域角度確定特征點(diǎn)A到投影圖中心的方法如圖6所示
β1＝90°-β2(6)
α3＝90°-α1(8)
其中，ΔL1，ΔL2為時(shí)間延遲Δt1，Δt2所對應(yīng)的距離延遲，
為局域角度變量，R為特征點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離。
由(5)(6)(7)(8)(9)可得到
將(10)式代入(2)式，
比較(1)(12)式，可以得到
將(13)式展開可以得到
將(14)式兩邊同時(shí)除以
可以得到
將求出的α2值代入(1)，從而可以求出特征點(diǎn)A到旋轉(zhuǎn)中心距離R值和角度
對應(yīng)的投影角度θth
其中，c為光速，Δt1為角度
所對應(yīng)的特征點(diǎn)A反射投影信息上升沿時(shí)間延遲，Δt2為角度
所對應(yīng)的特征點(diǎn)A反射投影信息上升沿時(shí)間延遲； ⑦根據(jù)步驟④得到半徑R和對應(yīng)投影中心反投影角度θth，對所得到的含有特征點(diǎn)A反射信息的反射投影角度進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整公式為
其中i＝1，2……N，根據(jù)式(16)(18)可以得到含有特征點(diǎn)A反射投影信息的角度
所對應(yīng)的角度θi，在各個(gè)角度含有特征點(diǎn)A反射投影信息的相應(yīng)投影pi(t，θi)(i＝1，2……N)，特征點(diǎn)A反射投影信息到旋轉(zhuǎn)中心投影距離ΔSi，如圖7所示
⑧將單個(gè)角度θi特征點(diǎn)投影和旋轉(zhuǎn)中心投影所對應(yīng)的距離信息ΔSi轉(zhuǎn)換為時(shí)間信息Δτi
其中c是光速，由式(20)可以得到特征點(diǎn)投影和旋轉(zhuǎn)中心投影的時(shí)間間隔。特征點(diǎn)投影和旋轉(zhuǎn)中心投影的前后順序，可以通過角度θi的正負(fù)來確定。θi為正，旋轉(zhuǎn)中心投影在特征點(diǎn)投影前Δτi處；θi為負(fù)，旋轉(zhuǎn)中心投影在特征點(diǎn)的后Δτi處，如圖8所示。
⑨通過觀測特征點(diǎn)投影和角度θi對應(yīng)的時(shí)間延遲Δτi將多角度旋轉(zhuǎn)中心投影排列在同一直線上，實(shí)現(xiàn)投影圖的對準(zhǔn)，如圖9所示。
本發(fā)明的技術(shù)效果 本發(fā)明通過觀測特征點(diǎn)的投影信息變化，可以實(shí)現(xiàn)多角度下反投影中心的對準(zhǔn)，從而解決了多角度反投影中心偏移所帶來的重建圖像錯(cuò)位問題。
圖1透射層析示意圖； 圖2反射層析示意圖； 圖3夾角φ1與角度間隔Δφ示意圖； 圖4特征點(diǎn)的提取(峰值或谷值)； 圖5不同角度下一維反射投影特征點(diǎn)反射投影信息時(shí)間延遲示意圖； 圖6特征點(diǎn)確定反投影半徑和角度示意圖； 圖7特征點(diǎn)投影到旋轉(zhuǎn)中心投影距離示意圖； 圖8特征點(diǎn)投影和時(shí)間間隔Δτi確定單角度θi投影中心； 圖9多角度投影圖對準(zhǔn)示意圖。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
一種反射投影成像投影圖中心對準(zhǔn)方法，包括以下步驟 ①激光器發(fā)出光脈沖，用會聚透鏡使光脈沖會聚后再次發(fā)散，通過調(diào)節(jié)透鏡的焦距來改變光斑的大小，使到達(dá)探測目標(biāo)的光斑外輪廓涵蓋整個(gè)探測目標(biāo)； ②將初始待測目標(biāo)所對應(yīng)的角度定義為
其中
是在激光器，探測器和目標(biāo)所確定平面內(nèi)，激光器初始脈沖方向與水平方向夾角，如圖3所示。激光器發(fā)出單脈沖照射到待測目標(biāo)上，探測器記錄在角度
下所對應(yīng)的經(jīng)過目標(biāo)反射加寬后的反射投影信息
③待測目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度
后，探測角度變?yōu)?
激光器發(fā)出單個(gè)脈沖，探測器記錄相應(yīng)的反射投影信息
待測目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度
后，探測角度變?yōu)?
激光器發(fā)出單個(gè)脈沖，探測器記錄相應(yīng)的反射投影信息
直至獲得全部投影
④觀察反射投影，提取反射投影中的特征點(diǎn)。特征點(diǎn)可以選取反射投影中反射強(qiáng)度明顯高于周圍區(qū)域的點(diǎn)(對應(yīng)于反射投影中的峰值)，也可以是反射強(qiáng)度明顯低于周圍區(qū)域的點(diǎn)(對應(yīng)于反射投影中的谷值)，如圖4所示。值得注意的是要將特征點(diǎn)與隨機(jī)噪聲點(diǎn)分開，可以采用的單個(gè)角度多個(gè)脈沖獲得多個(gè)投影，然后對投影取平均去除隨機(jī)噪聲。將所提取的特征點(diǎn)定義為特征點(diǎn)A； ⑤觀察特征點(diǎn)A的反射投影信息，將相鄰角度投影Δt變化很小的角度范圍定義為局域角度，其中Δt為相鄰角度特征點(diǎn)A反射投影信息峰值上升沿(或谷值下降沿)時(shí)間延遲。如圖5所示，Δt1為角度
所對應(yīng)的特征點(diǎn)A反射投影信息上升沿時(shí)間延遲，Δt2為角度
所對應(yīng)的特征點(diǎn)A反射投影信息上升沿時(shí)間延遲； ⑥局域角度確定特征點(diǎn)A到投影圖中心的方法如圖6所示
β1＝90°-β2 (6)
α3＝90°-α1 (8)
其中，ΔL1，ΔL2為時(shí)間延遲Δt1，Δt2所對應(yīng)的距離延遲，
為局域角度變量，R為特征點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離。
由(5)(6)(7)(8)(9)可得到
將(10)式代入(2)式，
比較(1)(12)式，可以得到
將(13)式展開可以得到
將(14)式兩邊同時(shí)除以
可以得到
將求出的α2值代入(1)，從而可以求出特征點(diǎn)A到旋轉(zhuǎn)中心距離R值和角度
對應(yīng)的投影角度θth
其中，c為光速，Δt1為角度
所對應(yīng)的特征點(diǎn)A反射投影信息上升沿時(shí)間延遲，Δt2為角度
所對應(yīng)的特征點(diǎn)A反射投影信息上升沿時(shí)間延遲； ⑦根據(jù)步驟④得到半徑R和對應(yīng)投影中心反投影角度θth，對所得到的含有特征點(diǎn)A反射信息的反射投影角度進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整公式為
其中i＝1，2……N，根據(jù)式(16)(18)可以得到含有特征點(diǎn)A反射投影信息的角度
所對應(yīng)的角度θi，在各個(gè)角度含有特征點(diǎn)A反射投影信息的相應(yīng)投影pi(t，θi)(i＝1，2……N)，特征點(diǎn)A反射投影信息到旋轉(zhuǎn)中心投影距離ΔSi，如圖7所示
⑧將單個(gè)角度θi特征點(diǎn)投影和旋轉(zhuǎn)中心投影所對應(yīng)的距離信息ΔSi轉(zhuǎn)換為時(shí)間信息Δτi
其中c是光速，由式(20)可以得到特征點(diǎn)投影和旋轉(zhuǎn)中心投影的時(shí)間間隔。特征點(diǎn)投影和旋轉(zhuǎn)中心投影的前后順序，可以通過角度θi的正負(fù)來確定。θi為正，旋轉(zhuǎn)中心投影在特征點(diǎn)投影前Δτi處；θi為負(fù)，旋轉(zhuǎn)中心投影在特征點(diǎn)的后Δτi處，如圖8所示。
⑨通過觀測特征點(diǎn)投影和角度θi對應(yīng)的時(shí)間延遲Δτi將多角度旋轉(zhuǎn)中心投影排列在同一直線上，實(shí)現(xiàn)投影圖的對準(zhǔn)，如圖9所示。
權(quán)利要求
1、一種反射投影成像投影圖中心的對準(zhǔn)方法，其特點(diǎn)在于包括以下步驟
①激光器發(fā)出光脈沖，用會聚透鏡使光脈沖會聚后再次發(fā)散，通過調(diào)節(jié)透鏡的焦距改變光斑的大小，使到達(dá)探測目標(biāo)的光斑外輪廓涵蓋整個(gè)探測目標(biāo)；
②將待測目標(biāo)所對應(yīng)的初始角度定義為
該
是在激光器，探測器和目標(biāo)所確定平面內(nèi)，激光器初始脈沖方向與水平方向的夾角。激光器發(fā)出單脈沖照射到待測目標(biāo)上，探測器記錄在角度
下經(jīng)過待測目標(biāo)反射加寬后所對應(yīng)的反射投影信息
③待測目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度
后，
稱為局域角度變量，探測角度變?yōu)?br>
激光器發(fā)出單個(gè)脈沖，探測器記錄相應(yīng)的反射投影信息
待測目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度
后，探測角度變?yōu)?br>
激光器發(fā)出單個(gè)脈沖，探測器記錄相應(yīng)的反射投影信息
直至獲得全部共N次反射投影信息
其中i＝1、2、3、……、N；
④觀察反射投影信息，提取反射投影信息
的特征點(diǎn)A并利用下列公式確定特征點(diǎn)A到投影圖中心的距離R值和探測角度
(或
)對應(yīng)的投影角度θth
其中，c為光速，Δt1為角度
所對應(yīng)的特征點(diǎn)A反射投影信息上升沿的時(shí)間延遲，Δt2為角度
所對應(yīng)的特征點(diǎn)A反射投影信息上升沿的時(shí)間延遲，
為局域角度變量；
⑤根據(jù)步驟④得到的特征點(diǎn)A到投影圖中心的距離R值和探測角度
對應(yīng)的投影角度θth，對所得到的含有特征點(diǎn)A反射信息的反射投影角度進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整公式為
其中i＝1，2……N，特征點(diǎn)A投影到旋轉(zhuǎn)中心投影之間的距離ΔSi
⑥將征點(diǎn)A投影到旋轉(zhuǎn)中心投影之間的距離ΔSi轉(zhuǎn)換為時(shí)間信息Δτi
特征點(diǎn)投影和旋轉(zhuǎn)中心投影的前后順序，通過角度θi的正負(fù)來確定θi為正，旋轉(zhuǎn)中心的投影在特征點(diǎn)投影前Δτi處；θi為負(fù)，旋轉(zhuǎn)中心投影在特征點(diǎn)投影之后Δτi處；
⑦通過觀測特征點(diǎn)投影和角度θi對應(yīng)的時(shí)間延遲Δτi將多角度旋轉(zhuǎn)中心投影排列在同一直線上，實(shí)現(xiàn)投影圖的對準(zhǔn)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射投影成像投影圖中心的對準(zhǔn)方法，其特點(diǎn)在于所述的特征點(diǎn)是反射投影信息
中反射強(qiáng)度明顯高于周圍區(qū)域的點(diǎn)或反射強(qiáng)度明顯低于周圍區(qū)域的點(diǎn)。
全文摘要
一種反射投影成像投影圖中心的對準(zhǔn)方法，在反射投影成像系統(tǒng)中，目標(biāo)物體存在除轉(zhuǎn)動外的其它運(yùn)動方式，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏移，因而存在多角度下反投影成像中心錯(cuò)位的問題。針對此種情況，本發(fā)明提出基于特征點(diǎn)的反射投影中心對準(zhǔn)方法。本發(fā)明方法通過觀測局域角度變化產(chǎn)生的特征點(diǎn)反射信號時(shí)間延遲，實(shí)現(xiàn)不同角度下反射投影的中心對準(zhǔn)。
文檔編號A61B6/03GK101623201SQ20091005500
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者金曉峰, 劉立人, 孫建鋒, 職亞楠, 偉 魯, 毅 嚴(yán) 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所