本發(fā)明涉及光學(xué)非接觸式測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種眼底三維結(jié)構(gòu)重建，尤其是涉及一種基于明暗度恢復(fù)重建眼底三維結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)：

由于電子產(chǎn)品的廣泛普及以及人們飲食水平的提高，青光眼﹑高血壓和糖尿病的發(fā)病率越來越高，嚴(yán)重威脅到了人們的生活質(zhì)量。眼底攝像檢查可以直接觀測到分布在眼底視網(wǎng)膜上的毛細(xì)血管和視神經(jīng)結(jié)構(gòu)，所以眼底攝像檢查對這些疾病的早期診斷和治療隨訪都具有重要意義。

目前市面上對眼底結(jié)構(gòu)進(jìn)行采像分析的設(shè)備有眼底照相機(jī)和光學(xué)相干層析技術(shù)。眼底照相機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用比較廣泛，基本上有一定規(guī)模的醫(yī)院都會采用。但其拍攝出的是眼底生理結(jié)構(gòu)的二維投影圖片，并不能直接獲得眼底結(jié)構(gòu)的三維信息。在對所拍攝圖片進(jìn)行眼底病變分析時(shí)，需要醫(yī)生具有豐富的專業(yè)知識，但易受到主觀因素的影響。光學(xué)相干層析技術(shù)是一種對眼底進(jìn)行三維斷層成像的設(shè)備，其成像分辨率較高，但圖像采集和分析要求的條件很高，整個檢查價(jià)格昂貴，適用于一些大型專科醫(yī)院。

因此，需要研發(fā)一種既能保證分辨率又具有一定價(jià)格優(yōu)勢的眼底圖像處理方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種應(yīng)用方便、操作簡單、成本低的基于明暗度恢復(fù)重建眼底三維結(jié)構(gòu)的方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于明暗度恢復(fù)重建眼底三維結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：

1)獲取二維眼底圖像；

2)利用明暗恢復(fù)形狀法對所獲得的二維眼底圖像進(jìn)行計(jì)算，獲得眼底表面的表面法向量；

3)根據(jù)所述表面法向量重建眼底三維結(jié)構(gòu)。

所述步驟1)中獲取的二維眼底圖像為待檢測眼底的漫反射圖像。

所述步驟1)中獲取的二維眼底圖像為單幅同軸圖像。

所述步驟2)中，利用明暗恢復(fù)形狀法對所獲得的二維眼底圖像進(jìn)行計(jì)算具體為：

201)通過類白平衡技術(shù)，尋找并利用圖像中的最亮區(qū)域，消除漫反射圖像中存在的光源光譜成分，獲得眼底表面的反射特性圖像；

202)對所述反射特性圖像進(jìn)行光強(qiáng)不均勻性的預(yù)處理，提取眼底血管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于明暗形狀恢復(fù)方法，根據(jù)眼底圖像的亮度信息計(jì)算出眼底表面的表面法向量三維數(shù)據(jù)表達(dá)式。

所述步驟201)中，獲得眼底表面的反射特性圖像時(shí)，根據(jù)照明系統(tǒng)和眼底視網(wǎng)膜之間的空間映射關(guān)系，建立眼底表面每個點(diǎn)的光學(xué)反射特征方程。

所述步驟202)中，采用雙色理論提取眼底血管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

該方法還包括：根據(jù)獲取的眼底三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像分割確定視盤、視杯的邊界。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)本發(fā)明利用眼底圖像的明暗信息，計(jì)算眼底的表面法向量，利用表面法向量精確、方便地得到眼底圖像的三維可視化信息，或根據(jù)眼底的表面法向量實(shí)現(xiàn)對眼底三維結(jié)構(gòu)的重建，從而實(shí)現(xiàn)眼底結(jié)構(gòu)的三維顯示和輔助診療等目的；

2)本發(fā)明方法不需要昂貴的設(shè)備，只需要眼底照相機(jī)拍攝的二維圖像，就可以達(dá)到眼底三維結(jié)構(gòu)成像的目的，實(shí)現(xiàn)簡單，成本低；

3)本發(fā)明方法不需要對二維的相片進(jìn)行圖像特征提取，直接求出圖像的表面法向量，就可以重建出眼底生理結(jié)構(gòu)的三維形狀，實(shí)現(xiàn)對眼底特征進(jìn)行分析；

4)本發(fā)明使用明暗信息恢復(fù)重構(gòu)視盤的三維表面，并可以根據(jù)獲得的三維結(jié)構(gòu)信息來提高分割效果；

5)本發(fā)明采用雙色理論提取眼底血管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用血液主要色素成分在綠光和近紅外光譜范圍反射的特異性進(jìn)行血管檢測和分割，精度高；

6)本發(fā)明構(gòu)建眼球內(nèi)部反射模型，分離漫反射主成分，獲取眼底表面的三維數(shù)據(jù)信息，可對眼底結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確重建。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工作流程圖；

圖2為實(shí)施例中第一種二維眼底圖像圖片；

圖3為圖2所對應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)成像的圖片；

圖4為實(shí)施例中第二種二維眼底圖像圖片；

圖5為圖4所對應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)成像的圖片；

圖6為實(shí)施例中第三種二維眼底圖像圖片；

圖7為圖6所對應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)成像的圖片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1所示，本實(shí)施例提供一種基于明暗度恢復(fù)重建眼底三維結(jié)構(gòu)的方法，利用明暗恢復(fù)形狀法對眼底照相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行處理和分析得到眼底表面的三維數(shù)據(jù)信息。明暗恢復(fù)形狀法是在假設(shè)物體表面的反射模型為朗伯體表面反射模型，即在光照射的情況下，眼底表面發(fā)生了全反射。該方法利用一定的明暗恢復(fù)形狀方法計(jì)算出眼底圖像的表面法向量，反映出眼底的明暗亮度信息，進(jìn)行三維重建，得到眼底的三維數(shù)據(jù)。該方法包括以下步驟：

1)獲取二維眼底圖像，為彩色圖像，獲取的二維眼底圖像為待檢測眼底的漫反射圖像，為單幅同軸圖像。

本發(fā)明所需的眼底圖像獲取設(shè)備為眼底照相機(jī)，照片的要求是要已知拍攝眼底照片的光源方向，在獲取圖片的過程中應(yīng)該保持眼底照相機(jī)和眼的位置相對不變，拍攝一幅或多幅圖片。

2)利用明暗恢復(fù)形狀法對所獲得的二維眼底圖像進(jìn)行計(jì)算，獲得眼底表面的表面法向量，具體為：

201)通過類白平衡技術(shù)，尋找并利用圖像中的最亮區(qū)域，消除漫反射圖像中存在的光源光譜成分，獲得眼底表面的反射特性圖像。獲得眼底表面的反射特性圖像時(shí)，根據(jù)照明系統(tǒng)和眼底視網(wǎng)膜之間的空間映射關(guān)系，建立眼底表面每個點(diǎn)的光學(xué)反射特征方程。

202)對所述反射特性圖像進(jìn)行光強(qiáng)不均勻性的預(yù)處理，提取眼底血管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于明暗形狀恢復(fù)方法，根據(jù)眼底圖像的亮度信息計(jì)算出眼底表面的表面法向量三維數(shù)據(jù)表達(dá)式，獲得眼底表面的三維形狀數(shù)據(jù)。

眼底血管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獲取的依據(jù)是，血管中主要的色素對綠光和紅外光有良好的吸收性能，即采用的是雙色理論。

3)根據(jù)所述表面法向量重建眼底三維結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的另一實(shí)施例中，該方法還包括：根據(jù)獲取的眼底三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像分割確定視盤、視杯的邊界。

明暗恢復(fù)形狀法是基于朗伯體表面反射模型建立的一種由平面圖像恢復(fù)出物體三維結(jié)構(gòu)的方法。明暗恢復(fù)形狀法的方程形式為：

j1＝∫∫ω(e(x，y)-r(p(x，y)，q(x，y)))²dxdy

并且滿足光滑性約束條件：

j2＝∫∫ω(px²+py²+qx²+qy²)dxdy

和可積性條件：

j3＝∫∫ω(zx-p)²+(zy-q)²dxdy

則泛值問題為：

j＝j(luò)1+λj2+μj3＝

∫∫ω(e(x，y)-r(p(x，y)，q(x，y)))²

+λ(px²+py²+qx²+qy²)+μ((zx-p)²+(zy-q)²)dxdy

解存在的條件是：

其中，e表示校正后的圖像亮度，r表示眼底表面反射比分布，z＝z(x,y)表示物體的表面高度，(p,q)表示表面梯度，表示拉普拉斯算法，用交錯網(wǎng)格法離散化，利用guass-seidel迭代方法同時(shí)求出p，q和表面高度z，即可得到表面法向量和三維數(shù)據(jù)，對眼底結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建。

圖2、4、6為眼底的二維彩色圖像，圖3、5、7為對應(yīng)獲得的三維結(jié)構(gòu)圖，即測量出的眼底視盤的立體結(jié)構(gòu)。由圖2能看出其盤緣呈現(xiàn)小部分的蒼白區(qū)，圖4呈現(xiàn)擴(kuò)展的蒼白區(qū)，圖6的盤緣蒼白區(qū)大于視杯區(qū)，從圖3、5、7可以看出利用明暗恢復(fù)形狀法恢復(fù)出的眼底三維結(jié)構(gòu)圖，不僅能為視覺的研究提供基礎(chǔ)，還可以與臨床手動分割結(jié)果相結(jié)合，有助于提供一種更精確的臨床診斷和復(fù)查手段，對于防治和控制各類眼底疾病和能夠引起眼底疾病發(fā)生的各種并發(fā)癥具有重要的意義。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。