[发明专利]基于振幅型透射光栅投影的三维内窥测量装置和方法

说明书

技术领域

本专利涉及三维内窥测量装置，特别是一种基于振幅型透射光栅投影的三维内窥测量装置和方法。

背景技术

内窥镜是一种光机电相结合的精密仪器，用于观察人眼所不能直接观察到或者不方便观察的体内组织和结构，为医学诊断，特别是微创手术提供科学的诊断信息。从最初的硬管内窥镜到现在的纤维内窥镜以及电子内窥镜，内窥镜的技术发展日臻成熟。

现行的内窥镜，包括纤维内窥镜和电子内窥镜。内窥镜在结构上包括照明系统和图像采集系统。照明系统将光源(常用的如卤素冷光源)产生的照明光束导入待测组织内部，为成像系统提供观察所需的光能量。现行的照明系统多采用非结构光光源照明，照明光源本身不包含任何编码信息。图像采集系统通过导像束或者CCD相机采集待测组织的光场的分布信息，得到待测组织的二维图像。

这种内窥图像所包含的信息反映了待测组织的平面信息，图像处理工作集中在提高现有平面图像的质量(例如，清晰度和彩色图像)和消除由于系统产生的各种像差。法国的J.F.Rey等将内窥镜输出的视频信号采集到计算机中进行图像分析和处理[参见在先技术1：J.F.Rey，etc，al.，Electronic Video Endoscopy：Preliminary Results ofImaging Modification，Endoscopy，Vol.20，1988：8-10]。意大利的S.Guadagni等以电子内窥镜和一台386计算机为核心，研制了电子内窥镜图像处理分析系统[参见在先技术2：S.Guadagni，etc，al.，Imaging in Digestive Videoendoscopy，SPIE，Optic Fibers inMedicine，Vol.1420，1991：178-182]。特别是微型CCD的出现，极大的提高了平面图像所包含的信息质量。这些技术的发展为医学诊断创造了良好的条件。

但是，现行的内窥镜由于光源所包含的信息非常少，只能得到待测组织的平面二维信息，显然在测量过程中丢失了包含物体相对深度和横向尺寸的三维面形分布信息。这种三维面形分布信息的丢失给科学诊断带来了很大的限制。克服这种缺点的方法是采用光学的三维测量技术，这种技术能有效同内窥成像技术进行结合，从而得到测量目标的三维面形分布，提供测量目标的三维面形信息。

光学三维面形测量技术是一类成熟的测量技术，广泛应用于工业测量等领域，具有精度高，速度快以及非接触性测量等优点。基于结构光投影的光学三维面形测量技术采用主动光学三维测量，对光源进行编码，产生结构光源(点，线，光栅条纹等)，利用产生的结构光源照明测量目标。通过测量目标三维表面对照明结构光进行调制的结果，获取测量目标表面面形信息的光场分布。通过图像采集系统采集测量目标表面光场分布，经过三维面型信息解调算法，得到物体的三维面形数据，重建测量目标的三维面形分布。特别的，利用光栅条纹作为结构光的傅立叶变换轮廓术(FTP)，Takeda Mitsuo等于1983年提出此种方法[参见在先技术3：Takeda Mitsuo，Mutoh Kazuhiro，“Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-Dobject shapes”，Applied Optics，Vol.22，Issue.24，1983]。这种方法利用光栅条纹光场作为结构光源，通过对图像强度分布进行傅立叶变换、滤波、反傅立叶变换、位相展开等图像处理和信息解调算法，得到测量目标的三维面形分布。

一种已知内窥三维测量技术方案基于激光高度扫描技术。但是这种高度扫描系统控制结构复杂，所需时间较长，实施方案繁琐。

周常河，王晓鑫，张军等提出的基于导像束的光栅投影三维测量方法和装置(周常河，王晓鑫，张军等，“基于光栅投影的三维内窥测量装置和方法”，发明专利，申请号200810037012.6)。上述发明中利用导像束作为照明结构光的传输通道，实施中必须考虑到导像束的分辨率匹配，导像束和光路之间的耦合。

发明内容

本发明的目的是要克服上述现有内窥镜输出图像中三维面形信息的丢失的技术问题，提供一种基于振幅型透射光栅的三维内窥测量装置和方法，以获得内窥测量目标的三维面形分布信息，并具有测量速度快、测量精度高和方法简单的特点。

本发明的技术解决方案如下：