[发明专利]三维傅里叶变换胸腹表面测量方法

说明书

技术领域

三维傅里叶变换胸腹表面测量方法属于结构光三维测量技术领域。

背景技术

人体胸腹表面的三维运动测量在医学分析领域具有重要应用前景，如通过胸腹表面呼吸运动来推断肿瘤运动、为精确放疗提供依据等。目前，光学测量方法被公认为是最具实用性和发展潜力的解决方案。其中，傅里叶变换轮廓术只需要一幅变形条纹图案就能得到被测物体表面的高度信息，最适合用于人体胸腹表面这类简单平坦表面的动态测量。但由于存在频谱泄露与混叠，以及环境、被测物、测量系统等的干扰信号，导致包裹相位提取与展开出现误差，进而引起三维测量的误差，这是傅里叶变换轮廓术需要解决的主要问题。

一维傅里叶条纹分析(1D-FFA)方法通过选择合适的频域滤波器，将有用信号频率成分沿一维方向分离出来，但无法滤除混叠在有用信号频率成分中的其它维的干扰信号。利用条纹图像的二维性质，将傅里叶条纹分析方法从一维扩展到二维后，二维傅里叶条纹分析(2D-FFA)方法能够将1D-FFA中分离出的信号在第二维方向上进一步分离，从而滤除混叠在有用信号中的第二维干扰信号频率成分，能显著提高傅里叶变换轮廓术的准确度。同时，很多学者还提出多种方法来减少频谱泄露和干扰信号的影响，主要包括Gabor小波变换、加窗傅里叶变换、离散余弦变换、希尔伯特变换等，取得了不同程度的效果。可见，如何更好地滤除干扰信号是本领域的重要研究方向。

发明内容

针对具有呼吸运动特征的人体胸腹表面三维形貌测量，本发明公开了一种三维傅里叶变换胸腹表面测量方法，将随时间变化的胸腹表面条纹图案序列看作一个整体，将空间图像与时间序列结合，通过增加时间维将2D-FFA方法扩展为三维傅里叶条纹分析(3D-FFA)方法，从而滤除二维傅里叶变换后混叠在有用信号中的时间维干扰信号频率成分，以提高包裹相位提取的准确性；在此基础上，结合三频相位展开方法，以提高包裹相位展开的可靠性，进而形成一种具有更好抗干扰能力的三维傅里叶变换表面测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

三维傅里叶变换胸腹表面测量方法，包括以下步骤：

步骤a、向正在呼吸运动的胸腹表面投射频率分别为f1、f2和f3的条纹图像，并使用相机采集条纹图像，所述条纹图像包括x方向变量、y方向变量和时间t变量；

步骤b、分别对步骤a得到的三幅条纹图像进行三维傅里叶变换；

步骤c、分别对步骤b得到的三个三维傅里叶变换结果进行三维高斯滤波；

步骤d、分别对步骤c得到的三个三维高斯滤波结果进行傅里叶逆变换，提取包裹相位；

步骤e、对步骤d得到的三个结果进行相位展开，获得绝对相位；

步骤f、采用三角法原理，将绝对相位转化为高度信息。

上述三维傅里叶变换胸腹表面测量方法，三维高斯滤波器为

其中，f_x为与空间二维变量x方向对应的频域分量，f_x0为空间二维变量x方向的中心频率，σ_x为x方向的滤波器宽度；f_y为与空间二维变量y方向对应的频域分量，f_y0为空间二维变量y方向的中心频率，σ_y为y方向的滤波器宽度；f_t为与时间维变量t对应的频域分量，f_t0为时间维变量t的中心频率，σ_t为t方向的滤波器宽度。

上述三维傅里叶变换胸腹表面测量方法，步骤e所述的相位展开方法如下：

步骤e1、从频率分别为f1、f2和f3的条纹图像中，任意选择两个条纹图像进行相位展开，得到频率为f4的条纹图像；

步骤e2、从频率分别为f1、f2和f3的条纹图像中，选择与步骤e1不同的两个条纹图像进行相位展开，得到频率为f5的条纹图像；

步骤e3、将步骤e1得到的频率为f4的条纹图像和步骤e2得到的频率为f5的条纹图像进行相位展开。

将两个具有不同频率的条纹图像进行相位展开的方法如下：

第一幅图像的周期为T1，第二幅图像的周期为T2；某点在第一幅图像中位于第N1个周期，在该周期的相位为P1；在第二幅图像中位于第N2个周期，在该周期的相位为P2；则按照以下公式计算该点在展开图像中的周期和相位：

(T1×(N1-1)+P1)/(T1和T2的最小公倍数)

或

(T2×(N2-1)+P2)/(T1和T2的最小公倍数)