光學(xué)層析成像系統(tǒng)仿真

黃俊玲,楊久春,王易誠,黃猛,李保生

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽合肥230009）

光學(xué)層析成像系統(tǒng)仿真

黃俊玲,楊久春,王易誠,黃猛,李保生

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽合肥230009）

光學(xué)層析成像技術(shù)在遙感、目標(biāo)識別、軍事、航空航天、工業(yè)檢測、生物醫(yī)學(xué)等多種領(lǐng)域有著重要應(yīng)用.研究了一個基于光學(xué)層析成像掃描原則的成像系統(tǒng),做了相應(yīng)的實驗?zāi)M仿真.仿真內(nèi)容包括調(diào)制盤的制作、視場的設(shè)置、運動掃描及投影數(shù)據(jù)獲取,并且在研究圖像重構(gòu)算法的理論基礎(chǔ)上,對仿真重構(gòu)圖像進(jìn)行顯示.實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)的可行性.

光學(xué)層析；成像系統(tǒng)；實驗仿真；投影；調(diào)制盤；圖像重構(gòu)

近年來,光學(xué)層析成像成為人們廣為關(guān)注的一種新型成像技術(shù).采用光在被測物體的反射輻射效應(yīng)來獲得物體特性參數(shù),具有無損傷性、便攜性、連續(xù)性、高精度和高分辨率等諸多優(yōu)點.光學(xué)層析成像技術(shù)與現(xiàn)有的其他成像技術(shù)相比,應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他層析成像方法[1-2].文章在研究目前層析成像掃描方法和設(shè)備基礎(chǔ)上,提供了一個基于光學(xué)層析成像掃描原則的實驗系統(tǒng).在研究直接傅里葉算法和濾波法投影算法圖像重構(gòu)算法的理論基礎(chǔ)上[3-4],設(shè)計了光學(xué)層析成像系統(tǒng)總體方案設(shè)計,利用軟件編程進(jìn)行了實驗仿真.本文對各方面的設(shè)計和功能進(jìn)行了描述,并對重構(gòu)的圖像進(jìn)行顯示和分析.

1 光學(xué)層析總體方案設(shè)計

光學(xué)層析成像系統(tǒng)和傳統(tǒng)X線層析成像系統(tǒng)相似,在不同的應(yīng)用場合需要與之匹配的系統(tǒng)硬件.成像系統(tǒng)的設(shè)計,包括了圖像重建所必需的信號處理.光學(xué)層析成像系統(tǒng)需要的是特定的硬件平臺,如被測物體成像系統(tǒng)、掃描裝置和接收裝置等,如圖1所示.圖像重構(gòu)方法與傳統(tǒng)層析成像算法基本上相同.

圖1 層析掃描成像系統(tǒng)Fig.1 The imaging system of tomography

運用了傳統(tǒng)X線平行束投影的思路,建立光學(xué)層析成像方法.平行束重建采用的是平移加旋轉(zhuǎn)的掃描方式,平行束投影掃描裝置主要包括光束發(fā)射端和對應(yīng)的探測器.發(fā)射端子相對于靶標(biāo)圖像角度不變平行移動,接受端也與之相應(yīng)平移直到完全掃描被測物體.如圖2中所示,在該角度的掃描過程完成后,發(fā)射端和接收端掃描路徑同時圍繞被測物體的中心旋轉(zhuǎn)某個固定角度,接著再進(jìn)行重復(fù)掃描,直至旋轉(zhuǎn)角度為一周.這就是獲得投影數(shù)據(jù)的整個掃描過程,在此基礎(chǔ)上設(shè)計的系統(tǒng)總體方案如圖3所示.

圖2 平行束掃描Fig.2 The scanning method of parallel beam

圖3 總體設(shè)計方案Fig.3 The scheme of overall design

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要特點是調(diào)制盤靜止,主要裝置由一個靶標(biāo)圖像生成的一束光線,使用一個簡單的圓錐掃描器和一個簡單的帶有均勻刻線的調(diào)制盤構(gòu)成了圓錐掃描光學(xué)系統(tǒng),然后通過聚光光學(xué)系統(tǒng)和一個光電探測器采集信號,最后應(yīng)用層析處理技術(shù)根據(jù)中心切片定理由一維信號再現(xiàn)二維圖像[5-8].本文在研究了直接傅里葉算法和濾波法投影算法圖像重構(gòu)算法的理論基礎(chǔ)推導(dǎo)后,利用軟件編程進(jìn)行圖像重構(gòu).

2 仿真

按照圖3的原理,進(jìn)行仿真設(shè)計,其中包括調(diào)制盤、掃描過程、視場及重構(gòu)算法等部分.圖4a為仿真調(diào)制盤設(shè)計,仿真中調(diào)制盤尺寸設(shè)置為6 000*6 000（像素尺寸）,狹縫長度為300,數(shù)量為65條,均勻分布在調(diào)制盤的一周.通過調(diào)用matlab的旋轉(zhuǎn)函數(shù)imrotate來實現(xiàn)調(diào)制盤的基本繪制,另外在matlab中通過imrotate函數(shù)旋轉(zhuǎn)后會自動進(jìn)行插值和剪裁處理,這樣會使得在狹縫周圍小區(qū)域的像素點的灰度值不為0,影響仿真結(jié)果.所以將狹縫內(nèi)的像素灰度值設(shè)為1,除狹縫外的所有區(qū)域像素灰度值設(shè)為0,相當(dāng)于實際中狹縫的光透過率為100%,周圍區(qū)域光透過率為0%.

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 The simulation results

如圖4b所示,為了方便實驗與仿真對比分析,選擇Lina圖像,讀入靶標(biāo)圖像并對靶標(biāo)圖像加圓視場,視場直徑與調(diào)制盤兩道縫寬的距離相等.根據(jù)調(diào)制盤狹縫寬度的設(shè)置,仿真中采用300*300分辨率的圖像.圖像的大小不能超過狹縫之間的距離,否則會使得信號混疊.300*300圖像是略小于狹縫之間的寬度的,在仿真中通過等間隔的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)角度的補償.加入視場光闌是為了模擬實際實驗中光路中的視場.根據(jù)圖像的大小,設(shè)置光闌的直徑為300,光闌外的像素灰度值設(shè)置為0.

首先確定圖像的初始位置,這也是最重要的：若圖像按順時針轉(zhuǎn)過調(diào)制盤,則所對應(yīng)狹縫應(yīng)與掃描方向所指的圖像（加視場光闌后）的那一側(cè)相切,反之依然.仿真中令圖像處于調(diào)制盤最上方的狹縫,則狹縫與圖像最右側(cè)相切即可（見圖4c）.通過調(diào)用imrotate函數(shù)使得圖像以（3 000,3 000）即調(diào)制盤中心坐標(biāo),整體旋轉(zhuǎn)一周,回到初始位置.在旋轉(zhuǎn)中,將每旋轉(zhuǎn)過的一道縫的信息記錄下來作為數(shù)組的一列,共有65列,每一列都記錄圖像被掃描的像素積分,在實際中為光強積分.

掃描方式的模擬有多種,有理想的掃描方式,本實驗值討論理想狀態(tài)下的圓周掃描.除了這個還可以對視場進(jìn)行偏心掃描方式模擬、速度變化雜聲模擬、初始掃描位置不同的模擬等.由于時間關(guān)系將不做過多的闡述,后續(xù)工作者可對此進(jìn)行深入研究.

將仿真投影數(shù)據(jù)運用重構(gòu)算法得到重構(gòu)圖像.圖像重構(gòu)采用的是濾波反投影法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu).仿真重構(gòu)結(jié)果如圖5b所示,對比原圖像與仿真結(jié)果可知,重構(gòu)的圖像能夠反映出原圖像的特征.因此驗證了該系統(tǒng)的可行性,為以后實驗系統(tǒng)的研究提供了依據(jù).重構(gòu)圖像需要增加掃描角度才能進(jìn)一步提高分辨率.

圖5 原圖與仿真圖Fig.5 The image of original and simulation

3 小結(jié)

本文在光學(xué)層析成像理論基礎(chǔ)上,采用了平行投影掃描方法,提出了一種新的調(diào)制盤層析掃描成像方法.該掃描方法與傳統(tǒng)方法的區(qū)別為調(diào)制盤靜止,被測物體成像繞調(diào)制盤狹縫進(jìn)行勻速運動進(jìn)行掃描.通過仿真設(shè)計：靶標(biāo)圖像的尺寸選取、調(diào)制盤設(shè)計、視場光闌的設(shè)計、掃描程序設(shè)計、濾波重構(gòu)最終得到仿真結(jié)果.驗證了重構(gòu)算法與設(shè)計方法的可行性,為進(jìn)一步開展層析成像實驗系統(tǒng)具有重要的理論指導(dǎo).

[1]Jiang H.計算機斷層成像技術(shù)[M].張朝宗,譯.北京：科學(xué)出版社,2006.

[2]莊天戈.計算機在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[M].2版.北京：科學(xué)出版社,2000：124-157.

[3]閻春生,曾楠,賴淑蓉,等.光學(xué)層析成像技術(shù)的研究動態(tài)[J].激光雜志,2001,22（5）：5-8.

[4]楊莉松,王桂英,徐至展.光學(xué)層析成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,1997,34（8）：5-7.

[5]Hovland H.Tomographic scanning imaging seeker[J].Proc.SPIE,2004,5430：76-85.

[6]Hovland H.Specialized tomographic scanning imaging seeker[J].Proc.SPIE,2005,5778：725-731.

[7]Hovland H.Optimization of the tomographic scanning（TOSCA）imager[J].Proc.SPIE,2007,1478：656901-656910.

[8]Hovland H.Tomographic scanning imager[J].Opt Express,2009,17（14）：11371-11387.

（責(zé)任編輯：盧奇）

The simulation of optical tomography system

Huang Junling,Yang Jiuchun,Wang Yicheng,Huang Meng,Li Baosheng
（School of Instrument Sciences and Opto-electronics Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230009,China）

Optical tomography is widely used in many areas such as remote sensing,target recognition,military, aerospace,industrial detection biomedical research,and so on.It is most necessity and important significance of the research of this imaging system and method for optical tomography.A principles-based tomography scan imaging system was provided and was emphasizes on the theoretical simulation in this paper.The simulation included the reticle design,setting the field of view,the scanning movement and projection data acquisition.The simulation reconstructed image was displayed after discussing the theoretical derivations of image reconstruction.The feasibility of the system was verified by experimental results.

optical tomography；imaging system；experimental simulation；projection；reticle；reconstructed image

TP391.41

A

1008-7516（2015）03-0067-03

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.03.014

2015-04-09

國家自然科學(xué)基金（61174195）

黃俊玲（1988―）,女,河南濮陽人,碩士生.主要從事精密測試技術(shù)及儀器研究.