光学层析成像系统仿真

黄俊玲,杨久春,王易诚,黄猛,李保生

（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009）

光学层析成像系统仿真

黄俊玲,杨久春,王易诚,黄猛,李保生

（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009）

光学层析成像技术在遥感、目标识别、军事、航空航天、工业检测、生物医学等多种领域有着重要应用.研究了一个基于光学层析成像扫描原则的成像系统,做了相应的实验模拟仿真.仿真内容包括调制盘的制作、视场的设置、运动扫描及投影数据获取,并且在研究图像重构算法的理论基础上,对仿真重构图像进行显示.实验结果验证了系统的可行性.

光学层析；成像系统；实验仿真；投影；调制盘；图像重构

近年来,光学层析成像成为人们广为关注的一种新型成像技术.采用光在被测物体的反射辐射效应来获得物体特性参数,具有无损伤性、便携性、连续性、高精度和高分辨率等诸多优点.光学层析成像技术与现有的其他成像技术相比,应用领域远远大于其他层析成像方法[1-2].文章在研究目前层析成像扫描方法和设备基础上,提供了一个基于光学层析成像扫描原则的实验系统.在研究直接傅里叶算法和滤波法投影算法图像重构算法的理论基础上[3-4],设计了光学层析成像系统总体方案设计,利用软件编程进行了实验仿真.本文对各方面的设计和功能进行了描述,并对重构的图像进行显示和分析.

1 光学层析总体方案设计

光学层析成像系统和传统X线层析成像系统相似,在不同的应用场合需要与之匹配的系统硬件.成像系统的设计,包括了图像重建所必需的信号处理.光学层析成像系统需要的是特定的硬件平台,如被测物体成像系统、扫描装置和接收装置等,如图1所示.图像重构方法与传统层析成像算法基本上相同.

图1 层析扫描成像系统Fig.1 The imaging system of tomography

运用了传统X线平行束投影的思路,建立光学层析成像方法.平行束重建采用的是平移加旋转的扫描方式,平行束投影扫描装置主要包括光束发射端和对应的探测器.发射端子相对于靶标图像角度不变平行移动,接受端也与之相应平移直到完全扫描被测物体.如图2中所示,在该角度的扫描过程完成后,发射端和接收端扫描路径同时围绕被测物体的中心旋转某个固定角度,接着再进行重复扫描,直至旋转角度为一周.这就是获得投影数据的整个扫描过程,在此基础上设计的系统总体方案如图3所示.

图2 平行束扫描Fig.2 The scanning method of parallel beam

图3 总体设计方案Fig.3 The scheme of overall design

这种结构设计的主要特点是调制盘静止,主要装置由一个靶标图像生成的一束光线,使用一个简单的圆锥扫描器和一个简单的带有均匀刻线的调制盘构成了圆锥扫描光学系统,然后通过聚光光学系统和一个光电探测器采集信号,最后应用层析处理技术根据中心切片定理由一维信号再现二维图像[5-8].本文在研究了直接傅里叶算法和滤波法投影算法图像重构算法的理论基础推导后,利用软件编程进行图像重构.

2 仿真

按照图3的原理,进行仿真设计,其中包括调制盘、扫描过程、视场及重构算法等部分.图4a为仿真调制盘设计,仿真中调制盘尺寸设置为6 000*6 000（像素尺寸）,狭缝长度为300,数量为65条,均匀分布在调制盘的一周.通过调用matlab的旋转函数imrotate来实现调制盘的基本绘制,另外在matlab中通过imrotate函数旋转后会自动进行插值和剪裁处理,这样会使得在狭缝周围小区域的像素点的灰度值不为0,影响仿真结果.所以将狭缝内的像素灰度值设为1,除狭缝外的所有区域像素灰度值设为0,相当于实际中狭缝的光透过率为100%,周围区域光透过率为0%.

图4 仿真结果Fig.4 The simulation results

如图4b所示,为了方便实验与仿真对比分析,选择Lina图像,读入靶标图像并对靶标图像加圆视场,视场直径与调制盘两道缝宽的距离相等.根据调制盘狭缝宽度的设置,仿真中采用300*300分辨率的图像.图像的大小不能超过狭缝之间的距离,否则会使得信号混叠.300*300图像是略小于狭缝之间的宽度的,在仿真中通过等间隔的旋转来实现角度的补偿.加入视场光阑是为了模拟实际实验中光路中的视场.根据图像的大小,设置光阑的直径为300,光阑外的像素灰度值设置为0.

首先确定图像的初始位置,这也是最重要的：若图像按顺时针转过调制盘,则所对应狭缝应与扫描方向所指的图像（加视场光阑后）的那一侧相切,反之依然.仿真中令图像处于调制盘最上方的狭缝,则狭缝与图像最右侧相切即可（见图4c）.通过调用imrotate函数使得图像以（3 000,3 000）即调制盘中心坐标,整体旋转一周,回到初始位置.在旋转中,将每旋转过的一道缝的信息记录下来作为数组的一列,共有65列,每一列都记录图像被扫描的像素积分,在实际中为光强积分.

扫描方式的模拟有多种,有理想的扫描方式,本实验值讨论理想状态下的圆周扫描.除了这个还可以对视场进行偏心扫描方式模拟、速度变化杂声模拟、初始扫描位置不同的模拟等.由于时间关系将不做过多的阐述,后续工作者可对此进行深入研究.

将仿真投影数据运用重构算法得到重构图像.图像重构采用的是滤波反投影法对采集的数据进行重构.仿真重构结果如图5b所示,对比原图像与仿真结果可知,重构的图像能够反映出原图像的特征.因此验证了该系统的可行性,为以后实验系统的研究提供了依据.重构图像需要增加扫描角度才能进一步提高分辨率.

图5 原图与仿真图Fig.5 The image of original and simulation

3 小结

本文在光学层析成像理论基础上,采用了平行投影扫描方法,提出了一种新的调制盘层析扫描成像方法.该扫描方法与传统方法的区别为调制盘静止,被测物体成像绕调制盘狭缝进行匀速运动进行扫描.通过仿真设计：靶标图像的尺寸选取、调制盘设计、视场光阑的设计、扫描程序设计、滤波重构最终得到仿真结果.验证了重构算法与设计方法的可行性,为进一步开展层析成像实验系统具有重要的理论指导.

[1]Jiang H.计算机断层成像技术[M].张朝宗,译.北京：科学出版社,2006.

[2]庄天戈.计算机在生物医学中的应用[M].2版.北京：科学出版社,2000：124-157.

[3]阎春生,曾楠,赖淑蓉,等.光学层析成像技术的研究动态[J].激光杂志,2001,22（5）：5-8.

[4]杨莉松,王桂英,徐至展.光学层析成像技术的发展现状[J].激光与光电子学进展,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.

（责任编辑：卢奇）

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

国家自然科学基金（61174195）

黄俊玲（1988―）,女,河南濮阳人,硕士生.主要从事精密测试技术及仪器研究.