一種基于激光掃描眼底相機成像方法及圖像處理技術(shù)

蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院人工智能學(xué)院 沈 健

圖像是人類認識世界的重要源泉，也是自然界在人腦中的客觀反映。圖像包含了被拍物體的客觀信息，也是人類認識物體的最主要的信息源。但是因為拍攝設(shè)備、拍攝環(huán)境、以及人的狀態(tài)等多種因素，圖像與實際的景象一定會存在差異，有的因為設(shè)備原因拍出來的圖像很暗，還有的因為聚焦問題導(dǎo)致圖像和實際場景失真等等，這些圖像就會出現(xiàn)一些非信息性的暗區(qū)，給圖像處理帶來麻煩，在醫(yī)療設(shè)備中這樣的麻煩就可能給醫(yī)生診療產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。

直接和間接檢眼鏡在眼科檢查項目中，一般通過強光或較強光透過瞳孔對視網(wǎng)膜進行照射，來觀察視網(wǎng)膜的病理結(jié)構(gòu)，這種強光通常為視網(wǎng)膜耐受的10%～100%，這在正常眼或許能夠接受，對于病理性眼球卻可能造成眼球的永久性損傷。

針對此問題，20世紀70年代以來，通過激光完成對眼睛的掃描方法，越來越多，激光掃描檢眼鏡是由波士頓Scheoens研究所研制，其通過一束聚焦的、暗的激光束（亮度不足間接檢眼鏡的1/1000）掃描眼底，每次一個點，反射光由光檢測器接收放大，一點一點地獲得眼底點圖形，再通過電子計算機進行數(shù)字合成，形成監(jiān)視器圖像的電子束與掃描視網(wǎng)膜的激光束同步，從而獲得清晰的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)圖像。此外，還有激光掃描共聚焦顯微鏡等設(shè)備都可以實現(xiàn)視網(wǎng)膜熒光成像。

本文介紹一種基于激光掃描眼底相機成像方法，通過相機鏡頭平面、激光焦平面和物平面交于一線，符合沙姆定律實現(xiàn)對受檢眼球的觀察和3D成像，將沙姆定律（Scheimpflug principle）與激光檢眼鏡進行結(jié)合，同時觀察眼疾及得到前眼部清晰圖像。

1 成像方法介紹

具體成像方法如下：

（1）打開激光掃描儀，激光掃描儀發(fā)射出激光后，通過反射鏡將激光反射至穿孔鏡，穿孔鏡再將激光反射至受檢眼部；

（2）調(diào)整SLO的焦距，先使用紅外激光射出激光，通過反射鏡將激光反射至穿孔鏡，穿孔鏡再將激光反射至前眼部位置，調(diào)焦完成后，再使用不同波長的RGB激光進行光學(xué)檢測，使激光聚焦于前眼部位置；

（3）控制垂直裂隙光并將其投射到受檢眼前眼部，通過調(diào)節(jié)激光掃描儀上激光曝光時間，通過橫向掃描垂直狹縫光，滿足眼球斜角位置的相機實現(xiàn)受檢眼眼球的全面掃描，滿足眼球斜角位置的相機拍攝多角度的激光前眼部斷層圖像，得到全方位地圖像信息；

（4）相機掃描的方式分為水平掃描和旋轉(zhuǎn)掃描，水平掃描的方法為：通過對激光掃描儀測量頭的水平移動，完成對受檢眼前眼部斷層成像；旋轉(zhuǎn)掃描的方法：通過對相機獨立或整合旋轉(zhuǎn)，設(shè)置在兩側(cè)的眼球斜角位置，調(diào)整眼球斜角位置的相機掃描，相機在不同位置獲取多個受檢眼前眼部斷層圖像；

（5）通過控制RGB激光曝光時間獲取受檢眼前眼部斷層圖像，并進行處理，得到受檢眼眼底3D圖片。本論文介紹的成像方法先使用紅外激光射出激光，通過反射鏡將激光反射至穿孔鏡，穿孔鏡再將激光反射至前眼部位置，前眼部位置的圖像通過穿孔鏡投到第二個穿孔鏡處，第二個穿孔鏡將圖像反射到第二反射鏡，通過第二反射鏡將圖像反射到觀察鏡，與此同時，相機會對第二個穿孔鏡中的圖像進行拍攝。圖1所示為成像原理的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 成像原理的結(jié)構(gòu)示意圖

2 圖像處理技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)輸入

RGB激光掃描后通過歐式變換對激光進行旋轉(zhuǎn)、平移變換，并將該變換構(gòu)成一個群集，x’=[R t]x，其中R是一個3×3正交旋轉(zhuǎn)矩陣，x表示非齊次矢量，t表示變換距離，x’表示齊次矢量；

相機通過RGB激光采集圖像經(jīng)過處理輸出一個彩色圖像，定義為：g(x)=h(f1(x)f2(x)f3(x))，其中x屬于3D定義域，函數(shù)f1、f2、f3、g表示在某個值域上的操作，h表示RGB三色圖像處理算法因子。

2.2 彩色變換

通過對每個通道乘以不同的尺度因子來增加每個像素的亮度，調(diào)整每個像素的色調(diào)和飽和度，來實現(xiàn)圖像色彩平衡，即將RGB映射到XYZ彩色空間，改變標稱點，再重新映射到RGB空間；

2.3 訓(xùn)練

彩色變換處理后的圖片通過分析，發(fā)現(xiàn)有兩個問題：（1）有些圖像很暗，有些圖片顏色照明混淆；（2）有些圖片出現(xiàn)較大的非信息性的暗區(qū)。

解決這兩個問題可以通過結(jié)合不同的曝光度圖像的像素直接生成合成圖來處理，但這種方法有對比度反轉(zhuǎn)和光環(huán)的風(fēng)險，我們經(jīng)常采用下面三個步驟來處理。

（1）所謂輻照度響應(yīng)函數(shù)，就是指它將到達鏡頭的光子映射到存儲在圖像文件中的數(shù)值

其中tj是第j幅圖像的曝光時間，Ei是幅照度值，通過對其逆可表達式進行數(shù)學(xué)變換，顯示曝光輸入圖像以及對應(yīng)的輻照度圖。

從配準的圖像中利用貝葉斯模型對每幅圖像估計一個獨立的光滑響應(yīng)函數(shù)，該函數(shù)模擬當前圖片的自動對比度和色調(diào)調(diào)節(jié)。

（2）一旦響應(yīng)函數(shù)被確定，就可以通過從不同曝光度的圖像中選擇或者混合像素來估計輻射照度圖，就是設(shè)計一個輻射照度圖。如果響應(yīng)函數(shù)和圖像都精確已知，也就是它們都是沒有噪聲，我們就可以通過用逆響應(yīng)曲線E=g(z)來映射任何一個非飽和的像素值從而估計出對應(yīng)的輻照圖。但是像素都是由噪聲的，特別是在低光照條件下，因此我們需要進行適當?shù)难a償，采用一個加權(quán)函數(shù)來補償色調(diào)居中的函數(shù)，利用權(quán)重w來形成最終的輻照度估計。

（3）我們采用一種基于交互的方法，在每個像素設(shè)定目標曝光值，并通過插值進行加權(quán)最小二乘將他們轉(zhuǎn)換為分段光滑的調(diào)整圖像。

其中g(shù)(x,y)和f(x,y)分別表示輸入和輸出對數(shù)曝光度，數(shù)據(jù)加權(quán)項wd(x,y)在設(shè)立處為1，其他地方為0。光滑度加權(quán)項ws(x,y)反比于對數(shù)亮度梯度，因而導(dǎo)致f(x,y)圖像在低梯度區(qū)域較為光滑，而高梯度區(qū)域有些不連續(xù)。

3 結(jié)論

本論文中所述的一種激光掃描眼底相機成像的方法，通過相機鏡頭平面、激光焦平面和物平面交于一線，符合沙姆定律實現(xiàn)對受檢眼球的觀察和3D成像，將沙母定律（Scheimpflug principle）與激光檢眼鏡進行結(jié)合，同時觀察眼疾及得到前眼部清晰圖像，讓其更好的滿足用戶的需要。