文章來源：“愛光學”公眾號

中北大學/南京理工大學陳錢教授、南京理工大學左超教授課題組提出了一種簡單、穩(wěn)健的自適應條紋投影方法，該方法能夠準確測量生物組織高亮表面，并最終重建出完整、高精度的三維輪廓。相關成果發(fā)表于《激光與光電子學進展》。

背景

結構光條紋投影法是非接觸式光學測量方法中的典型技術之一。在測量高反射區(qū)域時常出現(xiàn)過曝光現(xiàn)象，導致測量精度下降。為解決這一難題，學術界提出了多種方法，如借助空間光調制器件、采用多重曝光技術等，但這些方法通常操作復雜、計算量大。因此，基于簡易系統(tǒng)開發(fā)簡便高效的測量方法，特別是針對光照環(huán)境復雜的三維測量，仍是當前研究的熱點和挑戰(zhàn)。

原理

在三維測量中，針對高反射區(qū)域的過曝光問題，研究人員提出了一種自適應投影方法。該方法首先投影一幅均勻圖案至樣品表面，相機采集對應的圖像，并設定灰度飽和閾值以標記過曝光區(qū)域；通過連通域分析和微分算子提取，生成過曝光區(qū)域的邊界掩碼。然后，將相機坐標系下的過曝光邊界映射到投影儀像素坐標系，考慮到相機和投影儀分辨率的差異，采用最近鄰插值處理，確保坐標對應關系。在此基礎上，逐級迭代降低投影空間掩碼區(qū)域內的投影強度，重新生成調整后的最大輸入灰度圖和條紋圖。迭代過程持續(xù)進行，直至采集的最大輸入灰度圖中無過曝光區(qū)域，滿足迭代終止條件。通過上述自適應迭代方法，可有效解決高反射區(qū)域的過曝光問題，提高三維測量的精度和可靠性。

圖1 最大輸入灰度圖迭代調整的過程示意圖

應用

3.1 針對高動態(tài)生物組織樣品的完整三維測量

在對魚泡組織進行三維測量時，傳統(tǒng)測量方法將導致樣品中央出現(xiàn)明顯的三維信息缺失現(xiàn)象。通過迭代自適應投影過程，逐步調整投影圖案，采集相應的高頻條紋圖，并進行三維重建，最終有效解決了過曝光問題，完整獲取了魚泡組織的三維信息。

表1 魚泡組織迭代自適應投影重建過程

3.2解決遠程醫(yī)療場景下的病理組織切片難題

此次團隊與江豐生物合作旨在解決遠程醫(yī)療場景下的病理組織切片難題?；谠摴ぷ髦刑岢龅南盗蟹椒ǎY合醫(yī)療應用場景需求；進一步新研制了一種大視場3D測量系統(tǒng)，以應對體積較大的病理組織樣本。專家通過遠程平臺界面的視頻流進行標記線的繪制來交互，同時現(xiàn)場通過投影模組將標記線等交互信息直接顯示在樣品表面，從而實現(xiàn)身臨其境、位置準確的遠程交互指導。

圖2 大視場病理組織3D傳感系統(tǒng)(a)系統(tǒng)的3D建模；(b)針對豬心樣品的彩色3D重建；(c) 針對不同生物樣品紋理特征的反向交互指導功能

展望

團隊將結構光技術應用于病理組織樣品的三維成像中，實現(xiàn)了樣品的全方位高精度三維成像；創(chuàng)新性地提出了一種反向投影取材交互方法，在遠程病理診斷平臺的基礎上實現(xiàn)現(xiàn)場樣本表面智能交互光學標記，完成智能輔助指導切片操作。這有望解決遠程病理組織取材難題，并最終以全新的交互內容與形式將多年病理領域的經(jīng)驗與專家資源有效整合。此外，內鏡醫(yī)師、病理醫(yī)師都能直觀的了解標本病變的位置、范圍、深度、距離各切緣的位置等，極大提高病理診斷的精確性，在數(shù)字病理組織三維成像及遠程醫(yī)療等領域中具有廣泛的潛在應用前景。將來有望攜手江豐生物為中國甚至全球病理醫(yī)生，在遠程病理平臺上提供無時空限制的數(shù)字切片診斷交流、疑難病例討論、專家數(shù)字切片解讀、病理遠程教學服務。

課題組介紹

南京理工大學智能計算成像實驗室（SCILab）由陳錢教授和左超教授領銜，致力于研發(fā)新一代計算成像技術，已在多領域取得顯著成果。

作者介紹

主要作者包括南京理工大學碩士研究生衛(wèi)自強和副教授胡巖，以及教育部長江學者、國際光學工程學會會士左超教授。

上海芬創(chuàng)信息科技有限公司作為一家專注于光學技術創(chuàng)新與應用的高科技企業(yè)，始終致力于推動光學領域的技術進步與產(chǎn)業(yè)升級。公司擁有一支由行業(yè)專家和資深工程師組成的研發(fā)團隊，憑借深厚的技術積累和豐富的實踐經(jīng)驗，為國內外客戶提供優(yōu)質的產(chǎn)品和服務。芬創(chuàng)科技與多家科研機構及高校保持著緊密的合作關系，共同探索光學技術的新邊界，為光學行業(yè)的發(fā)展貢獻著智慧與力量。