一种光学相干层析成像系统中相位解缠的方法技术方案

本发明专利技术提供一种光学相干层析成像系统中相位解缠的方法。由于缠绕相位梯度图与真实相位梯度图的差别在于相位跳跃边界的梯度值不一样，将缠绕相位梯度图进行再次缠绕，可得到与真实相位梯度图等价的恢复相位梯度图。同时，本发明专利技术假设真实相位梯度图与恢复相位梯度图之间的误差具有不确定性，可以取任意数值，没有约束条件，很好的解决光学相干成像系统中相位缠绕问题，且具有很强的抗噪声能力。

【技术实现步骤摘要】
一种光学相干层析成像系统中相位解缠的方法
本专利技术属于光电成像
，尤其涉及一种光学相干层析成像系统中相位解缠的方法。
技术介绍
精确的相位信息提供的有价值的信息可用于在物体探测和成像方面。到目前为止，相位图像被广泛用在干涉孔径雷达，核磁共振成像，条纹投影轮廓术，数字全息，显微成像以及光学相干层析等领域。光学相干层析因为分辨率高，可实时三维成像而被广泛应用在生物医学成像中。然而，对于各种血管成像的流体研究，相位图由于测量长度超过一个波长而出现缠绕现象，因此解决相位的不连续性是必要的问题。为了解决相位缠绕问题，人们在过去已经提出各种方法，这些方法大致可分为：路径跟踪法，最小范数法，网络流法，多波长法以及其他方法。就光学相干层析成像系统中，目前只有一个方法被报道，该方法属于第四种方法，具体来说就是通过合成一个较长的波长来避免这种缠绕现象出现，但是该方法的应用对象是细胞表面成像，所处理的数据仅仅是在x-y平面的信息，没有包含所有深度z方向的信息，故而该方法的通行性较差。为了重新解决这个问题，我们在由学者Costantini提出网络法的基础上提出了一种鲁棒性较好的相位解缠方法。Costantini提出的网络流法假设真实相位的梯度图像与经过缠绕算子作用在缠绕相位的梯度后的图像之间的误差值是2π的整数倍(这里的梯度图像是指经过x和y方向求导后的图像)，然而对于实际系统的相位图，带有噪声的像素点已经偏离原有的数值，所以带有整数倍的约束关系是不适用于实验中的相位图。因此，基于该假设的不合理性，本文提出了一种适用范围更广的网络流法。
技术实现思路
为解决相位图像的不连续问题，本专利技术提供一种光学相干层析成像系统中相位解缠的方法。由于缠绕相位梯度图与真实相位梯度图的差别在于相位跳跃边界的梯度值不一样，将缠绕相位梯度图进行再次缠绕，可得到与真实相位梯度图等价的恢复相位梯度图。一种光学相干层析成像系统中相位解缠的方法，其基本步骤包括：步骤一：对输入的缠绕相位图在图像平面坐标系下的x与y方向分别进行求导，得到缠绕相位图x和y方向的缠绕相位梯度图；步骤二：缠绕相位梯度图经缠绕算子解缠作用后得到恢复相位梯度图，则真实相位梯度图与恢复相位梯度图各个像素点之间的误差表示如下：其中，(i,j)代表像素点的位置，e1(i,j)、e2(i,j)分别为恢复相位梯度图与真实相位梯度图在x和y方向的各个像素点误差；Δφ1(i,j)、Δφ2(i,j)分别为x和y方向的真实相位梯度图各个像素点梯度值；分别为x和y方向的缠绕相位梯度图各个像素点梯度值；W为缠绕算子，也即对缠绕相位梯度图进行2π取模操作；步骤三：将恢复相位梯度图与真实相位梯度图的相邻四个像素点的误差表示为：e1(i,j+1)-e1(i,j)-e2(i+1,j)+e2(i,j)＝R(i,j)(2)其中右边R(i,j)为：步骤四：以方程(2)为约束条件，通过求解方程(3)的最小值，计算误差e1(i,j)与e2(i,j)的值；其中e1(i,j)∈R、e2(i,j)∈R，其中R为实数，且c1(i,j)、c2(i,j)为依据Costantini学者提出网络流法中的设置权重；然而在实际系统的相位图中，e1(i,j)、e2(i,j)是由于噪声引起的，带有噪声的像素点已经偏离原有的数值，具有不确定性，将其假设为2π的整数倍是不合理的；因此在本专利技术中，e1(i,j)、e2(i,j)可以取任何数值，没有任何约束条件；步骤五：将步骤四的e1(i,j)与e2(i,j)的值代入方程(1)，得到解缠后的真实相位梯度图各个像素点梯度值Δφ1(i,j)和Δφ2(i,j)；步骤六：对真实相位梯度图各个像素点梯度值Δφ1(i,j)与Δφ2(i,j)进行路径积分，得到估计真实相位图。步骤七：计算估计真实相位图在非缠绕区域曲线与缠绕相位图缠绕曲线之间的常数偏移量，取该常数偏移量的中值，对路径积分后的估计真实相位图进行常数纠正，最终得到恢复偏移的真实相位图，解决相位不连续性的问题。有益效果：(1)本专利技术利用缠绕算子对缠绕相位梯度图进行处理，并假设真实相位梯度图与恢复相位梯度图之间的误差可以取任意数值，没有约束条件，很好的解决光学相干成像系统中相位缠绕问题，得到的解缠图与真实图像较为接近，表现出相位的连续性，无缠绕的效果。同时本专利技术方法还获得了较低的时间成本。(2)本专利技术提出的误差项可以取任意值的合理假设，使其能对任一像素点进行处理，也即能补偿由噪声带来的误差。本专利技术方法无论在哪组噪声水平，都获得了最小的噪声放大系数，有很强的抗噪声能力和较强的鲁棒性，且在解缠过程中具有削弱噪声的能力。附图说明图1(a)为本专利技术光学相干层析成像系统中的透明细管的相位图像；图1(b)为本专利技术相位图中第110行的相位数值的曲线图；图2为本专利技术真实图的梯度与缠绕图的梯度之间关系图；图2(a)为真实的相位图；图2(a-1)为真实相位图在x方向上梯度图像；图2(a-2)为真实相位图在y方向上梯度图像；图2(b)为缠绕相位图；图2(b-1)为缠绕图在x方向上梯度图像；图2(b-2)为缠绕图在y方向上梯度图像；图2(b-3)为图2(b-1)经过缠绕算子作用后的图像；图2(b-4)为图2(b-2)经过缠绕算子作用后的图像；图3为本专利技术路径积分过程中恢复相位的过程；图4为本专利技术提出的解缠方法与常用解缠方法在不同随机脉冲噪声水平下的解缠效果的对比；图4(a)模拟的真实相位图；图4(b)加入不同噪声水平的真实相位图；图4(c)缠绕算子作用在图4(b)后的缠绕相位图；图4(d)最小二乘法的解缠图像；图4(e)路径独立方法的解缠图像；图4(f)网络流法的解缠图像；图4(g)本专利技术提出的方法的解缠图像。图5为本专利技术的不同方法对不同随机脉冲噪声水平的缠绕图像处理结果的三个指标的对比图；三个评价指标分别为：均方根误差RMSE1，噪声放大系数NAD，程序运行时间Time；图5(a)均方根误差RMSE1的比较曲线；图5(b)噪声放大系数NAD的比较曲线；图5(a)程序运行时间Time的比较曲线；图6为本专利技术提出的解缠方法与常用解缠的方法的对比效果；图6(a)图1中的相位图，即图1(a)；图6(b)路径跟踪的经典方法的解缠图像；图6(c)傅里叶变换的最小二乘法的解缠图像；图6(d)合成波长方法的解缠图像；图6(e)路径独立方法的解缠图像；图6(f)网络流法的解缠图像；图6(g)本专利技术提出的方法的解缠图像；图6(h)路径跟踪中经典方法的残差图；图6(i)傅里叶变换的最小二乘法的残差图；图6(j)合成波长方法的残差图；图6(k)路径独立方法的残差图；图6(l)网络流方法的残差图；图6(m)本专利技术所提出方法的残差图。图7为本专利技术的从一维角度看不同方法解缠结果的效果图；选择图6(a)中第110行的相位值进行比较。具体实施方式下面结合附图对本专利技术方法的实施方式做详细说明。由于缠绕相位梯度图与真实相位梯度图的差别在于相位跳跃边界的梯度值不一样，将缠绕相位梯度图进行再次缠绕，可得到与真实相位梯度图等价的恢复相位梯度图。如图2所示，图2(a-1)和图2(a-2)分别是真实相位图2(a)在x和y方向的两个梯度图像。由于真实的相位图是一个连续图像，所以，从视觉角度来看，图2(a-1)和图2(a-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学相干层析成像系统中相位解缠的方法，其特征在于，其基本步骤包括：步骤一：对输入的缠绕相位图在图像平面坐标系下的x方向与y方向分别进行求导，得到缠绕相位图x方向和y方向的缠绕相位梯度图；步骤二：缠绕相位梯度图经缠绕算子解缠作用后得到恢复相位梯度图，则真实相位梯度图与恢复相位梯度图各个像素点之间的误差表示如下：

【技术特征摘要】
2016.09.06 CN 20161080392101.一种光学相干层析成像系统中相位解缠的方法，其特征在于，其基本步骤包括：步骤一：对输入的缠绕相位图在图像平面坐标系下的x方向与y方向分别进行求导，得到缠绕相位图x方向和y方向的缠绕相位梯度图；步骤二：缠绕相位梯度图经缠绕算子解缠作用后得到恢复相位梯度图，则真实相位梯度图与恢复相位梯度图各个像素点之间的误差表示如下：其中，(i,j)代表像素点的位置，e1(i,j)、e2(i,j)分别为恢复相位梯度图与真实相位梯度图在x和y方向的各个像素点误差；Δφ1(i,j)、Δφ2(i,j)分别为x和y方向的真实相位梯度图在各个像素点梯度值；分别为x和y方向的缠绕相位梯度图在各个像素点梯度值；W为缠绕算子，即对缠绕相位梯度图进行2π取模操作；步骤三：将恢复相位梯度图与真实相位梯度图的相邻四个像素点的误差表示为：e1(i,j+1)-e1(i,j)-e2(i+1,j)+e2(i,j...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄勇，夏绍燕，谭小地，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11