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人体三维远红外成像及其测温的研究

作　者: 程胜
导　师: 陈亚珠
学　校: 上海交通大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 三维远红外成像无损测温人体三维测量大视角三维成像标定
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

肿瘤是危害人体健康的一大杀手。面向肿瘤的预防、检测和治疗的先进医学成像器械是目前生物医学工程领域的重要研究内容之一。远红外成像能以无损、实时、动态的功能成像，为医师提供许多疾病的诊断依据。然而单纯的二维远红外热像图仅能反应出人体体表有限的热场信息。故将人体体表三维数据与二维远红外热像图相融合来实现人体局部/全身三维远红外成像，并进一步求得体内异常热源的深度、形状与温度等信息，将有重要的医学应用前景。但是，该研究存在的关键问题是高速、高解析度、高精度的人体体表的三维数据获取、人体体表的三维远红外成像及三维远红外热像图与体内异常热源的关系。因此，本文的技术路线和研究目标是：第一阶段，发展高解析度的人体局部/全身三维测量技术；第二阶段，发展高解析度的人体局部/全身三维远红外成像技术；第三阶段，针对人体局部特定部位的传热特性，结合热量传递的基本理论，发展三维远红外无损测温技术。由此，本文着重开展了以下六个方面的研究工作：1、基于移动面阵投影的人体局部高解析度三维成像技术在分析基于三角法的结构光三维成像原理的基础上，阐述了其成像特性，发明了投影仪生成纵向移动面阵投影条纹及其累积细分的方法；提出避免相邻结构光在成像时互搭的条件和面阵投影结构光的优化布局方法；分析三维成像的空间有效视场范围；设计和制作了多套实验装置，并进行比较，实现了高解析度的人体局部三维成像。2、基于面阵投影同步光路旋转的人体大视角三维成像技术在分析两种同步扫描三维成像方案的基础上，发明了基于面阵投影与同步光路旋转的三维成像方法；分析了该类型成像系统的空间扫描轨迹和有效视场范围；建立了其运动场景序列图像采集中避免运动模糊现象的数学模型；优化设计和制作了实验装置，实现了对特定景深范围内目标的高速、高解析度的大视角三维成像。3、结构光三维测量系统的标定技术针对上述两项研究工作，发明了采用平面显示屏生成主动光源标定板的方法；先后提出“基于已知标定板空间位置”和“基于立体视觉原理”的多点拟合结构光的标定方法；提出了同步光路旋转大视角成像系统的标定方法；并通过实验验证了上述理论能有效提高三维测量系统的精度。4、人体局部高解析度三维真彩色/远红外成像技术阐述了不同视觉传感器间图像融合的过程，建立了二维远红外热像图与二维真彩色图中划定小区域间的映射关系；设计和制作了实验装置，实现了高解析度的人体三维真彩色/远红外成像，获取了高精度的三维远红外热像图。5、基于金膜反射光路旋转的大视角远红外立体成像技术发明了基于光路旋转的远红外立体成像的方法，讨论了其运动场景序列图像采集中避免运动模糊现象的数学模型；设计和制作了面向人体全身应用的基于金膜反射光路旋转的远红外成像的实验装置，实验证明该方法能够实现大视角远红外成像和基于立体视觉原理的三维远红外成像，并且能够集成于基于同步光路旋转的大视角三维远红外成像系统中。6、三维远红外热像图实现内部热源无损测温技术介绍了面向人体局部近似均匀组织的传热学基本理论；实验验证了点(球)状热源在同种均匀组织中是以等温球面的形式进行热传递的；在三维远红外热像图中提取了等温球面上非共面的点集，求取了在均匀组织中点(球)状热源的空间位置和各等温球面的半径；以傅立叶定律等温球壁模型为基础，实现了三维热像图对点(球)状热源在蜡块和离体动物组织中的无损测温；同时，以傅立叶定律双层等温圆筒壁模型为基础，实现了三维热像图对线(柱)状热源在两层离体动物组织中的无损测温。上述研究成果能够被广泛应用于医学和其他工程领域，通过产业化的推广与改进，能够更好的服务于社会和人类。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-17
第一章绪论  17-25
  1.1 课题的研究意义  17-19
  1.2 主要相关技术的国内外研究现状  19-22
    1.2.1 人体三维成像技术  19-21
    1.2.2 体表热像图获取技术  21-22
    1.2.3 热像图对内部热源无损测温技术  22
  1.3 本文的主要工作  22-25
第二章人体局部结构光三维成像的研究  25-48
  2.1 基于三角法的结构光三维成像原理  25-27
  2.2 三维成像特性的分析  27-32
    2.2.1 结构光投影的三种方式  27-28
    2.2.2 结构光三角法成像特性的分析  28-29
    2.2.3 投影结构光中心选取的误差对测量精度的影响  29-31
    2.2.4 阴影效应的影响  31-32
  2.3 纵向移动面阵投影实现高解析度三维成像  32-35
  2.4 面阵投影结构光的优化布局  35-43
    2.4.1 避免相邻结构光成像时互搭的条件  35-36
    2.4.2 会聚光源面阵投影方式的结构光优化布局  36-39
    2.4.3 平行光源面阵投影方式的结构光优化布局  39-43
  2.5 空间有效视场范围的分析  43-44
  2.6 高解析度三维成像系统的设计  44-47
  2.7 本章小结  47-48
第三章人体大视角三维成像的研究  48-69
  3.1 同步扫描三维成像的基本特征  48-53
    3.1.1 同步扫描三维成像的基本原理  48-49
    3.1.2 “大摆镜”方案的基本数学模型  49-51
    3.1.3 “小摆镜”方案的基本数学模型  51-53
  3.2 面阵投影同步光路旋转三维成像系统  53-57
    3.2.1 面阵投影的“大摆镜”同步光路旋转方案  53-55
    3.2.2 面阵投影的“小摆镜”同步光路旋转方案  55-57
  3.3 扫描时成像运动模糊模型  57-64
    3.3.1 CCD 摄像机的成像机理  57-58
    3.3.2 扫描时成像运动模糊模型  58-59
    3.3.3 避免图像采集运动模糊的方法  59-64
  3.4 空间扫描轨迹和有效视场范围的分析  64-66
    3.4.1 同步光路旋转三维成像系统的空间扫描轨迹  64-65
    3.4.2 同步光路旋转三维成像系统有效视场范围的分析  65-66
    3.4.3 人体大视角三维成像系统基本结构参数的选择  66
  3.5 人体大视角三维成像系统的光机电一体化设计  66-67
  3.6 本章小结  67-69
第四章结构光三维测量系统的标定  69-102
  4.1 现有成像传感器的标定方法  69-73
    4.1.1 成像传感器的透视变换模型  69-71
    4.1.2 现有成像传感器主要标定方法的介绍  71-73
  4.2 平面显示屏生成标定板  73-74
  4.3 结构光的标定  74-79
    4.3.1 “基于已知标定板空间位置”的多点拟合结构光标定  75-77
    4.3.2 “基于立体视觉方法”的多点拟合结构光标定  77-79
  4.4 光学扫描部分的标定  79-92
    4.4.1 理想条件下的摆镜标定  79-82
    4.4.2 转轴倾斜条件下的摆镜标定  82-85
    4.4.3 标定板倾斜条件下的摆镜标定  85-86
    4.4.4 一般条件下的摆镜标定  86-90
    4.4.5 等间隔旋转角度上摆镜空间位置的确定  90-92
  4.5 三维测量系统的标定实验  92-98
    4.5.1 摄像机的标定过程  92-93
    4.5.2 结构光的标定过程  93-95
    4.5.3 摆镜空间位置的标定过程  95-98
  4.6 三维测量系统的实验数据分析  98-101
    4.6.1 结构光三维测量系统的实验数据分析与讨论  98-99
    4.6.2 大视角三维测量系统的实验数据分析与讨论  99-101
  4.7 本章小结  101-102
第五章三维远红外热像图及其封闭等温曲线上点的获取  102-126
  5.1 基于空间几何映射的三维数据与二维图像间的融合  102-111
    5.1.1 系统坐标系的统一  102-105
    5.1.2 从三维数据出发建立的映射关系  105-106
    5.1.3 三维远红外/真彩色成像系统的工作模式  106-107
    5.1.4 三维远红外/真彩色成像系统的实验分析  107-111
    5.1.5 高解析度三维远红外成像系统的其他设计方案  111
  5.2 基于光路旋转立体视觉原理的三维远红外成像方法  111-117
    5.2.1 像点移动速度与摆镜旋转速度间的数学模型  112
    5.2.2 基于光路旋转的立体视觉三维成像方法  112-113
    5.2.3 基于光路旋转的远红外成像系统的有效视场分析  113-114
    5.2.4 远红外成像运动模糊分析  114-115
    5.2.5 基于光路旋转的立体视觉三维远红外成像实验  115-117
    5.2.6 基于同步光路旋转的大视角三维远红外成像系统的讨论  117
  5.3 三维远红外热像图中封闭等温曲线上点的获取  117-124
    5.3.1 二维远红外热像图中封闭等温曲线上点的获取过程  117-120
    5.3.2 滤波处理对二维远红外热像图中封闭等温曲线上点的影响  120-121
    5.3.3 三维远红外热像图中封闭等温曲线上点的获取过程  121-124
  5.4 本章小结  124-126
第六章稳态温度场条件下三维远红外无损测温的研究  126-140
  6.1 面向人体局部近似均匀组织的传热学基本理论  126-128
    6.1.1 傅立叶定律  126-127
    6.1.2 斯蒂芬-玻尔兹曼定律  127-128
  6.2 点(球)状热源在同种均匀组织中以等温球面波形式热传导的实验证明  128-131
  6.3 三维远红外热像图实现体内热源无损测温  131-134
  6.4 三维远红外热像图实现离体动物组织稳态热场的无损测温  134-138
  6.5 本章小结  138-140
第七章总结与展望  140-144
  7.1 全文工作的总结  140-142
  7.2 未来工作的展望  142-144
参考文献  144-151
攻读博士学位期间发表的论文及专利  151-153
攻读博士学位期间荣获涉及科研方面的各项荣誉  153-154
致谢  154-155

人体三维远红外成像及其测温的研究

内容摘要

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