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(lèi)認(rèn)識(shí)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(lèi)認(rèn)識(shí)物體的最主要的信息源。但是因?yàn)榕臄z設(shè)備、拍攝環(huán)境、以及人的狀態(tài)等多種因素，圖像與實(shí)際的景象一定會(huì)存在差異，有的因?yàn)樵O(shè)備原因拍出來(lái)的圖像很暗，還有的因?yàn)榫劢箚?wèn)題導(dǎo)致圖像和實(shí)際場(chǎng)景失真等等，這些圖像就會(huì)出現(xiàn)一些非信息性的暗區(qū)，給圖像處理帶來(lái)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(cuò)誤的結(jié)果。

直接和間接檢眼鏡在眼科檢查項(xiàng)目中，一般通過(guò)強(qiáng)光或較強(qiáng)光透過(guò)瞳孔對(duì)視網(wǎng)膜進(jìn)行照射，來(lái)觀察視網(wǎng)膜的病理結(jié)構(gòu)，這種強(qiáng)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(duì)于病理性眼球卻可能造成眼球的永久性損傷。

針對(duì)此問(wèn)題，20世紀(jì)70年代以來(lái)，通過(guò)激光完成對(duì)眼睛的掃描方法，越來(lái)越多，激光掃描檢眼鏡是由波士頓Scheoens研究所研制，其通過(guò)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(gè)點(diǎn)，反射光由光檢測(cè)器接收放大，一點(diǎn)一點(diǎn)地獲得眼底點(diǎn)圖形，再通過(guò)電子計(jì)算機(jī)進(jìn)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(shí)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(jī)成像方法，通過(guò)相機(jī)鏡頭平面、激光焦平面和物平面交于一線，符合沙姆定律實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行結(jié)合，同時(shí)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(kāi)激光掃描儀，激光掃描儀發(fā)射出激光后，通過(guò)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(guò)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(zhǎng)的RGB激光進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)，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(guò)調(diào)節(jié)激光掃描儀上激光曝光時(shí)間，通過(guò)橫向掃描垂直狹縫光，滿(mǎn)足眼球斜角位置的相機(jī)實(shí)現(xiàn)受檢眼眼球的全面掃描，滿(mǎn)足眼球斜角位置的相機(jī)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(jī)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(guò)對(duì)激光掃描儀測(cè)量頭的水平移動(dòng)，完成對(duì)受檢眼前眼部斷層成像；旋轉(zhuǎn)掃描的方法：通過(guò)對(duì)相機(jī)獨(dú)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(jī)掃描，相機(jī)在不同位置獲取多個(gè)受檢眼前眼部斷層圖像；

（5）通過(guò)控制RGB激光曝光時(shí)間獲取受檢眼前眼部斷層圖像，并進(jìn)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(guò)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(guò)穿孔鏡投到第二個(gè)穿孔鏡處，第二個(gè)穿孔鏡將圖像反射到第二反射鏡，通過(guò)第二反射鏡將圖像反射到觀察鏡，與此同時(shí)，相機(jī)會(huì)對(duì)第二個(gè)穿孔鏡中的圖像進(jìn)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(guò)歐式變換對(duì)激光進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移變換，并將該變換構(gòu)成一個(gè)群集，x’=[R t]x，其中R是一個(gè)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(jī)通過(guò)RGB激光采集圖像經(jīng)過(guò)處理輸出一個(gè)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(gè)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(guò)對(duì)每個(gè)通道乘以不同的尺度因子來(lái)增加每個(gè)像素的亮度，調(diào)整每個(gè)像素的色調(diào)和飽和度，來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像色彩平衡，即將RGB映射到XYZ彩色空間，改變標(biāo)稱(chēng)點(diǎn)，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(guò)分析，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)問(wèn)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(gè)問(wèn)題可以通過(guò)結(jié)合不同的曝光度圖像的像素直接生成合成圖來(lái)處理，但這種方法有對(duì)比度反轉(zhuǎn)和光環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)，我們經(jīng)常采用下面三個(gè)步驟來(lái)處理。

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

其中tj是第j幅圖像的曝光時(shí)間，Ei是幅照度值，通過(guò)對(duì)其逆可表達(dá)式進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，顯示曝光輸入圖像以及對(duì)應(yīng)的輻照度圖。

從配準(zhǔn)的圖像中利用貝葉斯模型對(duì)每幅圖像估計(jì)一個(gè)獨(dú)立的光滑響應(yīng)函數(shù)，該函數(shù)模擬當(dāng)前圖片的自動(dòng)對(duì)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(guò)從不同曝光度的圖像中選擇或者混合像素來(lái)估計(jì)輻射照度圖，就是設(shè)計(jì)一個(gè)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(méi)有噪聲，我們就可以通過(guò)用逆響應(yīng)曲線E=g(z)來(lái)映射任何一個(gè)非飽和的像素值從而估計(jì)出對(duì)應(yīng)的輻照?qǐng)D。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(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，采用一個(gè)加權(quán)函數(shù)來(lái)補(bǔ)償色調(diào)居中的函數(shù)，利用權(quán)重w來(lái)形成最終的輻照度估計(jì)。

（3）我們采用一種基于交互的方法，在每個(gè)像素設(shè)定目標(biāo)曝光值，并通過(guò)插值進(jìn)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(duì)數(shù)曝光度，數(shù)據(jù)加權(quán)項(xiàng)wd(x,y)在設(shè)立處為1，其他地方為0。光滑度加權(quán)項(xiàng)ws(x,y)反比于對(duì)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(jī)成像的方法，通過(guò)相機(jī)鏡頭平面、激光焦平面和物平面交于一線，符合沙姆定律實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行結(jié)合，同時(shí)觀察眼疾及得到前眼部清晰圖像，讓其更好的滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。