一种基于调制传递函数的激光反射层析成像质量评价方法

1.本发明属激光雷达成像技术领域，尤其涉及一种基于调制传递函数的激光反射层析成像质量评价方法。


背景技术：

2.激光反射层析成像是一种兼顾远距离和高分辨率成像的新型激光雷达成像技术，最早由parker j k于1988年提出(parker j k,craig e b,klick d i,et al.reflective tomography:images from rangeresolved laser radarmeasurements[j].appl opt,1988,27(13):2642-2643)。这项技术是通过激光雷达探测目标的多个角度并收集回波信号，获取目标多角度的深度信息，利用成像算法来计算重构目标的断层面轮廓图像。而成像质量评价作为成像系统优劣的重要表征，是整个评价体系中极为重要的一部分，对研发满足高分辨率空间目标探测要求的激光反射层析成像系统具有重要意义。
[0003]
现有的成像质量评价方法主要包括目测或选取特定参数，目前主要采用归一化均方根距离、归一化平均绝对值距离测量值等参数来定量评估激光反射层析成像质量(杨彪,胡以华.代数迭代法在激光反射断层成像目标重构中的应用[j].红外与激光工程,2019,48(7):0726002.)。
[0004]
现有技术通常采用归一化均方根距离、归一化平均绝对值距离测量值来评价图像质量，其中归一化均方根距离测量值表达式为：
[0005][0006]
式中，t
i,j
和r
i,j
分别表示理想图像和重建图像中像素坐标(i,j)处的像素灰度值，表示理想的重建图像各像素点灰度的平均值。该参数对图像中的大误差、少数点比较敏感，当实际重建图像与理想重建图像某点存在较大误差是会使该值迅速增大。
[0007]
归一化平均绝对值距离测量值表达式为：
[0008][0009]
该参数对整幅重建图像的多数点、小误差比较敏感，它是对全局误差的一个累积表征。
[0010]
现有方法虽然能够在一定程度上对重构图像的质量进行评价，但是无法将评价结果反馈到成像系统的成像质量上去。同时，这些方法均需要重构图像与先验图像作对比才能反映出所得重构图像的质量，由于采用整幅图像与先验图像进行对比，这些方法也极易
受到伪影等因素的干扰，在面对较复杂情况时评价结果存在较大偏差，且空间目标通常为非合作目标，获取目标先验图像也是十分困难的。


技术实现要素：

[0011]
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于调制传递函数的激光反射层析成像质量评价方法，所述方法包括如下步骤：
[0012]
步骤1，选取反射率分布均匀的目标，并使用激光反射层析成像系统对被选取的目标进行成像，获得所述目标在垂直于探测方向上的平面投影图像，并截取部分含有目标边缘信息的重构图像；
[0013]
步骤2，从获得的所述平面投影图像中提取重构图像的边缘扩散函数；
[0014]
步骤3，对所述边缘扩散函数求微分得到所述目标图像的线扩散函数；
[0015]
步骤4，对所述目标图像的线扩散函数进行平滑后做拟合处理，得到所述目标图像的准确的线扩散函数，将拟合后的所述线扩散函数作一维傅里叶变换得到所述激光反射层析成像系统的光学传递函数otf；
[0016]
步骤5，对所述光学传递函数otf取模，以得到所述激光反射层析成像系统关于空间频率的调制传递函数mtf；
[0017]
步骤6，依据所述空间频率与距离分辨率的关系公式，将所述空间频率转换为所述距离分辨率，以获得基于所述距离分辨率的调制传递函数，使用基于所述距离分辨率的调制传递函数完成对激光反射层析成像质量的评价。
[0018]
进一步的，步骤1包括获得表示所述目标边缘信息的阶跃函数，所述阶跃函数g(x)等于输入阶跃函数与系统函数step(x)的乘积。
[0019]
进一步的，步骤1还包括：从重构图像中提取包含有目标轮廓的部分图像内容，对所述部分图像内容执行归一化处理得到表征所述目标轮廓的亮度分布的灰度图像。
[0020]
进一步的，步骤2还包括以下子步骤：
[0021]
步骤2.1，根据所述灰度图像的像素灰度分布矩阵，查找每一行数据的最大值作为临界点；
[0022]
步骤2.2，连接所述像素灰度分布矩阵的各行的所述临界点，将所述像素灰度分布矩阵分割为两部分，并选取靠近背景一侧的图像作为后续处理的像素矩阵；
[0023]
步骤2.3，将所述灰度图像沿横轴方向进行差分和平滑处理，使用最大类间方差法得到图像全局阈值，通过canny算子检测和定位所述图像的边缘位置和边缘的方向；
[0024]
步骤2.4，通过边缘点附近灰度值求解边缘扩散函数esf(x)，并对esf 曲线作平滑处理，所述平滑处理包括：通过高斯加权多项式拟合获得平滑的esf 曲线。
[0025]
进一步的，步骤2中的边缘扩散函数esf(x)表述为所述激光反射层析成像系统的点扩散函数psf(x)与所述阶跃函数g(x)的卷积。
[0026]
进一步的，步骤3包括将边缘扩散函数esf(x)微分获得线扩散函数lsf (x)。
[0027]
进一步的，步骤5还包括绘制边缘扩散函数esf(x)的曲线和对应的线扩散函数lsf(x)的曲线。
[0028]
进一步的，步骤6包括：所述空间频率转换为所述距离分辨率的关系式表征为：空间频率间隔为采样数量和空间取样间隔的乘积的倒数。
[0029]
进一步的，步骤6还包括：利用所述空间频率与所述距离分辨率的关系求解得到mtf值关于所述距离分辨率的函数曲线，再通过高斯拟合的方法得到准确的mtf曲线。
[0030]
进一步的，步骤6还包括：得到所述准确的mtf曲线后，将5％-10％的mtf 值作为成像系统的极限距离分辨率。
[0031]
采用本发明所述的基于调制传递函数的激光反射层析成像质量评价模型能够准确直观地反映该系统在不同距离分辨率要求下的成像质量。相比于通过不同数值相结合的评价方法，基于mtf曲线的lrt成像质量评价方法的优势在于：
[0032]
1、数值评价方法需要先验图像作为参考才能够评价lrt成像质量，由于在实际应用中所探测的目标通常为非合作目标，几乎无法获取目标的先验图像，因此应用场景较为有限；本文提出的评价方法无需与先验图像比较，仅靠最终得到的重构图像即可实现对lrt成像质量的评价。
[0033]
2、数值评价方法通常以整幅图像作为输入图像来求解数值，受伪影等因素的影响较大，甚至可能出现质量较差的图像反而数值更大的情况，评价结果误差较大；本文提出的评价方法只截取含有边缘信息的部分图像，几乎不受伪影的影响，所得结果更为准确。
[0034]
3、数值评价方法的输出结果为某一数值或多个数值相结合，仅能代表重构图像质量的优劣，所表征的信息有限；而本文提出的评价方法可直观地反映lrt 成像系统在不同距离分辨率情况下的成像质量，所含信息更加丰富。
附图说明
[0035]
图1为本发明提出的基于调制传递函数的激光反射层析成像质量评价方法流程图；
[0036]
图2为本发明提出基于调制传递函数的激光反射层析成像质量评价方法实施例1流程图；
[0037]
图3截取的含有目标边缘信息的图像；
[0038]
图4平滑后的边缘扩散函数曲线；
[0039]
图5拟合后的线扩散函数曲线；
[0040]
图6基于距离分辨率的mtf曲线。
具体实施方式
[0041]
激光反射层析成像质量评价作为激光反射层析成像系统优劣的重要表征，是整个评价体系中极为重要的一部分，对研发满足高分辨率空间目标探测要求的激光反射层析成像系统具有重要意义。
[0042]
本发明提出了一种基于调制传递函数的激光反射层析成像质量评价方法，通过将传统光学成像质量评价方法中调制传递函数的概念引入到激光反射层析成像质量评价中，实现了在没有先验图像作为参考的情况下通过基于距离分辨率的调制传递函数曲线来准确评价激光反射层析成像质量的目的。该方法将有助于针对性地对成像系统及算法性能进行改进和提升，便于筛选质量更高的重构图像和节约系统设计成本，对激光反射层析成像技术的实际应用意义重大。
[0043]
本发明所述的基于调制传递函数的激光反射层析成像质量评价方法，其流程图如
图1所示，这种方法将传统光学成像质量评价方法中调制传递函数的概念引入到激光反射层析成像质量评价中。考虑到激光反射层析成像系统与传统光学系统相比有着很大的差异：一是激光反射层析成像系统相较于传统光学系统来说成像过程更为复杂，探测端只能接收到目标深度信息与时间的一维回波数据，需要重构算法处理回波数据才能够获得目标的轮廓图像，并不能直接对目标本身进行成像；二是影响两者成像质量的参数不同；三是在激光反射层析成像系统对目标成像过程中会产生伪影等干扰因素，这也是传统光学成像系统所不具有的。因此，该方法对调制传递函数的表征方式做出改进，使其更直观地体现成像质量随距离分辨率的变化。
[0044]
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
[0045]
本发明提出了一种基于调制传递函数的激光反射层析成像质量评价方法，所述方法包括如下步骤：
[0046]
步骤1，选取反射率分布均匀的目标，并使用激光反射层析成像系统对被选取的目标进行成像，获得所述目标在垂直于探测方向上的平面投影图像，并截取部分含有目标边缘信息的重构图像；
[0047]
步骤2，从获得的所述平面投影图像中提取重构图像的边缘扩散函数；
[0048]
步骤3，对所述边缘扩散函数求微分得到所述目标图像的线扩散函数；
[0049]
步骤4，对所述目标图像的线扩散函数进行平滑后做拟合处理，得到所述目标图像的准确的线扩散函数，将拟合后的所述线扩散函数作一维傅里叶变换得到所述激光反射层析成像系统的光学传递函数otf；
[0050]
步骤5，对所述光学传递函数otf取模，以得到所述激光反射层析成像系统关于空间频率的调制传递函数mtf；
[0051]
步骤6，依据所述空间频率与距离分辨率的关系公式，将所述空间频率转换为所述距离分辨率，以获得基于所述距离分辨率的调制传递函数，使用基于所述距离分辨率的调制传递函数完成对激光反射层析成像质量的评价。
[0052]
进一步的，步骤1包括获得表示所述目标边缘信息的阶跃函数，所述阶跃函数g(x)等于输入阶跃函数与系统函数step(x)的乘积。
[0053]
结合附图1和2，所述方法的具体步骤为：
[0054]
选取反射率分布均匀的目标并对该目标通过激光反射层析成像系统进行成像，得到该平面在垂直于探测方向上的投影图像，并截取部分含有目标边缘信息的重构图像。该标靶可用阶跃函数表示为：
[0055]
g(x)＝step(x)i(y)
[0056]
其中，step(x)为输入阶跃函数，i(y)是系统函数。
[0057]
步骤1还包括：从重构图像中提取包含有目标轮廓的部分图像内容，对所述部分图像内容执行归一化处理得到表征所述目标轮廓的亮度分布的灰度图像。
[0058]
进一步的，步骤2还包括以下子步骤：
[0059]
步骤2.1，根据所述灰度图像的像素灰度分布矩阵，查找每一行数据的最大值作为临界点；
[0060]
步骤2.2，连接所述像素灰度分布矩阵的各行的所述临界点，将所述像素灰度分布矩阵分割为两部分，并选取靠近背景一侧的图像作为后续处理的像素矩阵；
[0061]
步骤2.3，将所述灰度图像沿横轴方向进行差分和平滑处理，使用最大类间方差法得到图像全局阈值，通过canny算子检测和定位所述图像的边缘位置和边缘的方向；
[0062]
步骤2.4，通过边缘点附近灰度值求解边缘扩散函数esf(x)，并对esf曲线作平滑处理，所述平滑处理包括：通过高斯加权多项式拟合获得平滑的esf 曲线。
[0063]
具体计算是通过原始esf与ones(a,1)/a卷积得到的，其中ones(a,1)是长度为a的全是1的数组，a取值任意，越大越准确。
[0064]
进一步的，步骤2中的边缘扩散函数esf(x)表述为所述激光反射层析成像系统的点扩散函数psf(x)与所述阶跃函数g(x)的卷积。
[0065]
在得到标靶图像后便可从中提取边缘扩散函数esf。边缘扩散函数esf可视为该成像系统的点扩散函数psf与该结缘函数的卷积，表示为：
[0066]
esf(x)＝g(x)*psf(x)
[0067]
式中，psf(x)为点扩散函数矩阵。
[0068]
进一步的，步骤3包括将边缘扩散函数esf(x)微分获得线扩散函数lsf (x)。
[0069]
根据线性叠加原理，边缘扩散函数esf与线扩散函数lsf存在关系，可将边缘扩散函数esf视作线扩散函数lsf的积分，表示为：
[0070][0071]
通过对边缘扩散函数esf求微分来得到线扩散函数lsf，即
[0072][0073]
获得线扩散函数lsf后，对其进行平滑后再做拟合处理，得到较为准确的线扩散函数lsf，通过将拟合后的线扩散函数lsf进行一维傅里叶变换得到该激光反射层析成像系统的光学传递函数otf。
[0074]
对光学传递函数otf取模即可得到该系统关于空间频率的调制传递函数mtf 曲线，即：
[0075]
mtf＝|otf|
[0076]
进一步的，步骤5还包括绘制边缘扩散函数esf(x)的曲线和对应的线扩散函数lsf(x)的曲线。
[0077]
进一步的，步骤6包括：步骤6包括：频率域与对应离散空间取样间隔的关系式表征为：空间频率间隔为采样数量和空间取样间隔的乘积的倒数。
[0078]
依据空间频率与距离分辨率的关系r＝1/f将两者代换，得到关于距离分辨率的调制传递函数mtf曲线，以此实现对激光反射层析成像质量的评价。
[0079]
进一步的，步骤6还包括：利用所述空间频率与所述距离分辨率的关系求解得到mtf值关于所述距离分辨率的函数曲线，再通过高斯拟合的方法得到准确的mtf曲线。
[0080]
进一步的，步骤6还包括：得到所述准确的mtf曲线后，将5％-10％的mtf 值作为成像系统的极限距离分辨率。
[0081]
实施例2
[0082]
1.选取反射率分布均匀的目标并对该目标通过激光反射层析成像系统进行成像，得到该平面在垂直于探测方向上的投影图像，并从重构图像中提取包含有目标轮廓的部
分，对该部分进行归一化处理得到可表征被选取目标轮廓亮度分布的灰度图像，如图3所示。
[0083]
2.根据该灰度分布矩阵，寻找每一行数据的最大值作为临界点将该矩阵分割为两部分，并选取靠近背景一侧的图像作为后续处理的矩阵。对该图像沿横轴方向进行差分并平滑图像，使用最大类间方差法得到图像全局阈值，通过 canny算子检测和定位边缘位置和方向。确定边缘区域后，通过边缘点附近灰度值求解esf曲线并作平滑处理，结果如图4所示。
[0084]
3.求解esf的目的在于绘制lsf曲线。lsf是线光源(宽度趋近于0)的像中光线的光照度或亮度的分布情况的数学描述，是成像系统通过对线光源成像后获得的光源亮度分布。但是能够作为求解lsf曲线的线光源要求十分苛刻，因此在实际应用过程中可通过对esf求导获得。在对求解的lsf曲线进行拟合后，所得lsf曲线结果如图5所示。
[0085]
4.对lsf曲线作快速傅里叶变换，得到激光反射层析成像系统的mtf值，同时通过空间取样间隔与对应频率间隔的关系，绘制激光反射层析成像系统的 mtf曲线。频率域与对应离散空间变量间隔的关系表达式如下：
[0086][0087]
式中，δu为空间频率间隔，n为采样数量，δx为空间间隔。此时该mtf曲线是关于空间频率的函数，通过空间频率与距离分辨率的关系，可以求解得mtf值关于距离分辨率的函数曲线，再通过高斯拟合的方法得到较为准确的mtf曲线，结果如图6所示。
[0088]
从图6中可以看出，随着分辨距离的增大，mtf值越来越高，即成像质量也越来越好。当mtf值接近1时，表示激光反射层析成像系统在此距离分辨率下可获得目标的绝大部分轮廓信息，能够得到质量较高的目标图像；当mtf值趋近于0时，该成像系统在相对应距离分辨率处的成像质量很差，无法满足对目标成像的距离分辨率要求。
[0089]
理论上，激光反射层析成像系统的距离分辨率计算表达式为：
[0090][0091]
式中，c为光速，τ为脉宽。但在实际情况下，激光反射层析成像链路中的每个部分都会对成像质量产生一定的影响，在综合考虑探测器响应时间、ad数据采集模块时间误差等因素后，本实验系统的实际距离分辨率应约为1.54cm。
[0092]
在mtf曲线的实际应用中，当mtf值低于5％-10％时便可导致对比度过低，从而使观察者无法清晰辨别其差异。因此，过分追求mtf＝0时所对应的距离分辨率是没有意义的，通常以5％-10％mtf值作为成像系统能够达到的成像分辨率。图6中，10％mtf值处所对应的距离分辨率为1.587cm，这与之前通过计算得到的距离分辨率大致相等。同时，由于重构算法、拟合方式以及计算误差等因素的影响，其10％mtf值所对应的距离分辨率存在轻微波动的现象，两者之间仍存在有些许的误差，但是误差较小，该mtf曲线仍能够较准确直观地描述激光反射层析成像系统的成像质量。
[0093]
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技
术方案的精神和范围。