光学相干层析应变场的复矢量估计方法、设备及存储介质

本发明涉及图像处理，具体涉及是一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法、设备及存储介质。

背景技术：

1、相衬光学相干层析成像是一种层析全场形变测量新方法，它具有微米级层析分辨率和微应变级测量灵敏度。该方法在测量过程中从物体变形前后时刻采集干涉光谱，通过建立不同时刻干涉光谱的差分相位与被测物体层析位移之间的线性映射关系，可实现力、热、化学载荷下物体内部弹性特性的表征与测试。该方法被应用于生物医学诊断和工业无损检测领域，如医学诊断、聚合物固化监测等。

2、传统上，光学相干层析应变场估计的关键步骤是先将卷绕的差分相位进行解卷绕处理后映射得到层析位移场，然后对层析位移场求梯度得到深度应变场。其中，相位解卷绕或解包裹是光学测量领域的一类常见问题，目前已有国内外学者开发了多种算法，如质量导向法、枝切法等。但受层析成像过程材料内部多重散射的影响，相衬光学相干层析成像中差分相位通常具有很强的噪声，使得一些相位解包裹算法对差分相位进行解包裹处理时产生误差较高，进而导致后续梯度和应变计算失效。

3、卷绕的差分相位是不能直接进行相位梯度估计的原因是由于相位不连续，其值域被限制在[-π，π]中。但若将相位复数化即看成复矢量则复矢量相位在复数域上则是连续的。因此，在相位复矢量化思路下，可以绕开解卷绕处理。按照梯度定义，可利用某空间点的复矢量相位乘以相邻位置的共轭相位去估算深度梯度分布。若要考虑在差分相位中存在高噪声，直接相邻两点复矢量梯度估计会引入严重的梯度噪声，可能需要梯度估计前后进行抑噪处理保证较准确的应变结果。

技术实现思路

1、本发明针对以上问题，提供一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法、设备及存储介质，在避免梯度估计前后的抑噪步骤同时，有效计算出光学相干层析应变场。

2、采用的技术方案是，一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法，包括以下步骤：

3、s1.将二维差分相位图像复矢量化处理，得到相位矩阵；

4、s2.将相位矩阵逐列并沿行进方向进行相位梯度估计，得到相位梯度矩阵；

5、s3.将相位梯度矩阵与比例因子相乘，得到深度应变场。

6、进一步的，s1中，将像素大小为m×n的二维差分相位图像中每个像素值转换为作为在复数域中一个矢量，其中u和v为图像的行、列坐标。

7、进一步的，s2中，选取滑动窗口为2l+1，逐列并沿行方向滑动选取2l+1个复矢量相位矩阵元素集，用于梯度估计；

8、其中k为相位矩阵的滑动列坐标，k的取值范围为[l+1,n－l]。

9、可选的，s2中，5≤2l+1≤m/50

10、可选的，s2中，定义2l+1个复矢量相位矩阵元素集的拟合函数为其中是2l+1个相位序列的期望，其取值为[-π，π]，μ是2l+1个相位的平均斜率或者梯度，l的取值为[-l,l]。

11、可选的，s2中，定义目标优化函数为计算出和μ的估计值，其中abs{}为求模函数,argmin{}表示使目标函数取最小值时的变量值，对优化目标采用迭代的算法进行求解，逐列并沿行滑动窗口完成梯度估计，可估计出(m－2l)×n相位梯度矩阵。

12、进一步的，s3中，定义比例因子ξ＝δ*λ/(4π)，其中δ为相位图像中深度分辨率，λ为光学相干层析成像技术中所使用宽带光源的中心波长，深度应变场ε等于相位梯度矩阵μ乘以比例因子ξ。

13、可选的，深度分辨率δ可通过在相位图像或者层析图像中已知物体深度和比例原则换算得到，中心波长λ可通过宽带光源提供商已知或光谱仪测定得到。

14、本申请还提供了一种用于光学相干层析应变场复矢量估计的设备，包括处理器和存储器，该存储器用于存储计算机程序，处理器用于调用并运行存储器中存储的计算机程序，执行光学相干层析应变场的复矢量估计方法。

15、本申请还提供了一种用于光学相干层析应变场复矢量估计的存储介质，用于存储计算机程序，计算机程序使得计算机执行光学相干层析应变场的复矢量估计方法。

16、本发明的有益效果至少包括以下之一；

17、1、本发明通过将卷绕相位复矢量化处理后在复数域上连续，从而省略了相位解卷绕步骤。

18、2、本发明通过滑动窗口中进行复矢量梯度估计，省略了实际计算中复矢量相位梯度计算前后的抑噪步骤，同时能算出较为准确的深度应变场。

技术特征：

1.一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法，其特征在于，s1中，将像素大小为m×n的二维差分相位图像中每个像素值转换为作为在复数域中一个矢量，其中u和v为图像的行、列坐标。

3.根据权利要求2所述的一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法，其特征在于，s2中，选取滑动窗口为2l+1，逐列并沿行方向滑动选取2l+1个复矢量相位矩阵元素集，用于梯度估计；

4.根据权利要求3所述的一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法，其特征在于，s2中，5≤2l+1≤m/50。

5.根据权利要求4所述的一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法，其特征在于，s2中，定义2l+1个复矢量相位矩阵元素集的拟合函数为其中是2l+1个相位序列的期望，其取值为[-π，π]，μ是2l+1个相位的平均斜率或者梯度，l的取值为[-l,l]。

6.根据权利要求5所述的一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法，其特征在于，s2中，定义目标优化函数为计算出和μ的估计值，其中abs{}为求模函数,argmin{}表示使目标函数取最小值时的变量值，对优化目标采用迭代的算法进行求解，逐列并沿行滑动窗口完成梯度估计，可估计出(m－2l)×n相位梯度矩阵。

7.根据权利要求6所述的一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法，其特征在于，s3中，定义比例因子ξ＝δ*λ/(4π)，其中δ为相位图像中深度分辨率，λ为光学相干层析成像技术中所使用宽带光源的中心波长，深度应变场ε等于相位梯度矩阵μ乘以比例因子ξ。

8.根据权利要求7所述的一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法，其特征在于，s3中，深度分辨率δ可通过在相位图像或者层析图像中已知物体深度和比例原则换算得到，中心波长λ可通过宽带光源提供商已知或光谱仪测定得到。

9.一种用于光学相干层析应变场复矢量估计的设备，其特征在于，包括：

10.一种用于光学相干层析应变场复矢量估计的存储介质，其特征在于：用于存储计算机程序，所述计算机程序使得计算机执行如权利要求1至8中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及是一种光学相干层析应变场的复矢量估计方法、设备及存储介质，先将二维差分相位图像复矢量化处理，得到相位矩阵，然后将相位矩阵逐列并沿行进方向进行相位梯度估计，得到相位梯度矩阵，最后将相位梯度矩阵与比例因子相乘，得到深度应变场，这样通过将卷绕相位复矢量化处理后在复数域上连续，从而省略了相位解卷绕步骤，同时通过滑动窗口中进行复矢量梯度估计，省略了实际计算中复矢量相位梯度计算前后的抑噪步骤，同时能算出较为准确的深度应变场。

技术研发人员：黄频波,蒲杰,吕哲昊,陈延玉,刘津宇
受保护的技术使用者：成都航空职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14