激光与光电子学进展 | 陈钱教授、左超教授：简单、稳健的自适应条纹投影助力高反光表面三维成像

中北大学/南京理工大学陈钱教授、南京理工大学左超教授课题组提出了一种简单、稳健的自适应条纹投影方法，该方法能够准确测量生物组织高亮表面，并最终重建出完整、高精度的三维轮廓。相关成果以封面文章的形式发表在《激光与光电子学进展》“智能光电成像探测”专题。     

封面解读

封面展示了一种基于编码条纹投影强度自适应分布的三维测量技术。

新方案，新突破——通过编码DMD微镜阵列实现自适应亮度控制，确定过曝光区域，实现样品亮度匹配的条纹图案。

新机遇，新应用——该方法高效解码物体表面三维信息，提供高分辨率和高动态范围的数据，为工业检测、生物医学和艺术品保护等领域带来新的发展可能。

文章链接：卫自强, 丁苏东, 胡岩, 牟双, 王克惠, 桂坤, 冯世杰, 左超, 陈钱. 基于过曝连通域投影强度自适应分布的三维成像（特邀）[J]. 激光与光电子学进展,2024,61(20):2011002.

背景

结构光条纹投影法是非接触式光学测量方法中的典型技术之一。在测量高反射区域时常出现过曝光现象，导致测量精度下降。为解决这一难题，学术界提出了多种方法，如借助空间光调制器件、采用多重曝光技术等，但这些方法通常操作复杂、计算量大。因此，基于简易系统开发简便高效的测量方法，特别是针对光照环境复杂的三维测量，仍是当前研究的热点和挑战。

原理

在三维测量中，针对高反射区域的过曝光问题，研究人员提出了一种自适应投影方法。该方法首先投影一幅均匀图案至样品表面，相机采集对应的图像，并设定灰度饱和阈值以标记过曝光区域；通过连通域分析和微分算子提取，生成过曝光区域的边界掩码。然后，将相机坐标系下的过曝光边界映射到投影仪像素坐标系，考虑到相机和投影仪分辨率的差异，采用最近邻插值处理，确保坐标对应关系。在此基础上，逐级迭代降低投影空间掩码区域内的投影强度，重新生成调整后的最大输入灰度图和条纹图。

迭代过程持续进行，直至采集的最大输入灰度图中无过曝光区域，满足迭代终止条件。通过上述自适应迭代方法，可有效解决高反射区域的过曝光问题，提高三维测量的精度和可靠性。

图1最大输入灰度图迭代调整的过程示意图

应用

3.1 针对高动态生物组织样品的完整三维测量

在对鱼泡组织进行三维测量时，传统测量方法将导致样品中央出现明显的三维信息缺失现象。通过迭代自适应投影过程，逐步调整投影图案，采集相应的高频条纹图，并进行三维重建，最终有效解决了过曝光问题，完整获取了鱼泡组织的三维信息。

表1 鱼泡组织迭代自适应投影重建过程

3.2解决远程医疗场景下的病理组织切片难题

此次团队与江丰生物合作旨在解决远程医疗场景下的病理组织切片难题。基于该工作中提出的系列方法，结合医疗应用场景需求；进一步新研制了一种大视场3D测量系统，以应对体积较大的病理组织样本。专家通过远程平台界面的视频流进行标记线的绘制来交互，同时现场通过投影模组将标记线等交互信息直接显示在样品表面，从而实现身临其境、位置准确的远程交互指导。

图2 大视场病理组织3D传感系统(a)系统的3D建模；(b)针对猪心样品的彩色3D重建；(c) 针对不同生物样品纹理特征的反向交互指导功能

展望

团队将结构光技术应用于病理组织样品的三维成像中，实现了样品的全方位高精度三维成像；创新性地提出了一种反向投影取材交互方法，在远程病理诊断平台的基础上实现现场样本表面智能交互光学标记，完成智能辅助指导切片操作。这有望解决远程病理组织取材难题，并最终以全新的交互内容与形式将多年病理领域的经验与专家资源有效整合。此外，内镜医师、病理医师都能直观的了解标本病变的位置、范围、深度、距离各切缘的位置等，极大提高病理诊断的精确性，在数字病理组织三维成像及远程医疗等领域中具有广泛的潜在应用前景。将来有望携手江丰生物为中国甚至全球病理医生，在远程病理平台上提供无时空限制的数字切片诊断交流、疑难病例讨论、专家数字切片解读、病理远程教学服务。

课题组介绍

团队简介：SCILab团队合影

南京理工大学智能计算成像实验室（SCILab: www.scilaboratory.com）隶属于南京理工大学光学工程国家一级重点学科带头人陈钱教授领衔的“光谱成像与信息处理”教育部长江学者创新团队、首批“全国高校黄大年式教师团队”。实验室学术带头人左超教授为教育部长江学者特聘教授、国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）、美国光学学会会士（Optica Fellow），入选科睿唯安全球高被引科学家。实验室致力于研发新一代计算成像与传感技术，在国家重大需求牵引及重点项目支持下开展新型光学成像的机理探索、工程实践以及先进仪器的研制工作，并开拓其在生物医药、智能制造、国防安全等领域的前沿应用。研究成果已在SCI源刊上发表论文260余篇，其中43篇论文被选作 eLight/Light、AP、Optica、LPR 等期刊封面论文，22篇论文入选ESI高被引/热点论文，论文被引超过17000次。获中国光学工程学会技术发明奖一等奖、江苏省科学技术奖基础类一等奖、日内瓦国际发明展“特别嘉许金奖”等。培养研究生6人获全国光学工程优秀博士论文/提名奖，5人获中国光学学会王大珩光学奖，10人入围Light全国光学博士生学术竞赛全国百强，获“挑战杯”、“创青春”、“研电赛”全国金奖十余次，“互联网+”全国总冠军。

作者介绍

卫自强，男，南京理工大学电子工程与光电技术学院2022级硕士研究生。研究领域主要为计算机视觉和结构光三维成像。攻读硕士学位期间获第十六届全国研究生电子设计大赛技术赛华东赛区二等奖。以主要作者身份发表EI论文两篇，中文核心论文一篇。

胡岩，男，南京理工大学电子工程与光电技术学院副教授。研究领域主要为光学信息探测与处理。主持国家自然科学基金、博士后面上基金等项目。先后荣获中国仪器仪表学会科学技术奖二等奖、江苏省科学技术奖一等奖、全国光学工程学科优秀博士学位论文提名奖、江苏省光学学会青年光学科技奖、入选中国科协青年人才托举工程。

左超，工学博士，教授，博士生导师，教育部长江学者、国家“优青”、江苏省“杰青”、国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）、美国光学学会会士（Optica Fellow）。主要从事计算光学显微成像、超快三维光学传感、计算光电成像探测、先进生物医学成像等方面的研究。主持包括国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金联合基金重点项目、国家自然科学基金联合基金重点项目多项。研究成果已在SCI源刊上发表论文260余篇，其中43篇论文被选作 eLight/Light、AP、Optica、LPR 等期刊封面论文，22篇论文入选ESI高被引/热点论文，论文被引超过17000次。详情介绍见课题组网页：https://www.scilaboratory.com/

复审 | 左超
终审 | 徐峰