Ansys Speos | 内窥镜照明与成像
本示例演示了一个仿真工作流程，用于分析内窥镜相机系统在不同照明条件下的图像质量。仿真展示了在对一段肠道内部进行成像时，不同的空间和光谱照明条件如何影响图像质量。该示例还涵盖了将相机模型从 Ansys Zemax 导入到 Ansys Speos 以评估相机视觉的过程。
软件前提条件
要使用本示例，您的计算机上需要安装以下工具和资源：
·Ansys Speos 2023 R1 或更高版本
·Ansys Zemax OpticStudio 2023 R1（可选）
概述
内窥镜检查是一种医生使用专用器械来观察和操作您体内器官和血管的医疗过程。它使外科医生无需做大切口即可看到体内的病变。与大多数技术一样，内窥镜检查也在不断进步。新一代内窥镜使用高清成像技术生成细节极为丰富的图像。创新技术还将内窥镜与成像技术相结合用于外科手术。通过仿真，我们可以测试这些先进的成像技术，并对内窥镜系统设计进行改进，而无需高昂的制造成本和花费时间制造物理原型。
步骤 1：使用 Ansys Zemax OpticStudio 进行透镜系统设计（本文不做详细讨论）
在此步骤中，在 Zemax OpticStudio 中设计并优化内窥镜成像透镜系统，并导出该透镜系统的降阶模型（ROM）。该 ROM 被称为 Speos 透镜系统（SLS）。ROM 只需生成一次，之后便可用于在 Speos 中执行多种系统级相机仿真。从 Zemax 导出 ROM（*.OPTDistortion 文件）后，收集透镜组的透射信息，以评估透镜材料和镀膜对图像质量的影响。
步骤 2：Ansys Speos 仿真
将 *.OPTdistortion 文件导入到 Speos 相机传感器中，以定义相机系统的透镜性能，并在具有逼真照明条件的 3D 场景中评估传感器感知能力。运行光线追迹光度学 ROM 相机仿真（其速度比在 Speos 中进行完整透镜系统仿真快约 100 倍），并提取关键成像指标，例如从光谱辐照度图中提取。放置在成像传感器正前方的辐照度图是根据 3D 场景通过相机透镜组计算得出的。3D 辐照度图还用于映射肠道模型内壁上的光强度分布。
步骤 3：Ansys Speos 后处理
查看 3D 辐照度传感器结果，以确定几何体内的覆盖范围。通过此图，我们可以确定在距内窥镜位置一定距离处，测试几何体表面上的辐照度。我们将研究几种不同 LED 光束角度的结果。相机辐照度图使我们能够确定测试几何体内的图像质量。我们将切换两个 LED 光谱，以观察测试几何体中的差异。
运行与结果
模型运行说明及关键结果讨论
步骤 1：Ansys Zemax OpticStudio 仿真
透镜系统在 Ansys Zemax OpticStudio 中设计，并以 .OPTdistortion 文件格式导出，供 Ansys Speos 使用。
步骤 2：Ansys Speos 仿真
1.在 Speos 中打开 Speos 仿真文件 Intestine.scdocx。
2.所有仿真已预先运行并隔离，因此可以直接查看结果，无需考虑仿真时间问题。
3.创建一个相机传感器。
4.添加从 Zemax OpticStudio 获取的 *.OPTdistortion 文件及透射率数据。
5.将 3D 辐照度传感器应用到"Facets"几何体上。将"类型"设置为"光度学"，"积分类型"设置为"径向"，"层"设置为"光源"。
6.将 LED 光谱和光通量信息添加到 LED。
7.运行两个仿真。
8.隔离仿真以保存结果。（在树中右键点击仿真，选择隔离）
9.将 LED 更改为另一个光谱，重命名仿真，然后重新运行。
步骤 3：后处理
1.导航至SPEOS isolated files\Intestine\Illumination.1.speos
2.打开Illumination.3D Irradiance.1.xm3
3.将层级数调整为 30，以更好地区分最大值和最小值。
4.使用裁剪平面沿几何体纵向切割，以可视化沿肠道方向的照明分布。我们可以看到某些结构会产生阴影。相机需要移动到新位置才能成功对这些区域进行成像。
5.导航至SPEOS isolated files\Intestine\Warm White.1.speos。
6.打开Warm White.Camera.1.Irradiance.xmp
7.这里我们可以看到相机将看到的仿真图像。在此结果中，由于光源光谱的原因，我们可以看到偏黄的效果。
8.打开"测量"选项卡。
9.将测量框拖到右上角，选择 CRI 选项卡。
10.我们可以看到，与日光参考相比，该光源光谱显示出较大的偏移。这可能是理想的效果，具体取决于您在内窥镜检查研究中要寻找的颜色。
11.导航至SPEOS isolated files\Intestine\Cool White.1.speos。
12.打开Cool White.Camera.1.Irradiance.xmp
13.这里我们可以看到相机将看到的仿真图像。在此结果中，我们可以看到更接近日光的照明条件。
14.按照步骤 8 和 9 比较 CRI 差异。
我们已经展示了如何使用仿真来快速评估完整内窥镜光学系统在不同照明条件下对逼真几何体进行成像时的性能。
重要模型设置
本模型中使用的关键对象和设置说明
相机模拟：
在 Speos 中，有 3 种主要的相机模型类型可用于生成辐照度图：
1.基础相机传感器——基于针孔相机原理。
2.降阶模型（ROM）相机传感器——使用来自 Zemax OpticStudio 模型的 *.OPTdistortion 数据，也称为 Speos 透镜系统。
3.使用从 OpticStudio 导出的完整透镜系统的辐照度传感器——我们现在可以导出 CAD 部件，也可以使用 Zemax 导入工具。
在不同相机仿真之间进行选择，需在精度和仿真时间之间取得平衡。完整透镜系统是最精确的，但使用基础相机模型和 ROM 相机进行仿真要快约 100 倍。通常，对于大多数分析而言，ROM 是精度和仿真时间之间的最佳平衡，也是本项目中使用的方法。
ROM 相机传感器允许轻松修改其设置，例如：
·相机位置
·从 Zemax OpticStudio 模型导出的光传输函数（*.OPTdistortion 文件）
相机传感器位置：
在相机定义中，相机轴系、x 和 y 方向由原点系统（Camera_origin）定义。您可以使用"设计 > 编辑"面板中的"移动"工具移动"相机原点"，改变相机位置和方向以评估设计在其他场景下的性能。此外，您还可以使用"设计 > 创建"面板中的"原点"工具创建一个新原点，并将相机轴设置为新创建的原点。移动相机将使您能够确定是否实现了完整的可视化。还可以将此运动自动化，并考虑运动轨迹以及曝光时间的影响。
相机传感器光学畸变（光传输函数）：
在相机定义的"畸变"部分，可以加载扩展名为 *.OPTDistortion 的文件，该文件可作为文本文件编辑。此文件包含关于物方到像方的角度关系信息，使 Speos 能够渲染相机行为。
注意：根据相机光学元件所使用的 *.OPTDistortion 输入文件版本，可能包含来自透镜系统的不同信息。畸变曲线 V2 描述了一种增强型相机模型，该模型考虑了畸变不对称性、可变原点（入瞳点）、渐晕、分辨率和景深；而畸变曲线 V1 是简化版本，仅包含主光线角度曲线信息。下面显示了畸变曲线 V1 和 V2 的示例文件格式。
关于相机传感器设置和畸变曲线的更多详细信息，请参阅Camera Sensor (ansys.com)、Distortion Curve (ansys.com)。
光源
如在结果中所述，光源的角度扩散可能导致阴影区域，并且使用居中的路径可能无法看到测试几何体的某些部分。通过此类研究可以理解这一点。几何体可能更加复杂，成像头的移动可能有助于照亮仿真中被阴影遮盖的区域。本研究的关键要点是：相机视场边缘区域应被照明到适当水平。由于混浊度会限制可视化，远距离的照明问题相对不那么重要。
光学属性
在本研究中，我们对测试几何体的外表面使用了简单的反射率模型。该材料将具有透射散射属性，这将影响光线的路径以及表皮下感兴趣区域的可视化。这也可以在 Speos 中进行研究，但在创建这些材料模型时需要格外注意，以确保它们能代表真实情况，同时又要足够简单，以便在合理的时间范围内完成仿真。
仿真设置
Speos 提供了不同类型的仿真，如正向仿真和反向仿真。对于相机模型，我们应该使用反向仿真，即光线从传感器传播到光源。如果您想调整反向仿真的高级设置，请参阅"调整反向仿真设置"。
仿真网格设置
网格设置对于获得正确的仿真结果至关重要。网格设置定义了将要仿真的几何体的质量。粗糙的网格可能导致结果不佳，尤其是在精密光学元件处。对于 Faceted 几何体，我们受限于由面片创建的网格元素。如果您导入新的几何体，确保适当的网格划分以捕捉结构细节非常重要。
