模型实验结果

p　　一项研究发现可以通过基于细胞的方法预测化学物质对人的毒性，而不需要开展动物实验。这项研究展示了基于细胞的毒性模型，或有助于开发出代替传统动物实验测量化合物毒性的方法。相关成果近日发表于《自然—通讯》。/pp　　作为由美国政府主导的21世纪毒理学计划的一部分，美国国立卫生研究院的Ruili Huang 和同事测试了超过1万种化学物质，尝试开发出更好的测试诸如农药、工业化学品、食品添加剂和药品等化合物毒性的方法。他们测试了化学物质在15种不同浓度下和30个靶点(包括人体细胞核受体或者细胞通路)的反应活性，由此获得了超过5000万条数据。他们将数据和化学结构结合起来，创造了一些毒性模型，这些模型可以用于预测化学物质对动物或者人的影响。/pp　　当把这些结果与从动物试验中获得的、或已知从人身上获得的接触毒性物质的数据进行比较后，研究人员发现，相关模型既能预测对人的毒性，也能预测对动物的毒性。虽然这些结论需要用额外的细胞通路和靶点进行更多的试验，但研究人员提出，基于细胞的方法能用于毒理试验，而且能帮助优先选择出用于毒理试验的化合物。/p

近日，南京大学化学化工学院徐伟高、谢代前团队与依托中国科学技术大学组建的中科院量子信息与量子科技创新研究院罗毅、复旦大学段赛等展开合作，从样品振子和局域等离激元光腔的光力学耦合作用出发，提出了力学拉曼光谱技术（mechano-Raman spectroscopy, MRS），建立了力学拉曼散射技术的理论模型和实验方法，相关成果以“Direct characterization of shear phonons in layered materials by mechano-Raman spectroscopy”为题于3月31日在线发表在《自然光子学》杂志上[Nature Photonics (2023)]。纳米尺度界面的力学相互作用携带了原子级界面结构、热传导和光电特性等关键信息，但因其电子-声子耦合效应非常有限，人们无法通过经典振动光谱学方法对其进行直接测量。以层状石墨晶体中的超低频剪切声子为例，具有原子层集体性同向运动的声子振动模式蕴含了晶体全局结构和隐藏界面的独特信息，但由于相邻层间的极化率改变量相互抵消而无法产生可探测的电偶极子辐射。如何有效地获取这一类信息，并将其应用于晶体全局结构表征、表界面相互作用和微观机械振子的测量，当前光谱学领域尚未有很好的解决办法。针对以上挑战，研究团队提出力学拉曼散射技术（图1），在入射光（hν0）激发下，等离激元光腔的极化张量受到频率为νmech机械振子的动态调制，分别产生能量等于hν0-νmech的Stokes信号和hν0+νmech的anti-Stokes信号。在层状晶体的MRS实验中，研究团队发现晶格中原子层的集体性运动可以驱动等离激元金属的周期性运动并产生非弹性散射信号。图1: MRS技术的原理与实验方法图2为3-12层石墨晶格振子的MRS信号和定量的力学耦合效应分析结果，晶格振子和等离激元金属的能量传递决定了等离激元金属的有效位移和MRS信号强度。根据MRS理论，MRS信号强度正比于等离激元金属有效位移的平方，这在16层石墨晶格振子的精确定量分析中得到了印证。图2: 不同层数晶格振子的MRS测量与力学耦合效应的定量分析在光学拉曼光谱中，粒子振动态布居数决定了anti-Stokes和Stokes信号的强度比（IaS/IS），并遵从玻色-爱因斯坦分布。相比于光学拉曼过程，MRS具有显著的无热噪声特征，这表现在：（1）IaS/IS值在整个实验温度区间（77-477 K）始终接近常数1；（2）半峰宽不随温度升高而展宽。这一特点使MRS在振动测量具有独特优势（图3）。研究团队还通过一系列复合振子实验验证了MRS的长程传播行为和隐藏界面探测能力。图3: MRS技术的无热噪声特征两位审稿人对该工作给予了高度评价：“milestone achievement in the Raman spectroscopy field（拉曼光谱领域里程碑式的成就）”；“it is a rare piece of work that represents a landmark in the field of Raman spectroscopy（拉曼光谱领域少有的标志性工作）”。全新的力学拉曼光谱技术将有望应用于晶体全局结构表征、机械振动传感和光的机械调制，并为实现从晶格振子到纳米材料的量子化能量传递等量子光学领域研究提供了新的思路。该工作得到了国家自然科学基金，江苏省自然科学基金，国家重点研发计划等项目的资助。

一、背景介绍：机器视觉可称为人工智能的“慧眼”，成像系统的标定又是机器视觉处理的重要环节之一，其标定精度与稳定性直接影响系统工作效率。在传统机器视觉与摄像测量标定领域，小孔透视模型仍存在高阶透镜畸变无法完备表征和多类复杂特殊成像系统不适用的问题。而基于光线的模型以成像系统聚焦状态下每个像素点均对应空间一条虚拟主光线为前提假设，通过确定所有像素点所对应光线方程的参数即可实现标定与成像表征，可避免对复杂成像系统的结构分析与建模。基于该光线模型，研究院相关课题组发展了各类特殊条纹结构光三维测量方法与系统，实验证明光线模型可通用于多类复杂成像系统的高精度测量，是校准非针孔透视成像系统的有效模型，可作为透视模型的补充。二、光线模型Baker等人最早提出了一种可表征任意成像系统的光线模型[1]，认为图像是像素的离散集合，并以一组虚拟的感光元件“光素”表示每个像素与某像素相关联的空间虚拟光线间的完整几何特性、辐射特性和光学特性，如图1所示。因此，光线模型的标定即确定出所有像素点对应的光线方程，无需严格分析和构建成像系统的复杂光学成像模型，具备一定的便携性和通用性，从一定程度上也可避免镜头畸变的多项式近似表征引入的测量误差，为非小孔透视投影模型成像系统的表征提供了一种新的思路。图1 成像系统的光线模型示意图三、基于光线模型的条纹结构光三维测量在条纹结构光投影三维测量领域，光线模型一方面可作为三维重建的光线方案，用于表征大畸变镜头、光场相机、DMD投影机、MEMS投影机等多类特殊结构的成像与投影装置，可发展新的基于光线模型的条纹结构光三维测量方法与系统；另一方面，发掘光线模型在结构光测量中的优势，光线模型对克服投影与相机的非线性响应、大畸变镜头成像下提升三维重建精度具有优异的效果。3.1 Scheimpflug小视场远心结构光测量系统光线模型与三维测量课题组开发了小视场远心结构光测量系统，采用Scheimpflug结构设计确保公共景深覆盖，如图2所示。考虑到远心镜头属平行正交投影、Scheimpflug倾斜结构造成畸变模型非中心对称，因此，提出一种基于光线模型的非参数化广义标定方法[2]。系统中相机与投影机成像过程均采用光线模型表征，标定其像素与空间光线对应关系，计算光线交汇点坐标，实现三维重建。图3展示了系统实物图与五角硬币局部小区域的三维测量结果，测量精度为2 μm。图2 Scheimpflug小视场远心结构光测量系统图3 测量系统实物图与五角硬币局部的三维测量结果3.2光场相机的光线模型标定与主动光场三维测量课题组发展了基于主动条纹结构光照明的光场三维测量方法与系统。光场相机通过在传感平面前放置微透镜阵列，实现光线强度和方向的同时记录，由于存在微透镜加工误差、畸变像差、装配误差等复杂因素影响，光场相机完备表征与精密标定是个难题。课题组提出光线模型表征光场成像过程[3]，即将光场相机内部看作黑盒，直接建立像素m与所对应的物空间光线方程l的参数，如图4所示。并通过标定光场所有光线与投影条纹相位的映射关系实现被测为物体的高精度三维测量，考虑光场多角度记录特点，构建基于条纹调制度的数据筛选机制，实现了场景的高动态三维测量，如图5所示，黑色面板与反光金属可同时重建。图4 光场成像模型图5 主动光场高动态三维测量3.3 DMD投影机与双轴MEMS激光扫描投影机的光线模型标定与三维测量基于微机电系统（MEMS）激光扫描的投影机以小型化、大景深的优势被应用于条纹投影测量系统，如图6（a）所示。但由于其依赖激光点的双轴MEMS扫描投影图案，不依赖镜头成像，透视投影模型表征会存在一定误差。此外， DMD等依赖镜头成像的投影机，大光圈设计也会影响小孔透视投影模型的表征精度。对此，课题组采用光线模型表征投影机[4]，并提出了一种基于投影机光线模型的条纹投影三维测量系统标定方法，该方法根据双轴MEMS投影的正交相位对光线进行识别追踪，利用投影光线与相机构建的三角测量实现了三维重建。进一步发现：由于投影光线的相位一致性特性，光线模型可显著抑制系统非线性响应引起的测量误差，图6（b）展示了单目系统在3步相移条件下（未额外矫正非线性响应），分别使用透视投影模型与光线模型对石膏雕塑的三维重建结果，可见光线模型对非线性响应影响具有免疫性。图6 双轴MEMS激光扫描投影原理和石膏雕塑三维重建结果（3步相移，左图为透视投影模型，右图为光线模型）3.4单轴MEMS激光扫描投影机光线模型标定与三维测量单轴MEMS投影机将激光点扫描拓展为面扫描大幅提升了投影速率，可应用于动态测量。针对单轴MEMS投影机无透镜结构使得针孔模型不适用、单向投影无法提供正交相位特征点的问题，课题组提出一种基于等相位面模型的系统标定方法[5]，推导出了相机反向投影射线与该等相位面交点处的三维坐标值与相位值间新的映射函数，实现了快速三维重建。图7展示了使用高速相机搭建的单目测量系统和重建场景，投影采集速率为1000 frame/s，采用4步相移与雷码图相位展开，三维重建速率为90 frame/s。后续为适应更高速率测量应用，可将单目扩展为双目或多目系统，采用单帧解调相位和多极线约束相位展开等方法减少投影图像数量，提升三维测量速率。图7三维测量系统与动态重建场景3.5大畸变镜头成像的光线模型标定与三维测量针对传统低阶多项式不能完备表征大畸变镜头的问题，课题组采用光线模型表征大畸变镜头相机成像，并提出一种完全脱离对相机和投影机内参依赖（透视模型依赖相机与投影机内参）的光线与条纹相位映射的三维重建方法。通过直接标定相机光线与条纹相位的倒数多项式映射系数，避免了繁琐耗时的对应点搜索与光线插值操作。图8为装配4 mm广角镜头的光线标定结果与标准球三维测量结果，可见由于广角镜头畸变较大，光线模型较透视模型重建质量有所提升。图8 广角镜头光线标定与标准球三维测量数据的拟合误差分布（a）透视投影模型，（b）光线映射模型四、总结光线模型通过确定所有像素点所对应光线方程的参数实现标定与成像表征，从而避免了对复杂成像（投影）系统的结构分析与建模，解决了特殊条纹投影三维测量系统的标定与重建问题，同时在条纹投影三维测量的系统非线性相位误差抑制和精度提升上展示出优异性能。在结构光三维测量的未来发展中，可进一步扩展光线模型三维测量的方法与应用，提升测量精度、效率与通用性，解决各类特殊复杂场景中的应用测量问题。参考文献[1] Baker S, Nayar S K. A theory of catadioptric image formation[C]//Sixth International Conference on Computer Vision (IEEE Cat. No.98CH36271), January 7, 1998, Bombay, India. New York: IEEE Press, 1998: 35-42.[2] Yin Y K, Wang M, Gao B Z, et al. Fringe projection 3D microscopy with the general imaging model[J]. Optics Express, 2015, 23(5): 6846-6857.[3] Cai Z W, Liu X L, Peng X, et al. Ray calibration and phase mapping for structured-light-field 3D reconstruction[J]. Optics Express, 2018, 26(6): 7598-7613.[4] Yang Y, Miao Y P, Cai Z W, et al. A novel projector ray-model for 3D measurement in fringe projection profilometry[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2022, 149: 106818.[5] Miao Y P, Yang Y, Hou Q Y, et al. High-efficiency 3D reconstruction with a uniaxial MEMS-based fringe projection profilometry[J]. Optics Express, 2021, 29(21): 34243-34257.课题组简介：本文作者：刘晓利 ，杨洋 ，喻菁 ，缪裕培 ，张小杰 ，彭翔 ，于起峰 ；深圳大学物理与光电工程学院深圳市智能光测与感知重点实验室。以于起峰院士领衔的深圳大学智能光测图像研究院主要研究方向包括大型结构变形与大尺度运动测量、超常光学测量与智能图像分析、计算成像与三维测量以及多传感器融合感知与控制等。