CN107576969A - 基于gpu并行计算的大场景隐藏目标成像系统与方法 - Google Patents
基于gpu并行计算的大场景隐藏目标成像系统与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于GPU并行计算的大场景隐藏目标成像系统与方法。该系统包括激光发射器、中介反射面、微透镜组、盖革APD阵列探测器、距离选通模块、时间相关光子计数器以及数据处理单元；激光发射器发出的激光经过中介反射面第一次漫反射照亮隐藏目标，隐藏目标将一部分反射光再次经过漫反射体进入光学系统，距离选通模块滤除一次反射光，有效回波经微透镜组被盖革APD阵列探测器采集并触发时间相关光子计数器，得到的时间相关光子计数直方图送入数据处理单元，经并行处理完成后期的重建成像算法，将隐蔽物体可视化呈现。采用本发明高速的、并行的处理光子信号实现了探测视域之外的大场景的隐藏目标的三维成像的工作。
Description
技术领域
本发明属于光电成像技术领域，具体涉及一种基于GPU并行计算的大场景隐藏目标成像方法与系统。
背景技术
隐藏目标成像技术主要用于探测城市街道拐角处、房屋内的隐藏物体，能够绕过拐角或障碍物对隐藏目标物体成像，实现视线以外区域定位目标，可以有效防止城市交通事故、定位灾难救援中生命体的位置、提升军队的作战能力，有很好的发展前景。
在这些应用中，由于隐藏目标不在观察者视场，无法通过传统的透镜成像方法直接在像面上获得隐藏目标的图像，而要通过计算成像的方法来获得隐藏目标信息，然后通过数学重建方法来还原隐藏目标的三维形状。这对成像系统的设计提出了非常高的要求。
隐藏目标应用场景多为漫反射场景，如衣服、墙壁、桌椅等都是比较理想的漫反射面，向表面各个方向都有辐射。这也就意味着利用玻璃等反射面进行探测无法满足实际需求；同时经过计算如果在日常场景中对隐藏目标进行探测，由于多次漫反射使得接收的光回波信号能量极其徼弱，通常微弱到只有若干个光子能量，甚至是单光子，因此对环境光、噪声影响非常敏感；
目前的重建方法运算量会随隐藏空间扩大而显著增大，应用漫反射成像的研究被限制在了几十厘米的人造场景内，无法达到实用要求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于GPU并行计算的大场景隐藏目标成像方法与系统，能够高速的、并行的处理光子信号实现了探测视域之外的大场景的隐藏目标的三维成像的工作。
本发明采用的技术方案：
本发明提供了一种基于GPU并行计算的大场景隐藏目标成像系统，其特征在于：包括激光发射器、中介反射面、微透镜组、盖革APD阵列探测器、距离选通模块、时间相关光子计数器以及数据处理单元；
激光发射器发射的出射激光经过中介反射面形成的第一漫反射光；隐藏目标位于第一漫反射光的光路上并对第一漫反射光部分进行二次反射形成第二漫反射光；第二漫反射光再次经过中介反射面的漫反射后形成第三漫反射光；距离选通模块、微透镜组以及盖革APD阵列探测器均位于第三漫反射光的光路上；
盖革APD阵列探测器与时间相关光子计数器连接；时间相关光子计数器与数据处理单元连接；
距离选通模块用于滤除进入盖革APD阵列探测器的第一漫反射光和第二漫反射光，仅允许第三漫反射光进入盖革APD阵列探测器；
时间相关光子计数器对第三漫反射光中光子数的分布情况进行统计；
数据处理单元包括同步电路、存储单元、GPU处理单元以及显示器；
同步电路用于保证激光发射器发射激光、距离选通模块开启或关闭以及时间相关光子计数器开启计时同步进行；
存储单元用于储存时间相关光子计数器发送来的光子数的分布情况进行统计和分析结果；
GPU处理单元用于对光子数的分布情况进行统计和分析结果进行反演处理；
显示器用于将GPU处理单元得到的反演处理结果转换成隐藏目标的图像显示出来。
上述的激光发射器为能发出飞秒级超短脉冲光的激光发射器。
上述微透镜组为一组参数相同且镜片数量与盖革APD阵列探测器中探测器单元数量相同的凸透镜。
基于GPU并行计算的大场景隐藏目标成像系统，现给出采用该系统的成像方法，包括以下步骤：
1)同步电路控制距离选通模块中的选通门关闭，激光发射器发射激光的同时给时间相关光子计数器一个开始计时的时间信号；
2)激光照射到中介反射面上形成第一漫反射光照到隐藏目标，隐藏目标将部分第一漫反射光二次反射成第二漫反射光后经中介反射面再次形成第三漫反射光后回到距离选通模块；
3)控制距离选通模块中的选通门打开，第三漫反射光经微透镜组由盖革APD阵列探测器接收并触发时间相关光子计数器，获得初始电子的时间分布情况；激光发射器不断发射，则时间相关光子计数器开始对光子数的分布情况进行统计；
4)根据光子数的分布情况反演完成隐藏目标的成像工作；具体包括以下步骤：
4.1)获取反演所需数据；
4.1.1)根据实际场景建立场景三维模型，设置坐标系，根据坐标系分别获取激光发射器位置P0(xP0,yP0,zP0)；激光发射器出射光在中介反射面上的位置P(xP,yP,zP)；盖革APD阵列探测器中所有探测器单元所对应中介反射面上的位置Qi(xQi,yQi,zQi)；光子数-时间分布直方图对应各个探测器单元的位置Q0i(xQ0i,yQ0i,zQ0i)
4.1.2)对光子数的分布情况进行整合，得到M张光子数-时间分布直方图；
光子数-时间分布直方图的横坐标为光子飞行时间，光子数-时间分布直方图的纵坐标为不同时间下探测到的光子数；
激光发射器出射光在中介反射面上的位置P(xP,yP,zP)和盖革APD阵列探测器中所有探测器单元所对应中介反射面上的位置Qi(xQi,yQi,zQi)，构成不同的点对<P,Qi>，每一个点对分别对应不同的光子数-时间分布直方图；
4.1.3)将隐藏目标划分为N个均匀体素网格并计算各体素网格中心的坐标矩阵T，记为；
4.1.4)选定其中一个点对<P,Qi>与其相对应的光子数-时间分布直方图，计算激光发射器初始发射距离R0；
计算激光发射器出射光在中介反射面上的位置P到各体素网格中心的坐标矩阵T的距离矩阵R1；
计算激光从各体素网格中心到Qi(xQi,yQi,zQi)的距离矩阵R2(j)；
计算激光从Qi点到Q0i所经过的距离R3(j),1≤j≤M；
4.1.5)求解体素网格的置信度；
具体是：
设R＝R1+R2,R′＝R0+R3；
其中，距离矩阵R中的各个距离值对应于各体素网格中心的坐标矩阵T中不同的体素网格；
设光子数-时间分布直方图中包含的不同时间信息为tm,光子距离信息Rm,Rm＝c*tm，其中c为光速,不同的tm对应的不同的光子数记为Numm；利用不同的Rm减去R′得到不同的Rn＝Rm-R′，则Rn与Numm之间为一一对应关系；
将Rn与距离矩阵R中的各个距离值进行比对，对于相互吻合的数据,将Numm*R1*R2赋值到相应的体素网格中，作为体素网格的置信度；通过对所有赋值之后体素网格的置信度进行整合，得到步骤4.1.4)中选定的光子数-时间分布直方图对应的置信图；
4.2)利用GPU处理单元同时读取不同的点对<P,Qi>及其对应的光子数-时间分布直方图，并行执行步骤4.1.4)和4.1.5)，获取M张光子数-时间分布直方图对应的置信图；
4.3)将M张光子数-时间分布直方图得到的置信图相加，叠合成一幅整个空间的置信图V(x,y,z)；
4.4)剔除置信度太小的点，只保留V>αVmax+βVmaxl；
其中：Vmax指置信图中的最大值，Vmaxl指置信图中体素周围的局部最大值，α和β为权值，α取0.4、β取0.6；
利用高斯-拉普拉斯对置信图进行平滑去噪处理，并强化边缘信息，得到隐藏目标的基本轮廓信息；
4.5)将置信图V(x,y,z)和轮廓信息回传到数据处理单元的存储单元中，释放GPU处理单元开辟的存储空间，利用显示器显示隐藏目标的图像。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明可探测视域之外的大场景隐藏目标物体，采用盖革APD阵列探测器，能够有效扩展隐藏目标成像技术的成像范围。盖革模式下APD阵列单光子级的探测能力解决了当前方法将目前已有方法的可探测范围扩大了数倍，多个探测器子单元分别探测的方法省去了扫描带来的的时间消耗、减小了其系统误差。
2、采用GPU处理单元并行计算方法的采用有效利用了CPU和GPU之间的传输带宽，减少了多次数据往复传输时间的损耗，充分利用了GPU处理单元的优点，解决了扩大场景带来的运算量激增问题，这些提升将隐藏目标成像的技术水平提高到了实用级别。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意框图。
图2是本发明的实际应用场景简化图。
图3是接收器示意图。
图4是反演方法的具体流程图。
1、激光发射器、3、中介反射面，4、障碍物，5、隐藏目标，6、距离选通模块，7、微透镜组，8、盖革APD阵列探测器，9、时间相关光子计数器，10、数据处理单元。
具体实施方式
首先需要介绍的是：利用盖革APD阵列探测器进行光子探测是一项重要的极弱光检测技术，在远程激光三维成像、荧光医学成像等领域都有十分广泛的应用。如果能采用盖革模式APD进行探测，通过距离选通的方式滤除部分干扰光，并将重建算法加以改进、并行处理，隐藏目标成像的空间可以有显著提升，达到实用级别。
计算机显卡的图形处理器GPU具有图形处理加速功能，在并行计算方面可以提供数十倍乃至百倍于CPU的性能。在运算量很大的情况下，利用GPU进行算法的优化可以显著加快计算进程、有效提高运算效率。
下面结合附图详细说明本发明的具体结构及其成像方法进行介绍：
如图1所示，包括激光发射器1、中介反射面3(漫反射面)、距离选通模块6、障碍物4、隐藏目标5、微透镜组7、盖革APD阵列探测器8、时间相关光子计数器(TCSPC)9、数据处理单元10；
有效的激光传输路径如图2所示，激光发射器-漫反射面-隐藏目标-漫反射面-接收器。
其具体结构是：激光发射器1发射的出射激光经过中介反射面3形成的第一漫反射光；隐藏目标5位于第一漫反射光的光路上并对第一漫反射光部分进行二次反射形成第二漫反射光；第二漫反射光再次经过中介反射面的漫反射后形成第三漫反射光；距离选通模块6、微透镜组7以及盖革APD阵列探测器8均位于第三漫反射光的光路上；
盖革APD阵列探测器8与时间相关光子计数器9连接；时间相关光子计数器9与数据处理单元10连接；
其中：激光发射器1为能发出飞秒级脉冲光的激光发射器；
盖革APD(avalanche photon diode)阵列探测器8，该阵列探测器能探测到极其微弱的单光子信号，与微透镜组配合可以探测到漫反射面上指定区域的光，阵列上多个探测器之间互不干扰。单光子探测器能够探测到漫反射面指定区域的光，如图3所示。
隐藏目标场景为比较常见的情况，有不透光的障碍物遮挡视线、隐藏目标不可见，但是有一个漫反射面可以作为中介反射面，光线可以经过中介反射面到达隐藏目标表面、隐藏目标表面的反射光也可以通过中介反射面反射到达观测位置。
距离选通模块6在的同步电路的控制下与激光发射器保持同步，对于系统来说，有效信号是经发射器、中介反射面、隐藏目标、中介反射面到接收器的第三漫反射光，但是实际上，一部分没有经过隐藏目标、而是直接经中介反射面反射到探测器的第一漫反射光也会被探测器接收，干扰成像。因此需要滤除第一漫反射光，这通过距离选通模块实现。选通门打开的时间设定为第一漫反射光结束、第三漫反射光到来之前的时间范围内。该部分激光接收结束后选通门关闭，直到下一个脉冲的第三漫反射光到达，以此消除第一次反射光的干扰。同步电路的选通门宽度和延迟时间要根据实际场景情况进行调整。
时间相关光子计数器(TCSPC)9可以在被触发之后，将探测到的回波信息转化成光子数的时间分布，经进一步处理产生回波光子的数量-时间分布直方图。在实际设计中，盖革APD阵列探测器中的每个探测器都有对应的处理电路，保证阵列中的所有探测器单元同时同步产生多幅对应的时间光子计数直方图。
数据处理单元10为具有GPU并行处理功能的计算机，其主要包括同步电路、存储单元、GPU处理单元以及显示器；
同步电路用于保证激光发射器发射激光、距离选通模块开启或关闭以及时间相关光子计数器开启计时同步进行；
存储单元用于储存时间相关光子计数器发送来的光子数的分布情况进行统计和分析结果；
GPU处理单元用于对光子数的分布情况进行统计和分析结果进行反演处理；
显示器用于将GPU处理单元得到的反演处理结果转换成隐藏目标的图像显示出来。
接收的光子信息由TCSPC整合为光子数-时间分布直方图，后续主要处理过程如图4所示。
本发明的具体成像方法如下：
1)同步电路控制距离选通模块中的选通门关闭，激光发射器发射激光的同时给时间相关光子计数器一个开始计时的时间信号；
2)激光照射到中介反射面上形成经漫反射照到隐藏目标，隐藏目标的部分反射光经中介反射面又回到距离选通模块；
3)控制距离选通模块中的选通门打开，反射光经微透镜组由盖革APD阵列探测器接收并触发时间相关光子计数器，获得初始电子的时间分布情况；激光发射器不断发射，则时间相关光子计数器开始对光子数的分布情况进行统计；
4)根据光子数的分布情况反演完成隐藏目标的成像工作；具体包括以下步骤：
4.1)获取反演所需数据；
4.1.1)根据实际场景建立场景三维模型，设置坐标系，根据坐标系分别获取激光发射器位置P0(xP0,yP0,zP0)；激光发射器出射光在中介反射面上的位置P(xP,yP,zP)；盖革APD阵列探测器中所有探测器单元所对应中介反射面上的位置Qi(xQi,yQi,zQi)；光子数-时间分布直方图对应各个探测器单元的位置Q0i(xQ0i,yQ0i,zQ0i)
4.1.2)对光子数的分布情况进行整合，得到M张光子数-时间分布直方图；
光子数-时间分布直方图的横坐标为光子飞行时间，光子数-时间分布直方图的纵坐标为不同时间下探测到的光子数；
激光发射器出射光在中介反射面上的位置P(xP,yP,zP)和盖革APD阵列探测器中所有探测器单元所对应中介反射面上的位置Qi(xQi,yQi,zQi)，构成不同的点对<P,Qi>，每一个点对分别对应不同的光子数-时间分布直方图；
4.1.3)将隐藏目标划分为N个均匀体素网格并计算各体素网格中心的坐标矩阵T，记为；
4.1.4)选定其中一个点对<P,Qi>与其相对应的光子数-时间分布直方图，计算激光发射器初始发射距离R0；
计算激光发射器出射光在中介反射面上的位置P到各体素网格中心的坐标矩阵T的距离矩阵R1；
计算激光从各体素网格中心到Qi(xQi,yQi,zQi)的距离矩阵R2(j)；
计算激光从Qi点到Q0i所经过的距离R3(j),1≤j≤M；
4.1.5)求解体素网格的置信度；
具体是：
设R＝R1+R2,R′＝R0+R3；
其中，距离矩阵R中的各个距离值对应于各体素网格中心的坐标矩阵T中不同的体素网格；
设光子数-时间分布直方图中包含的不同时间信息为tm,距离信息Rm,Rm＝c*tm，其中c为光速,不同的tm对应的不同的光子数记为Numm；利用不同的Rm减去R′得到不同的Rn＝Rm-R′，则Rn与Numm之间为一一对应关系；
将Rn与距离矩阵R中的各个距离值进行比对，对于相互吻合的数据,将Numm*R1*R2赋值到相应的体素网格中，作为体素网格的置信度；通过对所有赋值之后体素网格的置信度进行整合，得到步骤4.1.4)中选定的光子数-时间分布直方图对应的置信图；
4.2)利用GPU处理单元同时读取不同的点对<P,Qi>及其对应的光子数-时间分布直方图，并行执行步骤4.1.4)和4.1.5)，获取M张光子数-时间分布直方图对应的置信图；
4.3)将M张光子数-时间分布直方图得到的置信图相加，叠合成一幅整个空间的置信图V(x,y,z)；
4.4)剔除置信度太小的点，只保留V>αVmax+βVmaxl；
其中：Vmax指置信图中的最大值，Vmaxl指置信图中体素周围的局部最大值，α和β为权值，α取0.4、β取0.6；
利用高斯-拉普拉斯对置信图进行平滑去噪处理，并强化边缘信息，得到隐藏目标的基本轮廓信息；
4.5)将置信图V(x,y,z)和轮廓信息回传到数据处理单元的存储单元中，释放GPU处理单元开辟的存储空间，利用显示器显示隐藏目标的图像。
Claims (4)
1.一种基于GPU并行计算的大场景隐藏目标成像系统，其特征在于：包括激光发射器、中介反射面、微透镜组、盖革APD阵列探测器、距离选通模块、时间相关光子计数器以及数据处理单元；
激光发射器发射的出射激光经过中介反射面形成的第一漫反射光；隐藏目标位于第一漫反射光的光路上并对第一漫反射光部分进行二次反射形成第二漫反射光；第二漫反射光再次经过中介反射面的漫反射后形成第三漫反射光；距离选通模块、微透镜组以及盖革APD阵列探测器均位于第三漫反射光的光路上；
盖革APD阵列探测器与时间相关光子计数器连接；时间相关光子计数器与数据处理单元连接；
距离选通模块用于滤除进入盖革APD阵列探测器的第一漫反射光和第二漫反射光，仅允许第三漫反射光进入盖革APD阵列探测器；
时间相关光子计数器对第三漫反射光中光子数的分布情况进行统计；
数据处理单元包括同步电路、存储单元、GPU处理单元以及显示器；
同步电路用于保证激光发射器发射激光、距离选通模块开启或关闭以及时间相关光子计数器开启计时同步进行；
存储单元用于储存时间相关光子计数器发送来的光子数的分布情况进行统计和分析结果；
GPU处理单元用于对光子数的分布情况进行统计和分析结果进行反演处理；
显示器用于将GPU处理单元得到的反演处理结果转换成隐藏目标的图像显示出来。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPU并行计算的大场景隐藏目标成像系统，其特征在于：所述的激光发射器为能发出飞秒级超短脉冲光的激光发射器。
3.根据权利要求1所述的一种基于GPU并行计算的大场景隐藏目标成像系统，其特征在于：所述微透镜组为一组参数相同且镜片数量与盖革APD阵列探测器中探测器单元数量相同的凸透镜。
4.一种应用如权1所述的基于GPU并行计算的大场景隐藏目标成像系统的基于GPU并行计算的大场景隐藏目标成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)同步电路控制距离选通模块中的选通门关闭，激光发射器发射激光的同时给时间相关光子计数器一个开始计时的时间信号；
2)激光照射到中介反射面上形成第一漫反射光照到隐藏目标，隐藏目标将部分第一漫反射光二次反射成第二漫反射光后经中介反射面再次形成第三漫反射光后回到距离选通模块；
3)控制距离选通模块中的选通门打开，第三漫反射光经微透镜组由盖革APD阵列探测器接收并触发时间相关光子计数器，获得初始电子的时间分布情况；激光发射器不断发射，则时间相关光子计数器开始对光子数的分布情况进行统计；
4)根据光子数的分布情况反演完成隐藏目标的成像工作；具体包括以下步骤：
4.1)获取反演所需数据；
4.1.1)根据实际场景建立场景三维模型，设置坐标系，根据坐标系分别获取激光发射器位置P0(xP0,yP0,zP0)；激光发射器出射光在中介反射面上的位置P(xP,yP,zP)；盖革APD阵列探测器中所有探测器单元所对应中介反射面上的位置Qi(xQi,yQi,zQi)；光子数-时间分布直方图对应各个探测器单元的位置Q0i(xQ0i,yQ0i,zQ0i)；
4.1.2)对光子数的分布情况进行整合，得到M张光子数-时间分布直方图；
光子数-时间分布直方图的横坐标为光子飞行时间，光子数-时间分布直方图的纵坐标为不同时间下探测到的光子数；
激光发射器出射光在中介反射面上的位置P(xP,yP,zP)和盖革APD阵列探测器中所有探测器单元所对应中介反射面上的位置Qi(xQi,yQi,zQi)，构成不同的点对<P,Qi>，每一个点对分别对应不同的光子数-时间分布直方图；
4.1.3)将隐藏目标划分为N个均匀体素网格并计算各体素网格中心的坐标矩阵T，记为；
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4.1.4)选定其中一个点对<P,Qi>与其相对应的光子数-时间分布直方图，计算激光发射器初始发射距离R0；
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计算激光从各体素网格中心到Qi(xQi,yQi,zQi)的距离矩阵R2(j)；
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计算激光从Qi点到Q0i所经过的距离R3(j),1≤j≤M；
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4.1.5)求解体素网格的置信度；
具体是：
设R＝R1+R2,R′＝R0+R3；
其中，距离矩阵R中的各个距离值对应于各体素网格中心的坐标矩阵T中不同的体素网格；
设光子数-时间分布直方图中包含的不同时间信息为tm,光子距离信息Rm,Rm＝c*tm，其中c为光速,不同的tm对应的不同的光子数记为Numm；利用不同的Rm减去R′得到不同的Rn＝Rm-R′，则Rn与Numm之间为一一对应关系；
将Rn与距离矩阵R中的各个距离值进行比对，对于相互吻合的数据,将Numm*R1*R2赋值到相应的体素网格中，作为体素网格的置信度；通过对所有赋值之后体素网格的置信度进行整合，得到步骤4.1.4)中选定的光子数-时间分布直方图对应的置信图；
4.2)利用GPU处理单元同时读取不同的点对<P,Qi>及其对应的光子数-时间分布直方图，并行执行步骤4.1.4)和4.1.5)，获取M张光子数-时间分布直方图对应的置信图；
4.3)将M张光子数-时间分布直方图得到的置信图相加，叠合成一幅整个空间的置信图V(x,y,z)；
4.4)剔除置信度太小的点，只保留V>αVmax+βVmaxl；
其中：Vmax指置信图中的最大值，Vmaxl指置信图中体素周围的局部最大值，α和β为权值，α取0.4、β取0.6；
利用高斯-拉普拉斯对置信图进行平滑去噪处理，并强化边缘信息，得到隐藏目标的基本轮廓信息；
4.5)将置信图V(x,y,z)和轮廓信息回传到数据处理单元的存储单元中，释放GPU处理单元开辟的存储空间，利用显示器显示隐藏目标的图像。
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