CN109596575A - 一种扫描成像方法及系统、存储介质、计算设备 - Google Patents

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张子邦
钟金钢
邓绮雯
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Abstract

本发明公开了一种扫描成像方法，包括以下步骤：产生一系列的哈达玛基底图案对，将哈达玛基底图案对转化为结构光场；采集并记录待扫描物电信号，所述电信号与在结构光场照明下的光信号线性关联对应；利用结构光场与对应的电信号的关联性，计算重建出待扫描物的透射率图像。本发明还公开了一种扫描成像系统，包括：控制模块，用于产生哈达玛基底图案，并控制系统其它模块的运行；显示模块，用于转化哈达玛基底图案并将其转化为结构光场；像素探测模块，用于接收光强并产生光信号；采集模块，用于采集电信号。本发明利用结构光照明获取待扫描物的空间信息，无需采用机械运动装置，能实现无噪声扫描，完成二维图像的单像素成像。

Description

一种扫描成像方法及系统、存储介质、计算设备
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种扫描获取物体的透射率分布图像的扫描成像方法及系统、存储介质、计算设备。
背景技术
世上第一台扫描仪可追溯到1984年Microtek的产品，该款扫描仪仅能实现灰度扫描；而第一台能实现彩色扫描的扫描仪是在1989年提出。尽管现在距离第一台扫描仪的发明已经超过30年，但扫描仪的原理并没有很大的改变。扫描仪一般是由一个线阵CCD、步进电机、成像透镜、光源、图像处理器、模数转换电路和线缆接口组成。
出于成本的考虑，扫描仪使用的是仅有一维空间分辨能力的CCD，但由于扫描的过程本质上是二维图像信息的获取，因此扫描仪需要利用步进电机来推动线阵CCD，达到二维图像信息获取的目的。线阵CCD、成像透镜和光源作为一个整体由步进电机驱动。光源对待扫描物的某一列进行照明，待扫描物反射光源的光线，反射光经成像透镜到达线阵CCD，使物体成像在CCD上。此时，CCD就完成了对待扫描物某一列图像的获取。步进电机通过驱动由线阵CCD、成像透镜和光源组成的系统，使该系统移动到待扫描物下一列的位置，对待扫描下一列图像进行扫描。如此重复，直到扫描完待扫描物的所有列。图像处理器对采集到的一维图像序列进行合成，生成二维图像。然而，步进电机的使用不但导致了扫描过程中的震动和噪声，还导致了扫描仪体积的庞大和沉重。另外，传统扫描仪仅能获取待扫描物的反射率图像。
因此，如何实现无机械运动、无噪声、能获取待扫描物透射率图像的功能仍然是一项亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种扫描成像方法及成像系统、存储介质、计算设备，该方法及系统可实现无机械运动、无噪声地完成二维图像的单像素成像。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种扫描成像方法，包括以下步骤：
产生一系列的哈达玛基底图案对，将哈达玛基底图案对转化为结构光场；
利用计算机控制信号采集器，采集并记录面形单像素探测器测量到的待扫描物透射光的响应电信号，所述电信号与待扫描物在在结构光场照明下的光信号线性关联对应；
利用结构光场与对应的电信号的关联性，计算重建出待扫描物的透射率图像。
优选的，利用公式(1)和公式(2)生成一系列不同频率的哈达玛基底图案对：
其中P+1和P-1表示一对互补的哈达玛基底图案，H-1表示二维哈达玛反变换，(x,y)表示空间域的像素坐标，(fx,fy)表示哈达玛变换域的频率坐标，δH(fx,fy)表示在哈达玛变换域中位于(fx,fy)处的冲击函数。
优选的，所述电信号强度表示为：
D+1＝∫∫I(x,y)·[P+1(fx,fy,x,y)+P0]dxdy+ε (3)
D-1＝∫∫I(x,y)·[P-1(fx,fy,x,y)+P0]dxdy+ε (4)
其中D+1、D-1分别表示待扫描物在P+1、P-1哈达玛结构光场照明时的电信号强度，I(x,y)表示待扫描物的透射率图像，P0表示环境光强，ε表示噪声。
优选的，所述计算重建待扫描物的透射率图像的步骤为：
依据公式(5)计算对于频率为(fx,fy)的哈达玛谱系数：
其中，为待扫描物透射率图像的哈达玛谱系数；
以公式(5)计算其它频率对应的哈达玛谱系数，获得待扫描物透射率图像的哈达玛谱；
对所获得的待扫描物透射率图像的哈达玛谱分别求二维哈达玛反变换，然后对变换后的结果取模并进行归一化，即可得到待扫描物透射率图像。
一种扫描成像系统，包括：
控制模块，用于产生哈达玛基底图案，并控制系统其它模块的运行；
显示模块，用于将产生的哈达玛基底图案转化为结构光场；
单像素探测模块，用于接收经过待扫描物的透射光光强并产生电信号；
采集模块，用于采集电信号；
所述控制模块包括数据处理部分，用于根据电信号计算重建透射率图像。
优选的，所述控制模块为计算机。
优选的，所述所述显示模块为平板显示器。
优选的，所述像素探测模块为面形单像素探测器。
更进一步的，所述面形单像素探测器包括薄膜太阳能电池或柔性太阳能电池。
优选的，所述采集模块为模拟/数字转换电路及数字信号采集卡。
一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述扫描成像方法。
一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述扫描成像方法。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明利用结构光照明获取待扫描物的空间信息，无需采用机械运动装置，能实现无噪声扫描，完成二维图像的单像素成像。
2、本发明的系统装置简单、体积小、轻便、易于实现。
附图说明
图1为本发明扫描成像系统的示意图。
图2为本发明扫描成像方法流程图。
图3为本发明使用的频率为fx＝5、fy＝8的哈达玛基底图案对P+1和P-1示意图。
图4为使用本发明一个扫描成像方法对一张打印有“JNU”图案的A4纸成像的结果图。
其中：1—计算机；2—平板显示器；3—待扫描物；4—面形单像素探测器；5—信号采集器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图2所示，一种扫描成像方法，其包括如下步骤：
S1、产生一系列不同频率的哈达玛基底图案对，将该哈达玛基底图案转化为结构光场；
由于需要一对哈达玛基底图案计算出一个哈达玛谱的系数，因此，利用公式(1)和公式(2)生成一系列不同频率的哈达玛基底图案对：
其中P+1和P-1表示一对互补的哈达玛基底图案，H-1表示二维哈达玛反变换，(x,y)表示空间域的像素坐标，(fx,fy)表示哈达玛变换域的频率坐标，δH(fx,fy)表示在哈达玛变换域中位于(fx,fy)处的冲击函数。
S2、将结构光场投影对待扫描物进行照明，利用计算机控制信号采集器，采集并记录面形单像素探测器测量到的待扫描物透射光的响应电信号，所述电信号与在结构光场照明下产生的光信号线性对应；
具体地，步骤S2可包括以下步骤：
S21、通过平板显示器用一系列的哈达玛基底图案光场依次对待扫描物进行照明，并使用面形单像素探测器对透射光进行测量，采集面形单像素探测器产生的电信号，并输出对应的电信号，通过信号采集器将电信号存储于计算机内；
S22、信号采集器采集到面形单像素探测器的电信号强度可表示为：
D+1＝∫∫I(x,y)·[P+1(fx,fy,x,y)+P0]dxdy+ε (3)
D-1＝∫∫I(x,y)·[P-1(fx,fy,x,y)+P0]dxdy+ε (4)
其中D+1、D-1分别表示待扫描物在P+1、P-1哈达玛结构光场照明时的电信号强度，I(x,y)表示待扫描物的透射率图像，P0表示环境光强，ε表示噪声。
S3、根据所述结构光场与相应所述电信号的关联性，计算重建所述待扫描物的透射率图像；
具体的步骤S3包括以下步骤：
S31、依据公式(5)计算对于频率为(fx,fy)的哈达玛谱系数：
其中，为待扫描物透射率图像的哈达玛谱系数；
S32、以公式(5)计算其它频率对应的哈达玛谱系数，获得待扫描物透射率图像的哈达玛谱；
S33、对所获得的待扫描物透射率图像的哈达玛谱分别求二维哈达玛反变换，然后对变换后的结果取模并进行归一化，即可得到待扫描物透射率图像。
一种扫描成像系统，包括：
图1给出了本发明扫描成像系统，该系统包括作为控制模块的计算机1、作为显示模块的平板显示器2、面形单像素探测器4及作为采集模块的信号采集器5。
在本实施例中，面形单像素探测器为薄膜太阳能电池。计算机分别与平板显示器以及信号采集器连接，计算机产生一系列的哈达玛基底图案。在计算机的控制下，平板显示器将哈达玛基底图案转化为结构光场，对待扫描物3行照明，该实施例中，平板显示器是液晶显示器；结构光场穿过待扫描物3，面形单像素探测器4测量透射光的光强；信号采集器5与面形单像素探测器4连接，控制信号采集器5采集面形单像素探测器的光电响应信号，存储于计算机中，然后由计算机的数据处理部分对采集的光电响应信号进行计算，计算重建待扫描物3的透射率图像。
所述像素探测模块也可为多像素探测器，如CMOS、CCD芯片，但在扫描成像时，需将拍到的图片的所有灰度值求和，得到的值与单像素探测器的电信号在数学上是等价的，根据灰度值和进一步完成计算重建步骤。
所述控制模块既可以是台式电脑，也可以是笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑或其他具有显示功能的终端设备。
本领域普通技术人员可以通过程序指令控制相关的硬件来实现上述方法中的部分或全部步骤，相应的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM、RAM、磁盘或光盘等介质。
本发明还公开了一种计算设备，该计算设备包括处理器和存储器，存储器存储有一个或多个程序，处理器执行存储器存储的程序时，能够实现上述扫描成像的方法，在此不再赘述。
在此需要说明的是，上述系统仅按照其各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要将上述功能分配给不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
频率为fx＝5、fy＝8时的哈达玛基底图案对P+1和P-1如图3所示；使用本发明扫描成像方法对一张打印有“JNU”图案的A4纸成像的结果如图4所示。
由此可见，本发明能够重建出清晰、无可见噪声的物体透射率图像。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种扫描成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
产生一系列的哈达玛基底图案对，将哈达玛基底图案对转化为结构光场；
利用计算机控制信号采集器，采集并记录面形单像素探测器测量到的待扫描物透射光的响应电信号，所述电信号与待扫描物在结构光场照明下的光信号线性关联对应；
利用结构光场与对应的电信号的关联性，计算重建出待扫描物的透射率图像。
2.根据权利要求1所述的扫描成像方法，其特征在于，利用公式(1)和公式(2)生成一系列不同频率的哈达玛基底图案对：
其中P+1和P-1表示一对互补的哈达玛基底图案，H-1表示二维哈达玛反变换，(x,y)表示空间域的像素坐标，(fx,fy)表示哈达玛变换域的频率坐标，δH(fx,fy)表示在哈达玛变换域中位于(fx,fy)处的冲击函数。
3.根据权利要求1所述的扫描成像方法，其特征在于，所述电信号强度表示为：
D+1＝∫∫I(x,y)·[P+1(fx,fy,x,y)+P0]dxdy+ε (3)
D-1＝∫∫I(x,y)·[P-1(fx,fy,x,y)+P0]dxdy+ε (4)
其中D+1、D-1分别表示待扫描物在P+1、P-1哈达玛结构光场照明时的电信号强度，I(x,y)表示待扫描物的透射率图像，P0表示环境光强，ε表示噪声。
4.根据权利要求1所述的扫描成像方法，其特征在于，所述计算重建待扫描物的透射率图像的步骤为：
依据公式(5)计算对于频率为(fx,fy)的哈达玛谱系数：
其中，为待扫描物透射率图像的哈达玛谱系数；
以公式(5)计算其它频率对应的哈达玛谱系数，获得待扫描物透射率图像的哈达玛谱；
对所获得的待扫描物透射率图像的哈达玛谱分别求二维哈达玛反变换，然后对变换后的结果取模并进行归一化，即得到待扫描物透射率图像。
5.一种扫描成像系统，其特征在于，包括：
控制模块，用于产生哈达玛基底图案，并控制系统其它模块的运行；
显示模块，用于将产生的哈达玛基底图案转化为结构光场；
单像素探测模块，用于接收经过待扫描物的透射光光强并产生电信号；
采集模块，用于采集电信号；
所述控制模块包括数据处理部分，用于根据电信号计算重建透射率图像；
所述控制模块为计算机；
所述显示模块为平板显示器；
所述单像素探测模块为面形单像素探测器；
所述的采集模块为模拟/数字转换电路及数字信号采集卡。
6.根据权利要求5所述的扫描成像系统，其特征在于，面形单像素探测器包括薄膜太阳能电池或柔性太阳能电池。
7.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1-4任一项扫描成像方法。
8.一种计算设备，其特征在于，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1-4任一项扫描成像方法。
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