CN109828371B - 一种基于移动散斑光源的大视场散射成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动散斑光源的大视场散射成像方法，包括：搭建基于移动散斑光源的大视场散射成像的装置以用于对待观测的目标物在透过散射介质后进行成像，装置包括可移动散斑光源和相机传感器，其中可移动散斑光源产生的非相干光依次经过目标物和散射介质后被相机传感器采集成像；设置可移动散斑光源和相机传感器的参数以建立所采集图像参数与可移动散斑光源之间的对应关系，实现有效的多幅图像的采集；对采集的多幅图像作预处理，构建集成强度矩阵；根据集成强度矩阵，利用自相关运算提取目标物的自相关信息，并利用相位恢复算法重建得到目标物的空域分布信息。本发明提出的大视场散射成像方法使得系统视场不再受记忆效应范围的限制。

Description

一种基于移动散斑光源的大视场散射成像方法

技术领域

本发明涉及计算视觉与数字图像处理领域，尤其涉及一种基于移动散斑光源的大视场散射成像方法。

背景技术

散射介质广泛存在于自然界中，特别是在深海探测、生物组织观测等领域具有广泛应用。散射介质由于其内部折射率分布未知且复杂，会改变原有光线的传播方向，这使得重构散射层背后的目标物变得十分困难。

现有的透过强散射介质散射成像方法，主要包括以下四类：波前整型法、基于点扩散函数(PSF)的反卷积方法、扫描式相关成像法、单曝光式相关成像法。其中，波前整型法通过在光路中引入空间光调制器(SLM)，对光的相位进行逐点调制，补偿散射介质引入的相位干扰。但这种方法需要侵入式地将待观测目标物移除出系统，以实现相位标定，因此无法广泛应用在真实场景中。基于点扩散函数的反卷积方法，根据记忆效应范围内系统的点扩散函数的平移不变性，在系统内引入参考点光源以测量系统的PSF，并利用反卷积对目标物进行高分辨率重建；但该方法需要人为标定PSF，同时视场受限于记忆效应范围。扫描式相关成像法和单曝光式相关成像法，都能在记忆效应范围内，利用自相关运算及相位恢复的方法实现非侵入式的简单目标物的重构，但其视场范围同样受限于记忆效应，导致这两种成像方法必须在满足一定的物距或待观测目标物尺寸的情况下才能使用，无法适用于复杂多变情况下的大视场散射成像。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于移动散斑光源的大视场散射成像方法，使得系统视场不再受记忆效应范围的限制。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种基于移动散斑光源的大视场散射成像方法，包括以下步骤：

A1：搭建基于移动散斑光源的大视场散射成像的装置以用于对待观测的目标物在透过散射介质后进行成像，所述装置包括可移动散斑光源和相机传感器，其中所述可移动散斑光源产生的非相干光依次经过所述目标物和所述散射介质后被所述相机传感器采集成像；

A2：设置所述可移动散斑光源和所述相机传感器的参数以建立所采集图像参数与所述可移动散斑光源之间的对应关系，实现有效的多幅图像的采集；

A3：对步骤A2采集的多幅图像作预处理，构建集成强度矩阵；

A4：根据集成强度矩阵，利用自相关运算提取所述目标物的自相关信息，并利用相位恢复算法重建得到所述目标物的空域分布信息。

优选地，所述可移动散斑光源包括可移动平台和散斑光源，所述散斑光源架设在所述可移动平台上，且所述可移动平台具有X-Y方向二自由度。

优选地，步骤A2中设置所述可移动散斑光源的参数具体包括：设定所述可移动散斑光源产生的非相干光在所述目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸和颗粒分布，以及设定所述可移动散斑光源的移动方式。

优选地，其中设定所述可移动散斑光源产生的非相干光在所述目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸以使得散斑的颗粒尺寸远小于所述目标物的线宽，设定所述可移动散斑光源产生的非相干光在所述目标物所在平面形成的散斑的颗粒分布以使得散斑的强度分布具有无序性，设定所述可移动散斑光源的移动方式以使得在所述目标物所在平面形成的散斑的每次移动的距离小于或等于所述目标物的线宽且散斑的移动范围大于或等于所述目标物的尺寸。

优选地，其中设定所述可移动散斑光源产生的非相干光在所述目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸以使得散斑的颗粒尺寸远小于所述目标物的线宽具体包括：通过下式来调节所述可移动散斑光源的颗粒尺寸：

其中，C表示散斑的最小颗粒尺寸，β表示非相干光由所述可移动散斑光源所在平面到所述目标物所在平面的等效缩比，β>1；Δl表示所述目标物的线宽。

优选地，设定所述可移动散斑光源的移动方式以使得在所述目标物所在平面形成的散斑的每次移动的距离小于或等于所述目标物的线宽且散斑的移动范围大于或等于所述目标物的尺寸具体包括：通过下式来调节所述可移动散斑光源的移动方式：

其中，S_x表示所述可移动散斑光源沿X方向移动的步长，S_y表示所述可移动散斑光源沿Y方向移动的步长；L_x表示所述目标物沿X方向的最大尺寸，L_y表示所述目标物沿Y方向的最大尺寸；N_x表示所述可移动散斑光源沿X方向移动的总次数，N_y表示所述可移动散斑光源沿Y方向移动的总次数，β表示非相干光由所述可移动散斑光源所在平面到所述目标物所在平面的等效缩比，β>1；Δl表示所述目标物的线宽。

优选地，设定所述可移动散斑光源的移动方式还包括使得在所述可移动散斑光源移动的过程中，所述可移动散斑光源产生的非相干光在所述目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸及颗粒分布均保持不变，且所述目标物始终处在所述可移动散斑光源的照射区内。

优选地，步骤A2中设置所述相机传感器的参数具体包括：设定所述相机传感器的采集频率与所述可移动散斑光源的移动频率相对应。

优选地，步骤A3中构建得到的N_x×N_y维的集成强度矩阵IIM为：

N_x表示所述可移动散斑光源沿X方向移动的总次数，N_y表示所述可移动散斑光源沿Y方向移动的总次数；其中：

I_m,n(x,y)表示所述可移动散斑光源沿X方向移动m次且沿Y方向移动n次时相机所采集到的图像，x和y表示二维图像坐标系；

其中，构建的系统集成强度矩阵IIM等价于：

IIM＝S(x,y)*O(x,y)

*表示二维卷积运算，S(x,y)表示在所述目标物所在平面形成的散斑的强度分布，O(x,y)表示所述目标物的空域分布信息。

优选地，步骤A4具体包括：

对集成强度矩阵作自相关运算：

其中，δ函数为尖峰函数，即根据上式通过集成强度矩阵的自相关运算可获得所述目标物的自相关信息；

然后再对所述目标物的自相关信息作傅里叶变化、开根号处理得到所述目标物的幅值谱，再利用相位恢复算法重建目标物的空域信息O(x,y)。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的基于移动散斑光源的大视场散射成像方法，通过可移动散斑光源照射待观测的目标物，并根据其经过散射介质后采集到的多幅模糊图像构建集成强度矩阵，即待观测的目标物所在平面形成的散斑和目标物的空域分布信息的卷积信号，最后利用自相关运算及相位恢复算法，实现了待观测的目标物的高分辨率重建，其中该方法中整体均未涉及散射介质的记忆效应理论，因此系统的视场不受记忆效应范围的限制，从而使得该方法能实现相对大视场的散射成像，解决了现有的散射成像方法中视场受限的问题，在工业和日常生活中均具有较大的应用前景。

附图说明

图1是本发明优选实施例的基于移动散斑光源实现大视场散射成像方法的流程图；

图2是本发明优选实施例的基于移动散斑光源实现大视场散射成像的装置图；

图3是采用图2的装置的非相干光经过调制及传播后，在目标物所在平面形成强度二值化或连续分布的散斑图样；

图4是二维散斑图像的自相关的尖峰函数特性图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的优选实施例公开了一种基于移动散斑光源实现大视场散射成像方法，包括以下步骤：

A1：如图2所示，搭建基于移动散斑光源实现大视场散射成像的装置，装置包括二自由度移动散斑光源10和相机传感器20，该装置用于对待观测的目标物30在透过散射介质40后进行成像，其中二自由度移动散斑光源10、待观测的目标物30、散射介质40和相机传感器20依次排列在同一轴线上，以使得二自由移动散斑光源10产生的二自由度可移动非相干光依次经过待观测目标物30和散射介质40后，被相机传感器20采集；

其中，对系统各部分的要求如下：

1)二自由度移动散斑光源10：作为成像系统的照明部分，散斑光源能够发射出具有一定强度及统计分布特性的非相干光，同时散斑光源架设在高精度X-Y二自由度平移台上，用以实现对散斑光源发射出的非相干光在目标物所在平面形成的散斑的二维位置精密调控。

2)相机传感器20：相机传感器用于采集在散斑光源照射下，待测目标物经过散射介质后，在相机传感器平面形成的模糊图像，也即采集待观测目标物形成模糊图像，并用于后续重建。其中相机传感器可以采用单色相机传感器或彩色相机传感器均可。

3)待观测的目标物30：利用光学掩模板携带待观测的目标物的信息，即带有物体信息部分的掩模板能够实现对入射光线的全透射，非物体信息部分的掩模板能实现对入射光线的零透射，物体信息以光学掩模板上目标物光线透射率分布的形式体现。

4)散射介质40：散射介质比如云雾干扰、浑浊深海、生物组织等等，其内部折射率未知且复杂，会扰乱穿过散射介质的光线原有方向，导致提取物体有效信息困难；传统光学成像方法无法实现其清晰成像。

A2：设定系统装置各部分的参数，包括设定散斑光源产生的非相干光在目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸和颗粒分布，设定散斑光源的移动方式，以及设置相机传感器位置和采集模式；建立所采集图像参数与散斑光源参数之间的对应关系，实现有效的多幅图像采集；

1)设定散斑图样的颗粒尺寸、颗粒分布，及散斑光源的移动方式：

非相干光经过调制及传播后，在目标物所在平面形成强度二值化或连续分布的散斑图样，如图3所示。在本实施例中，对散斑图样颗粒尺寸的要求是，在目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸要远小于待观测目标物的线宽(在本实施例中，目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸要小于或等于待观测目标物的线宽的三分之一)，这需要限制非相干光的调制模式，以及通过限制散斑光源和目标物之间的距离，控制系统散斑的等效缩比，进而实现对目标物所在平面散斑颗粒尺寸的调节，即：

其中，C表示散斑光源产生的非相干光在目标物所在平面形成的散斑图样的最小颗粒尺寸，β表示非相干光由散斑光源所在平面到目标物所在平面的等效缩比(β>1)，缩小散斑光源和目标物之间的距离，等效缩比β减小，反之β增大；Δl表示目标物的线宽，表示光学掩模板上透光实线(即目标物区域)的最小宽度。

对散斑图样颗粒分布的要求是，散斑强度分布具有无序性，即二维散斑图像的自相关需具有尖峰函数的特性，如图4所示。

对散斑光源移动方式的要求具体体现在散斑光源的二自由度移动步长上，即经过等效缩比后，待观测目标物所在平面形成的散斑的每次移动的距离要小于或等于待观测目标物的线宽，散斑的二自由度移动范围要大于或等于目标物的尺寸，即：

其中，S_x表示散斑光源沿X方向移动的步长，S_y表示散斑光源沿Y方向移动的步长；L_x表示目标物沿X方向的最大尺寸，L_y表示目标物沿Y方向的最大尺寸；N_x表示散斑光源沿X方向移动的总次数，N_y表示散斑光源沿Y方向移动的总次数。

在光源移动的过程中，光源产生散斑的颗粒尺寸及颗粒分布等均保持不变，同时保证光学掩模板的目标物区域始终处在散斑光源的照射区内。

2)设置相机传感器的位置和采集模式：

相机传感器固定于系统的光轴附近即可，相机的采集频率要配合散斑光源的二维移动，即散斑光源每移动一次，相机采集当前散斑光源位置下的图像。相机传感器采集图片的总数N与散斑光源X方向移动次数N_x和Y方向移动次数N_y的关系可表述为：

N＝N_x·N_y. (3)

A3：对采集到的多幅模糊图像作预处理，构建系统集成强度矩阵IIM。

步骤A2中基于散斑光源移动方式和图像采集方式，相机传感器共采集到N张二维强度分布，表示为：I_1,1(x,y),I_1,2(x,y),……,I_m,n(x,y),……,I_Nx，Ny(x,y)，其中，I_m,n(x,y)表示散斑光源沿X方向移动m次且沿Y方向移动n次时相机所采集到的图像，x和y表示二维图像坐标系。系统集成矩阵IIM的构建过程如下：

由此得到N_x×N_y维的集成矩阵IIM：

上述构建过程中，模拟了二维卷积预算的特点，即构建的系统集成强度矩阵IIM等价于：

IIM＝S(x,y)*O(x,y), (6)

其中，*表示二维卷积运算，S(x,y)表示在目标物所在平面的散斑强度分布，O(x,y)表示目标物空域分布信息，以光学掩模板上光线透射率分布的形式存在，携带有目标物的信息。

A4：根据处理得到的集成强度矩阵IIM，及分析得出的IIM与散斑强度分布S(x,y)和目标物空域分布信息O(x,y)之间的卷积关系，利用自相关运算提取目标物的自相关信息，并利用傅里叶变换、相位恢复算法等重建目标物空域分布信息。

1)对集成强度矩阵作自相关运算：

根据步骤A2要求的散斑光源强度分布的无序性，散斑的自相关可近似为尖峰函数(即近似的δ函数)：

其中，任何信号和δ函数卷积的结果即是该信号本身，也即集成强度矩阵的自相关可进一步简化为：

即待观测目标物的自相关信息可直接从集成强度矩阵的自相关中获取。

2)对待观测目标物的自相关信息作傅里叶变化、开根号处理得到目标物的幅值谱，再利用相位恢复算法(Hybrid Input-Output and Error-Reduction)重建目标物的空域分布信息O(x,y)。

为了能够非侵入式重建散射介质后的待观测目标物，同时实现远超记忆效应范围的大视场成像，本发明优选实施例提出一种基于移动散斑光源的大视场散射成像方法，首先构建具有特定散斑颗粒尺寸和散斑强度分布的散斑光源，通过控制散斑光源的二维移动及相机同步采集，获取系统的集成强度矩阵IIM，人为构建出待观测目标物所在平面形成的散斑和目标物的空域分布信息的卷积信号；最后利用自相关运算及相关相位恢复算法，实现待观测目标物的高分辨率重建；整体方法未涉及散射介质的记忆效应理论，因此系统视场不受记忆效应范围的限制。

综上所述，本发明利用可二维移动的强度分布无序的散斑光源照射待观测目标物，并根据其经过散射介质后采集到的模糊图像，恢复待观测目标物的空域信息；该方法能实现相对大视场的散射成像，解决了现有的散射成像方法视场受限的问题，在工业和日常生活中具有较大应用的应用前景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于移动散斑光源的大视场散射成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1：搭建基于移动散斑光源的大视场散射成像的装置以用于对待观测的目标物在透过散射介质后进行成像，所述装置包括可移动散斑光源和相机传感器，其中所述可移动散斑光源产生的非相干光依次经过所述目标物和所述散射介质后被所述相机传感器采集成像；

A2：设置所述可移动散斑光源和所述相机传感器的参数以建立所采集图像参数与所述可移动散斑光源之间的对应关系，实现有效的多幅图像的采集；

A3：对步骤A2采集的多幅图像作预处理，构建集成强度矩阵；

A4：根据集成强度矩阵，利用自相关运算提取所述目标物的自相关信息，并利用相位恢复算法重建得到所述目标物的空域分布信息；

其中，步骤A3中构建得到的N_x×N_y维的集成强度矩阵IIM为：

N_x表示所述可移动散斑光源沿X方向移动的总次数，N_y表示所述可移动散斑光源沿Y方向移动的总次数；其中：

I_m,n(x,y)表示所述可移动散斑光源沿X方向移动m次且沿Y方向移动n次时相机所采集到的图像，x和y表示二维图像坐标系；

其中，构建的系统集成强度矩阵IIM等价于：

IIM＝S(x,y)*O(x,y)

＊表示二维卷积运算，S(x,y)表示在所述目标物所在平面形成的散斑的强度分布，O(x,y)表示所述目标物的空域分布信息。

2.根据权利要求1所述的大视场散射成像方法，其特征在于，所述可移动散斑光源包括可移动平台和散斑光源，所述散斑光源架设在所述可移动平台上，且所述可移动平台具有X-Y方向二自由度。

3.根据权利要求1所述的大视场散射成像方法，其特征在于，步骤A2中设置所述可移动散斑光源的参数具体包括：设定所述可移动散斑光源产生的非相干光在所述目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸和颗粒分布，以及设定所述可移动散斑光源的移动方式。

4.根据权利要求3所述的大视场散射成像方法，其特征在于，其中设定所述可移动散斑光源产生的非相干光在所述目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸以使得散斑的颗粒尺寸远小于所述目标物的线宽，设定所述可移动散斑光源产生的非相干光在所述目标物所在平面形成的散斑的颗粒分布以使得散斑的强度分布具有无序性，设定所述可移动散斑光源的移动方式以使得在所述目标物所在平面形成的散斑的每次移动的距离小于或等于所述目标物的线宽且散斑的移动范围大于或等于所述目标物的尺寸。

5.根据权利要求4所述的大视场散射成像方法，其特征在于，其中设定所述可移动散斑光源产生的非相干光在所述目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸以使得散斑的颗粒尺寸远小于所述目标物的线宽具体包括：通过下式来调节所述可移动散斑光源的颗粒尺寸：

其中，C表示散斑的最小颗粒尺寸，β表示非相干光由所述可移动散斑光源所在平面到所述目标物所在平面的等效缩比，β>1；Δl表示所述目标物的线宽。

6.根据权利要求4所述的大视场散射成像方法，其特征在于，设定所述可移动散斑光源的移动方式以使得在所述目标物所在平面形成的散斑的每次移动的距离小于或等于所述目标物的线宽且散斑的移动范围大于或等于所述目标物的尺寸具体包括：通过下式来调节所述可移动散斑光源的移动方式：

其中，S_x表示所述可移动散斑光源沿X方向移动的步长，S_y表示所述可移动散斑光源沿Y方向移动的步长；L_x表示所述目标物沿X方向的最大尺寸，L_y表示所述目标物沿Y方向的最大尺寸；N_x表示所述可移动散斑光源沿X方向移动的总次数，N_y表示所述可移动散斑光源沿Y方向移动的总次数，β表示非相干光由所述可移动散斑光源所在平面到所述目标物所在平面的等效缩比，β>1；Δl表示所述目标物的线宽。

7.根据权利要求3所述的大视场散射成像方法，其特征在于，设定所述可移动散斑光源的移动方式还包括使得在所述可移动散斑光源移动的过程中，所述可移动散斑光源产生的非相干光在所述目标物所在平面形成的散斑的颗粒尺寸及颗粒分布均保持不变，且所述目标物始终处在所述可移动散斑光源的照射区内。

8.根据权利要求1所述的大视场散射成像方法，其特征在于，步骤A2中设置所述相机传感器的参数具体包括：设定所述相机传感器的采集频率与所述可移动散斑光源的移动频率相对应。

9.根据权利要求1所述的大视场散射成像方法，其特征在于，步骤A4具体包括：

对集成强度矩阵作自相关运算：

其中，δ函数为尖峰函数，即根据上式通过集成强度矩阵的自相关运算可获得所述目标物的自相关信息；

然后再对所述目标物的自相关信息作傅里叶变化、开根号处理得到所述目标物的幅值谱，再利用相位恢复算法重建目标物的空域信息O(x,y)。

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