CN110230995B

CN110230995B - 一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置

Info

Publication number: CN110230995B
Application number: CN201910387850.4A
Authority: CN
Inventors: 刘欣; 叶志远; 邱庞合; 高文香; 丁晶; 李晨; 刘雨晴; 霍荧; 苏波; 何敬锁; 张盛博
Original assignee: Capital Normal University
Current assignee: Capital Normal University
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-05-10
Also published as: CN110230995A

Abstract

本发明公开了一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置，在传统的重影成像中，使用三个偏振片来实现SNR的重新分配，并且改善了ROI的信噪比，即通过在其中一个偏振片上挖空一个与感兴趣区域一致的图形，再将三个偏振片的偏振方向调节到满足一定条件，就可以完全抑制无关背景噪声，而放大了感兴趣区域的信息，因此本发明装置可以简单地在传统的鬼成像系统中实现ROI。

Description

一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置

技术领域

本发明属于鬼成像技术领域，具体涉及一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置。

背景技术

在鬼成像的发展过程中，逐渐提出各种鬼成像的方法。单像素成像，也称为计算鬼影成像(CGI)，仅用一个非空间分辨率的探测器就可以重建整个图像。近年来，单像素成像在全色成像、三维成像、非可见光波段成像、低光级或高噪声影响条件下成像均取得了成功。为了提高成像质量和效率，提出了差分鬼影成像(DGI)、归一化鬼影成像(NGI)、高阶鬼影成像(HGI)和压缩感知成像(CSGI)等多种方案。然后，利用空间光调制器(SLM)和数字微镜器件(DMD)，人工生成各种光照模式。此外，成像质量和效率与光照模式模型密切相关。为了提高成像质量，提高模型的正交性，提出了伪逆鬼影成像(PGI)、正弦鬼影成像(SGI)、奇异值分解鬼影成像(SVDGI)和Hadamard单像素成像(HSI)。

在上述所有的策略中，即使是压缩或欠阻尼，也无法避免大量的光照模式，这意味着同时牺牲信噪比(SNR)或分辨率来减少样本数量。最近提出的单像素视频^[27,28]在很大程度上依赖于DMD的调制速度和数据的高压缩。因此，选择不同的方案来压缩大数据，或者灵活协调信噪比、分辨率和成像时间之间的关系是非常关键的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置，可以提高感兴趣区域的信噪比，提高成像质量。

一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置，包括：

用于产生不断变化散斑图案的光源；

用于将光源的光束分成两束的分束器；

用于在分束器后接收其中一束光束的成像器件；

用于在目标物被另一束光束照射后接收透射光并对其聚焦的聚焦透镜；

用于接收聚焦后光束强度信号的光电探测器；

用于改变光电探测器之前光路中光束偏振状态的偏振器组合；

用于根据成像器件接收的图像以及光电探测器接收的强度信号恢复目标图像的计算机；

其中，所述偏振器组合包括三个偏振器，按照距离光电探测器从远及近的顺序分别定义为偏振器P1、偏振器P2和偏振器P3；其中，偏振器P1和偏振器P2位于目标物之前；偏振器P2的中部挖空，挖空区域的大小和形状根据恢复图像感兴趣区域的大小和形状确定；并且偏振器P2可在垂直于光轴的平面内平移；偏振器P1和偏振器P3可绕光轴旋转，偏振器P1与偏振器P2偏振方向的夹角定义为α，偏振器P2与P3偏振方向的夹角定义为β，且α和β的关系满足：

大于1；

其中，

表示通过偏振器组合后光束的衰减程度。

较佳的，所述光源包括顺序布置的激光器、可绕光轴旋转的毛玻璃以及针孔。

较佳的，所述偏振器P1位于激光器与毛玻璃之间；偏振器P2位于分束器与目标物之间；偏振器P3位于目标物与光电探测器之间。

较佳的，所述聚焦透镜有两个，其中一个位于目标物之前，另一个位于目标物与光电探测器之间，先后对光束进行汇聚后，最终聚焦到光电探测器上。

较佳的，所述光源采用可连续不断播放不同散斑图案的投影仪实现。

较佳的，所述偏振器P2的偏振方向与光轴夹角为0°。

较佳的，所述偏振器P1与偏振器P2的偏振方向夹角α为固定值。

较佳的，所述偏振器P1与偏振器P2的偏振方向夹角α为30°。

本发明具有如下有益效果：

本发明在传统的重影成像中，使用三个偏振片来实现SNR的重新分配，并且改善了ROI的信噪比，即通过在其中一个偏振片上挖空一个与感兴趣区域一致的图形，再将三个偏振片的偏振方向调节到满足一定条件，就可以完全抑制无关背景噪声，而放大了感兴趣区域的信息，因此本发明装置可以简单地在传统的鬼成像系统中实现ROI。

附图说明

图1为本发明的装置光路图；

图2为三片偏振器的放置位置关系图；

图3为当α＝30°时，在不同的β下经过三片偏振器后获得的散斑图案；

图4为当α＝30°时，r的对数值与β之间的理论值和实际值之间的关系曲线；

图5(a)为发明实施例采用的目标物图像；图5(b)是比对试验采用的光强分布均匀的散斑图；图5(c)是基于图5(b)采用传统鬼成像方法的模拟结果；图5(f)是基于图5(b)采用本发明方法得到的模拟结果；

图6为周期投影目标的实验结果，图6(a)是周期投影目标的图像；(b)是由CCD捕获的目标的图像；(c)是CCD捕捉到的原始散斑图；(d)是(c)的成像结果；(e)、(g)、(i)和(k)是在同一个ROI中以不同的偏振角调制的散斑图；而(f)、(h)、(j)和(l)是相应的成像结果；(m)和(o)是在不同的ROI中处于相同偏振角的散斑图；(n)和(p)是相应的成像结果。

图7(a)为成像目标的灰度值分布；

图7(b)为五个区域的信噪比；

其中，1-激光器，2-磨砂玻璃，3-针孔，4-分束器，5-CCD，6-目标物，7-光电探测器，8-数据采集卡，9-计算机。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

传统鬼成像中，光源向待成像目标物投射不断变化的散斑图案，单像素检测器不断接收目标物的透射光线或者反射光强，然后通过单像素检测器接收大光强值序列已经对应的散斑图案，恢复目标物。简单地说，可以使用一个N维的行向量O(1×N)来表示要恢复成像的目标，其中N的值表示恢复目标物的像素数。无论是传统的鬼影成像还是单像素成像，都需要大量的光照模式或散斑模式。这里使用测量矩阵S(M×N)来表示M种不同的散斑模式或光照模式。将M个光照模式投射到物体上，通过聚光透镜收集其反射或透射光，利用单像素检测器收集光强。这个物理过程可以近似为:

b＝O×S (1)

其中向量b(1×M)表示单像素检测器检测到的相对强度值。

在鬼影成像中，常用以下公式来恢复物体:

其中

表示O成像后的恢复解，表示向量b中所有元素的平均值，t表示矩阵的转置。

通常情况下，S服从高斯分布，由电荷耦合器件(CCD)在传统的重影成像中获得，而在计算重影成像或单像素成像中，由于使用DMD或SLM，S通常是人为预设的。

本发明中，在传统鬼成像的光路中的光源与单像素检测器之间引入三个偏振器，如图2所示，分别定义P1、P2和P3；其中偏振器P2的中部挖空，挖空区域的大小和形状根据目标物恢复图像的感兴趣区域的大小和形状确定；并且偏振器P2可在垂直于光轴的平面内平移，由此改变感兴趣区域的位置；偏振器P1和P3可绕光轴旋转，偏振器P1与P2偏振方向的夹角定义为α，偏振器P2与P3偏振方向的夹角定义为β。

如图1所示，本实施例中，偏振器采用薄膜偏振片；光源采用激光器1和磨砂玻璃2产生散斑图案，其中，氦-氖激光器1产生红光，磨砂玻璃2将激光调制成热光，同时，磨砂玻璃2还绕光轴不断转动(可由步进电机驱动)，由此产生不断变化的散斑图案；另外，还可以采用投影仪直接投射变化的散斑图案。本实施例中，偏振器P1置于激光器1和磨砂玻璃2之间，将光线变成为线偏振光；磨砂玻璃2透射的热光又穿过针孔3后，通过分束器(BS)4形成两条光路：在其中一条光路中，CCD5直接采集散斑图案；在另一条光路上，光束通过凸透镜L1(f＝50mm)和偏振器P2到达目标所在平面。光束通过目标物后，通过凸透镜L2(f＝30mm)和偏振器P3，由光电放大探测器7(APD：索雷博PDA100A2)采集，将光信号转换为电信号并放大。最后，通过数据采集卡8将电信号转换为数字信号，传输到计算机9。在数据处理中，利用同时获取的散斑图案和强度值来恢复图像。

由于事先确定了恢复图像中感兴趣区域，因此相当于将向量O分为感兴趣区域O_ROI(1×n₁)和非感兴趣区域O₁(1×n₂)两部分，其中n₁+n₂＝N，如(3)式所示:

O＝[O_ROI,O₁] (3)

相应的，S也可分为感兴趣区域S_ROI(n₁×M)和非感兴趣区域S₁(n₂×M)两部分，如(4)式所示:

由于偏振器P2的中部被挖空，则最终从偏振器P3出射的光线就会在接收面上产生不均匀的散斑图案，挖空区域对应的为感兴趣区域，其它区域为非感兴趣区域，如图3所示，两个区域的光强有明显的不同。为了方便确定三个偏振器的相对偏摆角，将偏振器P2偏振方向与光轴夹角固定为0度，通过调整偏振器P1和P2的夹角α和β来调整不均匀的散斑图案中感兴趣区域和非感兴趣区域的光强。如果装置中只存在P1和P2，转动P1，转动偏振片至消光的位置，此时说明P1和P2夹角为90°，我们顺时针转动取P1和P2的夹角为30°，即α＝30°。如果装置中只存在P3和P2，转动P3，至消光的位置，此时说明P3和P2夹角为90°，顺时针转动P3，改变改变两者偏振方向夹角β可以得到感兴趣区域与非感兴趣区域照度的不同比值。

设入射到偏振器P1的初始照度为I₀，通过三个偏振器后，因偏振器吸收光而引起了损耗，感兴趣区域和非感兴趣区域的光损耗不同，根据Malus定律，则两个区域照度的比值可由如下公式表示:

其中，k(α,β)表示通过偏振器后光束的衰减程度，为常数，可通过实验测定；I₁和I₂分别表示感兴趣区域和非感兴趣区域的照度；

如图3所示，将偏振器P1与P2偏振方向夹角α固定为30°，通过改变偏振器P2与P3偏振夹角β，来改变散斑图案中两个区域的照度比值；当然也可以同时改变α和β。本发明中，一次成像只需要设定一组α和β的值即可。

图4示出了log(r)的值与第三偏振器旋转角之间的理论和实际关系。可以看出，r的值在理论上是宽的但不精确。事实上，r的确切值在具体实验中没有多大意义，它实际上反映了一种定性关系。将值固定为30度，即第一个偏振器和第二个偏振器保持不变，以调节第三个偏振器以实现不同的r值。

虽然不均匀光场对鬼影成像会产生不利影响，但本发明却打破原有的认知，故意产生不均匀光场，但却能提高感兴趣区域的成像质量；本实施例中，将传统鬼成像的效果和本发明进行比对：如图5所示，将图5(a)作为目标图像，图5(b)为光源产生的散斑图案S，采用传统鬼成像方法恢复得到图5(c)所示的图像；采用本发明的成像装置图5(f)所示的图像，将得到5(c)和5(f)对比可发现，图像中部的感兴趣区域的信噪比明显提高。

当然，ROI位于中间的挖空区域，可以通过平移偏振器P2位置来更改ROI的位置。由于三个偏振器的调制，感兴趣区域的照度与非感兴趣区域的照度之比为r，故式(4)可写成：

与式(1)类比，可得下式：

b＝O×S_A (7)

由于向量O分为O_ROI(1×n₁)和O₁(1×n₂)两部分，其中n₁+n₂＝N；

忽略常数项，将方程(7)代入方程(2)，可得：

从方程(8)可以看出，O_ROI与O₁是一种竞争关系，当O_ROI增大时，那么O₁就会减小，即是一种此消彼长的关系。在传统的鬼成像中不能精确地控制s，但是可以通过调整系统中的偏振器相对角度来调整r的值。这样，S_ROIS_ROI ^T,S₁S_ROI ^T,S₁S₁ ^T和S_ROIS₁ ^T中不含r，所以就不能人为控制。O_ROI,O₁S₁S_ROI ^T是一个不可避免的背景噪声项，从rO_ROIS_ROIS_ROI ^T确定了在背景噪声项不变的情况下的成像质量。当r值变大时，那么ROI区域的信噪比就会增加，从而提高ROI区域的成像质量。

在初始条件下，R值为1，其物理意义是偏光系统不均匀地调制散斑图案。当旋转偏振器使r值大于1时，完全抑制了的无关背景噪声项，放大了相关信息(RIO)项，反之亦然。通过这种方案，可以简单地在传统的鬼成像系统中实现ROI。

如图6(a)和(b)所示，在黑色亚克力板上雕刻出周期性分布的三角形图案，黑色部分不透明，白色部分透明。总共对该物体进行了7次比较实验，这样可以通过实验结果直观地看到成像的差异。在10000倍的采样频率下进行以下实验，研磨玻璃的转速为每转5000步，CCD的采集帧速率为2Hz。第一偏振器和第二环形偏振器之间的角度为30度。通过对比图6(d)、(f)和(j)，随着r值的增加，ROI的信噪比和对比度也相应增加。通过对比图6(d)、(h)和(l)，ROI的信噪比和对比度相应降低，直到被背景噪声淹没。通过移动二维平移台改变了第二偏振片的位置，得到了(n)和(p)的实验结果。为了进行定量描述和比较，我们选择图6(a)中用红色虚线标记的区域作为比较目标。如图7(a)所示，制作了图6中(d)、(f)、(h)、(j)和(l)对应区域的灰度值作为像素位置的函数图，其中图7(a)中的虚线表示成像目标的灰度值分布。以下公式为信噪比(SNR)的计算公式：

由上述方程可以计算出这五个区域的信噪比，如图7(b)所示。总体而言，成像结果与理论预期相当。通过该系统和方案，消除了光强不均匀的影响，提高了ROI的信噪比和对比度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置，其特征在于，包括：

用于产生不断变化散斑图案的光源；

用于将光源的光束分成两束的分束器；

用于在分束器后接收其中一束光束的成像器件；

用于接收聚焦后光束强度信号的光电探测器；

其中，所述偏振器组合包括三个偏振器，按照距离光电探测器从远及近的顺序分别定义为偏振器P1、偏振器P2和偏振器P3；其中，偏振器P1和偏振器P2位于目标物之前；偏振器P2的中部挖空，挖空区域的大小和形状根据恢复图像感兴趣区域的大小和形状确定；并且偏振器P2可在垂直于光轴的平面内平移；偏振器P1和偏振器P3可绕光轴旋转，偏振器P1与偏振器P2偏振方向的夹角定义为α，偏振器P2与P3偏振方向的夹角定义为β，且α和β的关系满足：k(α，β)×(1+tanα tanβ)²大于1；

其中，k(α，β)表示通过偏振器组合后光束的衰减程度；

所述光源包括顺序布置的激光器、可绕光轴旋转的毛玻璃以及针孔；

所述偏振器P1位于激光器与毛玻璃之间；偏振器P2位于分束器与目标物之间；偏振器P3位于目标物与光电探测器之间。

2.如权利要求1所述的一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置，其特征在于，所述聚焦透镜有两个，其中一个位于目标物之前，另一个位于目标物与光电探测器之间，先后对光束进行汇聚后，最终聚焦到光电探测器上。

3.如权利要求1所述的一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置，其特征在于，所述光源采用可连续不断播放不同散斑图案的投影仪实现。

4.如权利要求1所述的一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置，其特征在于，所述偏振器P2的偏振方向与光轴夹角为0°。

5.如权利要求4所述的一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置，其特征在于，所述偏振器P1与偏振器P2的偏振方向夹角α为固定值。

6.如权利要求5所述的一种基于鬼成像的感兴趣区域成像装置，其特征在于，所述偏振器P1与偏振器P2的偏振方向夹角α为30°。