CN110392193B - 一种掩膜板相机的掩膜板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种掩膜板相机的掩膜板。二维掩膜板为两个一维序列的积，每个一维序列均由近完美序列组成；具体地，掩膜板由两个一维序列生成，根据所需的掩膜板长度，每个一维序列都由一个或多个完整的近完美序列组成，两个一维序列分别作为列向量、行向量相乘得到所需的二维掩膜板矩阵。本发明提高了掩膜板相机的成像质量与图像信噪比，实现掩膜板相机高质量成像，拓展了编码成像编码阵列的设计方式，为掩膜板相机高质量成像奠定基础。

Description

一种掩膜板相机的掩膜板
技术领域
本发明属于数字成像技术领域，涉及掩膜板相机成像质量、信噪比提升工作，具体涉及一种掩膜板相机的掩膜板。
技术背景
传统相机由于存在复杂的镜头，导致整个相机体积庞大，这便限制了相机的应用。例如，在航天遥感成像中通常要求相机要有较小的质量，在生物医学成像(医疗胃镜等)中常常要求相机有较小的体积，在这些情况下传统相机便无能为力。因此，如何实现超薄无透镜成像是光学成像领域的一个重要研究方向。掩膜板相机由掩膜板和光电传感器阵列组成，是一种新型超薄无透镜相机。其厚度只有几个毫米。因此，掩膜板相机在科学探索、航天遥感、监视侦察和生物医学成像等领域中具有重大研究价值和重要的科学意义。
在掩膜板相机中，掩膜板常由伪随机序列生成，传统的掩膜板由mls序列(最大长度序列)或mura阵列(修正均匀冗余阵列)生成，对于mls序列，其自相关除零位移处外具有均匀的噪声，导致图像复原质量、信噪比下降；对于mura掩膜板，其衍射严重且多项叠加成像模型误差较大。因此，针对掩膜板相机的掩膜板设计仍有改进空间。
掩膜板相机研究涉及的文献有许晓锋.光学压缩编码成像及其复原算法研究[D].西安电子科技大学,2011；邵晓鹏,钟宬,杜娟,饶存存.多值压缩编码孔径超分辨率成像方法[J],光电子.激光,2012,23(06):1189-1195；DeWeert M J,Farm B P.Lensless coded-aperture imaging with separable Doubly-Toeplitz masks[J].Optical Engineering,2015,54(2):023102；Asif M S,Ayremlou A,Sankaranarayanan A,et al.Flatcam:Thin,lensless cameras using coded aperture and computation[J].IEEE Transactions onComputational Imaging,2017,3(3):384-397.
上述文献中许晓锋设计最优化迭代复原算法，实现图像的超分辨率重建；DeWeert等人提出了可分离掩膜编码，降低了运算复杂度；Asif等人设计了条纹标定方法，提高了编码矩阵的准确度。这些研究分别从图像复原算法、复原计算量、标定方法方面改善了系统成像质量，但未在掩膜板所用编码序列设计方面提出改进。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种掩膜板相机的掩膜板，丰富了掩膜板相机掩膜板的种类。相比传统掩膜板，本发明能够提高掩膜板相机成像质量与成像信噪比，为掩膜板相机高质量成像奠定基础。
为实现掩膜板相机高质量成像，设计了一种新型近完美掩膜板。
所述二维掩膜板为两个一维序列的积，每个一维序列均由近完美序列组成。
所述掩膜板由两个一维序列生成，根据所需的掩膜板长度，每个一维序列都由一个或多个完整的近完美序列组成，两个一维序列分别作为列向量、行向量相乘得到所需的二维掩膜板矩阵，掩膜板矩阵中的二值数字分别表示透光与不透光。
所述的掩膜板的近完美序列如下获得：
建立一个长度为n的近完美序列，近完美序列的周期自相关函数如下：
Figure BDA0002095111870000021
其中，mod(n)表示对n取余数，τ表示周期自相关位移量，Si表示近完美序列的第i个元素，n表示近完美序列的长度；R(τ)表示位移量τ时的周期自相关值；
将上述近完美序列的第n/2个和第n个元素为-1，除了这两个位置外，近完美序列的前半部分与后半部分置为互补关系，表示如下：
Figure BDA0002095111870000022
上式中，Si表示近完美序列S的第i个元素；
按照以下特征公式构建近完美序列的前半部分或者后半部分，然后以互补关系构建另一半部分，从而获得完整的近完美序列：
Figure BDA0002095111870000023
最后，按照上述步骤处理获得两个近完美序列，再采用以下公式获得二维掩膜板矩阵φ：
φ＝S1*S2 T (8)
其中，S1表示第一个近完美序列，S2表示第二个近完美序列。
具体实施中，得到由{-1，1}表示的近完美序列后通过以下转换方式将其转换为由{0，1}表示的近完美序列：
Figure BDA0002095111870000031
所述的掩膜板相机为由掩膜板和光电传感器阵列组成的成像系统。
掩膜板相机成像原理为：光电传感器每个像元通过掩膜板上对应的矩形孔阵列接收物方光线，形成对物方场景的编码。然后通过光电传感器阵列获得编码图像，使用编码矩阵对编码图像进行解码计算，复原出物方场景。编码矩阵通过使用条纹图案标定获得。
本发明基于掩膜板相机的编码成像原理，针对图像质量与图像信噪比需求，在伪随机阵列掩膜板的设计上提出了新思路。本发明与传统的伪随机阵列相比，提高了掩膜板相机的成像质量与图像信噪比，拓展了编码成像编码阵列的设计方式，为掩膜板相机高质量成像奠定基础。
本发明的技术方案基于掩膜版相机编码成像的特性，具体技术方案如下：
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明基于掩膜板相机的编码成像原理，针对图像质量与图像信噪比需求，在伪随机阵列掩膜板的设计上提出了新思路。
本发明掩膜板由近完美序列组成，其自相关特性优异，接近完美序列；与传统的伪随机阵列相比，提高了掩膜板相机的成像/复原质量与图像信噪比，实现掩膜板相机高质量成像，拓展了编码成像编码阵列的设计方式，为掩膜板相机高质量成像奠定基础。
附图说明
图1是掩膜板相机结构示意图，其中1为掩膜板，2为光电传感器阵列；
图2是传统mls掩膜板示意图；
图3是本发明近完美掩膜板示意图；
图4是示例性实例物方图像1；
图5是采用本发明近完美掩膜板的掩膜板相机对物方图像1的成像结果；
图6是采用传统mls掩膜板的掩膜板相机对物方图像1的成像结果；
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。
掩膜板相机结构如图1所示，其中1为掩膜板，2为光电传感器阵列。掩膜板由一块透明玻璃镀上金属膜制作而成，如图3所示，黑色区域为镀膜区域，镀膜区域不透光，白色区域为透光区域，二维掩膜板图案由两个一维近完美序列相乘生成。
光电传感器阵列的像元能通过掩膜板透光区域接收物方光线，若二维掩膜板由两个一维序列相乘得到，则在光电传感器阵列上形成了物方光线的编码：
Y＝φLXφR T (10)
其中，Y为光电传感器阵列输出的编码图像，X为物方图像，φL、φR为编码矩阵。编码矩阵可以通过标定获得。
依据公式1，即可利用编码矩阵φL、φR从编码图像Y中复原出物方图像X。
传统的伪随机阵列掩膜板由最大长度序列生成，如图2所示，白色区域透光黑色区域不透光，符合掩膜板相机成像原理。然而，最大长度序列异相自相关函数曲线具有均匀旁瓣，导致图像复原质量降低。
具体实施的掩膜板的近完美序列如下获得：
建立一个长度为n的近完美序列，近完美序列的周期自相关函数如下：
Figure BDA0002095111870000041
其中，mod(n)表示对n取余数，τ表示周期自相关位移量，Si表示近完美序列的第i个元素，n表示近完美序列的长度；R(τ)表示位移量τ时的周期自相关值；
将上述近完美序列的第n/2个和第n个元素为-1，除了这两个位置外，近完美序列的前半部分与后半部分置为互补关系，表示如下：
Figure BDA0002095111870000042
上式中，Si表示近完美序列S的第i个元素；
按照以下特征公式构建近完美序列的前半部分或者后半部分，然后以互补关系构建另一半部分，从而获得完整的近完美序列：
Figure BDA0002095111870000043
任何由公式(9)搜索得到的长度为n/2的序列由公式(8)扩展为长度为n的近完美序列。
最后，按照上述步骤处理获得两个近完美序列，再采用以下公式获得二维掩膜板矩阵φ作为二维序列，即掩膜编码序列，其中S1,S2为两个由近完美序列组成的列向量：
φ＝S1*S2 T (14)
其中，S1表示第一个近完美序列，S2表示第二个近完美序列。
上述掩膜板由近完美序列组成，结果如图3所示，白色区域透光黑色区域不透光。
本发明的近完美序列是一种伪随机序列，其序列长度须为4的整数倍且元素-1比元素1多两个。近完美序列的非周期自相关特性与最大长度序列的非周期自相关特性相似，近完美序列的周期异相自相关仅在两点有旁瓣其余均为零，与现有技术的mls序列等相比它的自相关特性更接近理想的完美序列。
本发明使用图3所示近完美掩膜板作为掩膜版相机掩膜，对图4所示物方图像成像，并以图2所示的传统mls掩膜板为对比，说明本发明的有益效果。
本发明方法实施的具体算例如下：
本实施例中使用的掩膜板相机由VT-Nep1300GC相机的光电传感器阵列和金属光刻掩膜板组成。光电传感器阵列的像元大小为5.3微米，分辨率为1280*1024。近完美掩膜板由512长度的近完美序列制成，尺寸为20.48mm*20.48mm；mls掩膜板由511长度的近完美序列制成，尺寸为20.44mm*20.44mm。光电传感器阵列和掩膜板之间缝隙宽2.5mm。
首先对图4所示的物方图像成像，本实例将图4所示图像显示在一块显示屏上，图像尺寸为14.2cm*14.2cm，显示屏到掩膜板相机之间距离为39cm。使用本发明近完美掩膜板的成像结果如图5所示，作为对比，使用图2所示传统mls掩膜板的成像结果如图6所示。
二者复原质量对比如下表所示：
PSNR
近完美掩膜板 13.99
mls掩膜板 12.44
上表中，PSNR表示图像的峰值信噪比，是一种评价图像的客观标准，其值越大说明复原的图像越接近原图。由上表可见，由近完美掩膜板成像结果优于传统掩膜板，其复原的图像更清晰，显著提高了信噪比。
在上述实施例中，使用本发明的近完美掩膜板作为相机的掩膜板，与同等条件下使用传统mls掩膜板成像相比，成像质量更好信噪比更高。

Claims (4)

1.一种掩膜板相机的掩膜板，其特征在于：所述掩膜板为二维掩膜板，所述二维掩膜板为两个一维序列的积，每个一维序列均由近完美序列组成；
具体为：所述二维掩膜板由两个一维序列生成，根据所需的掩膜板长度，每个一维序列都由一个或多个完整的近完美序列组成，两个一维序列分别作为列向量、行向量相乘得到所需的二维掩膜板矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种掩膜板相机的掩膜板，其特征在于：所述的掩膜板的近完美序列如下获得：建立一个长度为n的近完美序列，近完美序列的周期自相关函数如下：
Figure FDA0002598298310000011
其中，mod(n)表示对n取余数，τ表示周期自相关位移量，n表示近完美序列的长度；R(τ)表示位移量τ时的周期自相关值；
将上述近完美序列的第n/2个和第n个元素为-1，除了这两个位置外，近完美序列的前半部分与后半部分置为互补关系，表示如下：
Figure FDA0002598298310000012
Si表示近完美序列S的第i个元素；
按照以下特征公式构建近完美序列的前半部分或者后半部分，然后以互补关系构建另一半部分，从而获得完整的近完美序列：
Figure FDA0002598298310000013
最后，按照上述步骤处理获得两个近完美序列，再采用以下公式获得二维掩膜板矩阵φ：
φ＝S1*S2 T (4)
其中，S1表示第一个近完美序列，S2表示第二个近完美序列。
3.根据权利要求1所述的一种掩膜板相机的掩膜板，其特征在于：
所述的掩膜板相机为由掩膜板和光电传感器阵列组成的成像系统。
4.根据权利要求3所述的一种掩膜板相机的掩膜板，其特征在于：
所述的光电传感器阵列主要由光电传感器在成像接收平面阵列均布构成。
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