CN111103697B - 利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像方法，属于散射介质成像领域。通过调制空间光调制器来改变成像系统的孔径函数，记录每次改变时相应的散斑图和孔径函数的变化，然后对记录的多帧散斑图采用最大似然估计法和拟牛顿算法重建散射介质后方的目标图像。与以往基于相位多样性的散射介质成像方法相比，本发明不是通过移动相机位置来达到调制系统孔径函数的目的，因而不会出现由于相机位置改变而导致的散斑扩散问题；并且可以在多帧散斑图上任意选取同一位置来截取子散斑图，重建目标图像的效果也更好。
Description
技术领域
本发明属于散射介质成像领域，具体说是一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像方法。
背景技术
传统的光学成像方法通常无法直接获得隐藏在散射介质后方的物体像，因此如何利用光学技术实现穿透散射介质对后方物体进行成像，是长久以来光学成像技术领域的重要研究课题。随着研究的深入，人们陆续提出了许多实验方案，如经典的鬼成像方法、散斑相关方法、波前校正方法等等。这些方法虽然在一定条件下可以得到较好的结果，但是都有其自身的局限性，并且这些方法都专注于如何成功地重建物体图像，而忽略了获得成像系统自身的点扩散函数。1992年，Paxman首次提出了相位多样性理论。该理论主要是为了解决天文学中由于大气扰动而引起的成像质量降低的问题，受到了相关领域学者的密切关注，其后许多基于该理论的实验方案被提出以解决相位畸变引起的成像问题。2016年，这种理论被应用到透过散射介质进行成像的实验研究中。其具体做法是：紧贴着散射介质后表面放置一个孔径光阑，通过纵向移动相机的方式改变整个散射成像系统的孔径函数；记录多组相机移动位置及其对应的散斑图像；然后在所记录的多帧散斑图像中心部位各自截取子散斑图，并通过适当算法从这些具有相位多样性的子散斑图中重建出物体信息。相比于其它透过散射介质进行成像的方法，这种基于相位多样性的散射介质成像方法不需要在目标物体附近设置参考点，即可以实现非侵入式成像，并且由于获得了成像系统的局部点扩散函数，只要散射介质等条件没有变化，如果后方目标物体发生更换，都可以通过简单的解卷积运算从散斑图中解出其像。然而这种方法也存在着明显的缺点，比如纵向移动相机虽然可以达到改变成像系统的孔径函数的目的，但同时也会引入新的问题，即散斑扩散带来的误差。这导致了对于所得到的多帧散斑图，只能在其中心部分截取子散斑图用来重建目标物体，且重建效果不佳。
发明内容
本发明所要解决的问题是克服已有技术存在的不足，提出一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像方法，简化实验步骤，提高成像速度和成像质量。
为了实现上述目的，本发明采用图1所示的系统结构，主要装置包括：非相干光源，准直透镜，目标物体，散射介质，孔径光阑，空间光调制器和CCD相机；目标物体的大小和位置必须满足没有超出散射介质光学记忆效应范围的条件；光阑的孔径大小决定了整个成像系统的主孔径；空间光调制器用来调节系统孔径函数的相位函数；每次改变空间光调制器的相位控制矩阵后，拍摄一张相应的散斑图。
本发明所述的一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像方法，包括以下步骤：
(1)拍摄一张空间光调制器的相位控制矩阵全部为0，即没有引入相位变化时的散斑图；
(2)随机改变空间光调制器的相位控制矩阵，并记录其矩阵数据及相应的散斑图，多次重复此步骤，一般拍摄的散斑图数量越多，重建目标图像的效果越好；
(3)确定一个合适的尺寸，然后按照该尺寸在多帧散斑图上的某个固定位置截取子散斑图；(4)将记录的相位控制矩阵矩阵数据和子散斑图输入算法程序，重建出目标物体图。
其中，上述步骤(3)的具体实现过程如下：
(3a)确定一个尺寸，该尺寸要求不能小于目标物体自相关图像的大小；
(3b)在步骤(2)得到的多帧散斑图上，按步骤(3a)确定的尺寸截取子散斑图，要求在每一帧散斑图上截取子散斑图的位置都相同；
(3c)使用汉宁窗口对步骤(3b)所得到的多幅子散斑图进行空间滤波，以减少其边界的不连续效应。
上述步骤(4)的具体实现过程如下：
(4a)根据相位多样性原理，由于目标处于散射介质的一个光学记忆效应范围内，相机接收的散斑图可表示为：
in(x)＝o(x)*hn(x)+wn(x) (1)
其中n表示得到的第n张散斑图，o(x)为目标物像，hn(x)为成像系统点扩散函数(PSF)，wn(x)表示成像过程中引入的噪声，此处假设其为加性高斯白噪声，噪声的方差为
hn(x)＝|F-1[|Sn(u)|exp{i[φ(u)+θn(u)]}]|2 (2)
公式(2)为系统点扩散函数表达式，它是孔径函数的反傅里叶变换的模的平方，其中，u表示像素到图像中心的距离；孔径函数的幅值|Sn(u)|在孔径之内为1，其余部分为0；而其相位分为两部分，θn(u)代表空间光调制器引入的已知的相位变化，φ(u)表示散射介质引入的未知随机相位，也就是需要求得的未知部分；
in(x)表示的相机接收的散斑图，是一个具有正态概率密度分布的随机变量，对散斑的所有像素进行统计之后，可以列出其概率密度函数：
忽略常数项和标量因子，并利用帕斯瓦尔定理及卷积定理转换到频率域，最终得到求解随机相位和目标图的两个目标函数：
式中In(u)，O(u)，Hn(u)分别表示in(x)，o(x)和hn(x)的傅里叶变换；
(4b)根据最大似然估计原理，当(4)式取最大值时φ(u)为最优解；因此将步骤(2)中记录的空间光调制器的相位控制矩阵数据，以及步骤(3)中得到的多幅经滤波处理后的子散斑图代入(4)式，使用最大似然估计法和拟牛顿算法等最优化算法求解φ(u)的最优解；
(4c)将步骤(4b)求得的φ(u)代入(5)式，重建出目标图像。
与其它透过散射介质进行成像的方法相比，本发明具有以下优点：
(1)本方法不需要在目标物附近设置参考点或参考物，属于非侵入式成像方式；
(2)本方法使用空间光调制器调制系统的孔径函数，相机位置不发生变化，也就不需要根据相机位置计算所引入的附加相位分布等环节，减少了计算量；
(3)由于相机位置不发生变化，孔径函数的改变不会导致散斑扩散及其带来的误差；
(4)在多帧散斑图上截取子散斑图的位置可以任意选取，并且重建图的效果更好。
附图说明
附图1为本发明方法的系统原理图，图中标号分别代表：1非相干光源，2准直透镜，3目标物体，4散射介质，5孔径光阑，6空间光调制器，7CCD相机。
附图2为本发明方法一实例使用的目标原图。
附图3为本发明方法一实例中CCD相机记录的一张散斑图。
附图4为本发明一实例中的散斑图，白色方框指出实例中子散斑图的截取位置。
附图5为本发明一实例中的子散斑图示例。
附图6为本发明一实例中的4张重建图。
上述图5中图示编号如下：
(a)截取位置为图3方框1位置处的20张子散斑图中的一张；
(b)截取位置为图3方框2位置处的20张子散斑图中的一张；
(c)截取位置为图3方框3位置处的20张子散斑图中的一张；
(d)截取位置为图3方框4位置处的20张子散斑图中的一张。
上述图6中图示编号为：
(a)利用截取位置在图3方框1处的20张子散斑图所得的重建图；
(b)利用截取位置为图3方框2处的20张子散斑图所得的重建图；
(c)利用截取位置为图3方框3处的20张子散斑图所得的重建图；
(d)利用截取位置为图3方框4处的20张子散斑图所得的重建图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，对本发明的一个具体实施例进行描述。
本例中成像系统实验装置如图1所示，使用1张80*80像素的图像(字母Z)作为目标图像，见图2；整个过程在MATLAB2016a环境下模拟实现。
整个数值模拟过程步骤如下：
(a)将图2输入MATLAB模拟的实验环境，多次改变空间光调制器的相位控制矩阵，得到20帧散斑图(2400*2400像素)，图3为其中1帧散斑图；
(b)在得到的20帧散斑图上白色方框1位置截取子散斑图，并对子散斑图使用汉宁窗口空间滤波，如图4所示；然后类似地，分别在白色方框2、3、4位置截取子散斑图，并进行空间滤波处理；最后得到4组不同截取位置的子散斑图，每组有20幅子散斑图像；附图5分别为4组子散斑图中的其中一张；
(c)将第一组子散斑图输入步骤(4)中所介绍的重建算法程序，重建出第一张重建图；随后依次将其他三组子散斑图输入重建算法，分别得到另外三张重建图，如附图6所示。
图6列出了重建出的四张图像，可以看出经过本发明方法所重建出的图像的质量，与子散斑图的截取位置没有关系，这意味着在散斑图上截取子散斑图的位置可以任意选定，而不是像以往方法那样必须选择在散斑图像的中心部分。
Claims (2)
1.一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像方法，其特征在于：装置结构由非相干光源、目标物体、散射介质、孔径光阑、空间光调制器和CCD相机组成；光源发出的光场，经过目标物体后，入射到散射介质并被散乱，再由散射介质出射后通过孔径光阑投射在空间光调制器接收阵面上，被调制后入射至CCD相机；使用空间光调制器来调制经过孔径光阑后的散射介质出射光场的相位，从而达到调制整个散射光学系统孔径函数相位的目的；用CCD接收经空间光调制器调制相位后的散射光场，并且每调制一次散射光场的相位，就记录一幅相应的散斑图；在成像过程中，不需要根据CCD相机的移动位置计算附加相位分布情况，减少了计算量；不会出现由于相机位置移动所导致的散斑扩散问题，从而使实验步骤更加简单；然后根据记录的多帧散斑图，通过数值运算获得目标物体的图像；在数值计算中，随意在多帧散斑图上选取相同位置来截取子散斑图，也就是子散斑图截取位置不受限制。
2.根据权利要求1所述的一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)调制光学系统孔径函数相位的过程；
(1a)把空间光调制器相位控制矩阵全部置为0，并用CCD相机记录相应的散斑图；
(1b)随机产生并记录一个相位控制矩阵，然后用此相位控制矩阵调制空间光调制器的输出，用CCD相机记录相应的散斑图；
(1c)多次重复(1b)步骤，得到多个空间光调制器的相位控制矩阵及其对应的相机散斑图；
(2)重建目标图像的过程；
(2a)根据目标物体自相关图像的大小确定子散斑图像尺寸，按照此尺寸在步骤(1)所记录的第一幅散斑图上任意位置截取一幅子散斑图，然后在其它所有散斑图上相同位置各截取一幅相同尺寸的子散斑图；
(2b)将得到的多幅子散斑图进行汉宁窗口空间滤波，减少其边界的不连续效应；
(2c)将步骤(1b)中记录的空间光调制器相位控制矩阵数据，以及步骤(2b)中得到的多幅经滤波处理后的子散斑图输入算法程序，使用最大似然估计法和拟牛顿算法求解出散射介质相位分布的最优化解，并进而重建出目标图像。
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