CN111307718A - 基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，包括结构光场的调制及探测和图像恢复两个过程，光场调制及探测使用数字微镜设备对光源进行二值调制，调制矩阵为随机化差分Hadamard矩阵，图像恢复过程对信号进行差分运算后，利用关联算法恢复目标信息。在探测器和物体之间引入一块毛玻璃和带孔遮挡物，通过毛玻璃的散射作用抵消遮挡物或者小孔的限制视场范围的效果，不仅实现了穿透散射介质成像，同时在一定程度上实现了扩大视场范围的作用。该方法为计算鬼成像在穿透散射介质中提供了一种应用前景，在探测段存在的视场限制于遮挡物遮挡可以通过此方法实现扩大视场成像，成本较低，重构速度快，重构质量高。

Description

基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的方法
技术领域
本发明涉及一种基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，属于精密光学测量技术领域。
背景技术
在传统的成像方法中，大部分系统都是遵循几何光学中的成像公式，通过镜头或者透镜组把物体成像到探测器靶面上进行探测并记录，该过程理论上是一种完善成像，即像面上的每一个点与物面上的点一一对应，这种映射关系可以通过追踪与物体发生相互作用后的光线得到。因此在传统的成像系统中对光线在空间中的传播至关重要，一旦在光路中存在了较大的噪声或者遮挡物，就会破坏了映射关系导致最终获取图像质量的大幅降低甚至不能成像，因此在一些特殊场景下，如穿透散射介质成像中，传统的成像方式面临着巨大的挑战。
穿透散射介质成像一直是成像领域中的一个难点和重点，无论是在生物医学成像、遥感、水下探测、救援等多个邻域均有着广泛的应用潜力。散射介质(如烟雾、大气湍流、雾霾、浑浊的水等)的存在会使得光在与介质发生散射作用后改变其原本的传播方向，破坏其原本的成像关系，导致不能获取到良好的图像质量。
为了实现穿透散射介质成像，众多成像系统和处理算法相应被提出，2014年SinghA K提出过基于数字全息技术的方法，通过引入一路参考光与物体光发生干涉产生全息图像，经散射介质传播后被CCD探测，最后调整光路选择干涉长度来抵消散射光的影响，但这种技术需要提前定标并额外引入参考光，难以实现快速非入侵成像。波前整形技术本质是通多测量光场的波前后，通过算法迭代计算出每个点所需补偿的相位，最后加载在空间光调制器上实现波前补偿，这类技术运算量和数据量较大，运算成本高，难以实现实时重构。基于光学记忆效应的方法通过散斑的相关性，利用相位恢复算法重构图像的信息，但由于其散斑的记忆效应其范围很小，限制了目标的大小。近年来，一种新型的成像方式，鬼成像(GI)受到众多学者的关注与研究，该方法也为穿透散射介质成像提供了一种新的解决方法与思路，并被应用到了该邻域中。
鬼成像是一种通过测量光场与物体在空间上的二阶相关性来实现物体的重构，因此也被称为关联成像。鬼成像利用一束被调制后的光场照射物体，用桶探测器记录其总光强值，并用CCD记录下另一束参考光的光场分布，最后通过把这两部分信号进行关联运算后即可得到物体的信息。随着计算机的发展和器件的更新，计算鬼成像(CGI)利用空间光调制器取代了参考臂，利用计算机编程把已知的光场加载到调制器上，从而实现快速调制。由于CGI在探测过程中仅需一个无空间分辨能力的桶探测器，因此其对噪声的鲁棒性更强，也使其在穿透散射介质邻域中存在着较大的潜力。
在传统的成像系统中，视场光阑的存在决定了可成像范围的大小。在显微镜系统中，视场光阑一般放置于中间像平面上，伽利略望远镜的视场取决于其物镜框的尺寸大小，照相机系统中的视场光阑为其胶片窗的尺寸大小决定。且当系统的空间带宽积一定时，视场范围大小会随着分辨率的提升而降低，要扩大视场范围，可以通过拼接探测器来扩大像面的尺寸，也有通过多孔径合成的方法缓解视场和分辨率的矛盾，但是这些方法成本较大。通过精密的光学系统设计，利用透镜组来改变视场光阑的位置并增大其尺寸，其难度较高，而且容易引入了其他像差的影响。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种实现简单、重构速度快、质量高的基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的方法，该方法结合了计算鬼成像和散射介质的散射作用，不仅实现了穿透散射介质成像，还利用散射作用在一定程度上抵消了遮挡物带了的视场限制，实现了扩大视场成像。
本发明的基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，主要包括了结构光场的调制及探测和图像恢复两个过程。
结构光场的调制及探测过程：结构光场的调制是利用光源(LED)准直后产生均匀光场，并通过反射镜照射到数字微镜设备(DMD)上；在数字微镜设备上提前加载好要调制的编码图案(通过计算机编程的方式)，这里的编码矩阵为差分随机化后的Hadamard矩阵；经数字微镜设备调制后产生的结构光场照射到被探测的物体表面，随后利用无空间分辨能力的桶探测器进行光强的收集；在探测器和物体之间加入一块毛玻璃和带孔遮挡物作为散射介质和视场光阑；
图像恢复过程：先把得到的所有探测值做一次差分运算，再把每一次桶探测器探测到的光强值与提前预加载在数字微镜设备(DMD)上的图案进行关联运算，通过迭代的方式恢复出目标物体的表面信息。
所述结构光场的调制及探测过程，具体包括以下步骤：
(1)使用LED光源作为照明光源，利用镜头进行准直操作，得到平面光场，保证照射在DMD表面上的光场分布均匀，实现更好的调制效果。
(2)利用计算机编程生成出对应的Hadamard矩阵，并对该矩阵进行差分操作，产生两个元素为“0”“1”的矩阵，并提取矩阵的每一行重新排列形成多幅图案，得到差分后的Hadamard图案；
(3)把差分后的图案与同一幅能量分布为50％的随机图案做异或运算，得到随机化的差分Hadamard图案，保证每一副图案的能量分布均匀，降低噪声。
(4)利用计算机编程软件把图案加载到DMD设备上，并通过编程实现探测和投影之间的时序匹配。探测器探测到的光强值经数据采集卡进行数模转换后被计算机所记录。在探测器与物体中间放置毛玻璃与遮挡物，并移动毛玻璃的位置，得到多组数据。
所述图像恢复过程，具体包括以下步骤：
(1)把得到的信号做差分运算，即Si＝Si+-Si-，其中Si+和Si-分别为上述中随机化差分后的两幅图案对应的探测值。
(2)把差分后的信号值Si与随机化后的Hadamard矩阵的图案做关联运算，即O(x，y)＝<Ii(x，y)-<Ii(x，y)>><Si-<Si>>，得到最终的重构结果。
本发明实现简单，成本较低，为计算鬼成像在穿透散射介质成像邻域提供了一个新的应用前景，不经可以实现高质量的图像重构，还能利用散射介质的散射作用在一定程度上扩大视场成像，抵消在探测段遮挡物的影响，重构速度快，且重构质量较高。
附图说明
图1是本发明中实现光场调制和探测过程的装置示意图。
图2是差分处理后的Hadamard图案示意图。其中：(a)是把Hadamard矩阵中的“-1”改为“0”产生的矩阵；(b)是把该矩阵中的“1”“0”互换得到的第二个相反的矩阵；(c)和(d)为提取了第100行重新排列得到的结果。
图3是随机化处理后的Hadamard图案示意图。其中：(a)是产生的能量为50％的随机图案，(b)为图2(c)异或后的结果。
图4是受到遮挡物或者小孔影响的目标物体重构结果示意图。其中从左到右为毛玻璃从紧贴探测器到紧贴遮挡物等间距移动的结果。
具体实施方式
本发明的方法基于计算鬼成像穿透散射介质实现扩大视场范围，主要包括了结构光场的调制及探测和图像恢复两个过程。
其中图1为实现光场调制和探测过程的装置，结构光场的调制是利用光源(LED)经准直镜准直后产生均匀光场，并通过反射镜照射到数字微镜设备(DMD)上；通过计算机编程的方式在DMD上提前加载好要调制的编码图案，这里的编码矩阵为差分随机化后的Hadamard矩阵；经数字微镜设备(DMD)调制后产生的结构光场照射到被探测物体的表面，随后利用无空间分辨能力的桶探测器进行光强的收集；在探测器和物体之间加入一块毛玻璃和带孔遮挡物作为散射介质和视场光阑，带孔遮挡物上带有圆形小孔或条状孔，探测器与毛玻璃的间距为d，探测器与带孔遮挡物的间距为D。其调制详细过程如下：
(1)生成的Hadamard矩阵的元素为“1”“-1”，由于在实际中不能实现“-1”的投影，因此提前采用差分的操作，把Hadamard矩阵中的“-1”改为“0”产生一个矩阵，如图2(a)，矩阵维度为1024×1024，再把该矩阵中的“1”“0”互换得到第二个相反的矩阵，如图2(b)。再提取矩阵中的每一行重新排列得到差分后的Hadamard图案，图2(c)和(d)为提取了第100行重新排列得到的结果。
(2)得到差分后的图像后，由于Hadamard矩阵某些行的能量分布不均匀，因此需对其进行能量均匀化，即产生一幅能量为50％的随机图案，如图3(a)，与Hadamard图案进行异或运算，这样既不改变原本矩阵的相关性，又实现了能量均匀化的效果，图3(b)为图2(c)异或后的结果。
(3)采用二值图像调制的DMD设备，其最高刷新频率可以达到22kHz，最大空间分辨率为1024×768像素。通过计算机编程独立控制芯片上一系列寸尺大小为13.7μm的微反射镜片来实现正负12度偏转，类似于光开关的功能，从而实现高速的二值图像调制。在本发明中，最终重构图像分辨率为64×64，则需要对642阶的Hadamard矩阵进行调制，将12×12像素合并成一个超像素，实现有效成像分辨率为64×64。
图像恢复的详细过程如下：
(1)得到一系列的探测值后做差分运算，即Si＝Si+-Si-，其中Si+和Si-分别为上述中随机化差分后的两幅图案对应的探测值。这样不仅实现了“1”“-1”的Hadamard探测，而且能够在很大程度上抑制背景噪声的影响，有利于提高最终重构结果的质量。
(2)把差分后的信号值Si与前面随机化后的Hadamard矩阵的图案做关联运算，即O(x，y)＝<Ii(x，y)-<Ii(x，y)>><Si-<Si>>，其中Ii(x，y)是每一副随机化Hadamard矩阵的空间分布，得到最终的重构结果。
(3)散射介质的散射作用对于计算鬼成像的探测和求解过程可以认为是信号值发生了一定的衰减，因此依旧可以恢复出较好的图案，而当探测段存在遮挡物或者孔径光阑限制视场大小的时候，其散射作用的强弱直接影响了抵消视场光阑的效果，把毛玻璃从紧贴探测器等间距移动到紧贴遮挡物，分别进行多次探测。其结果如图4所示。

Claims (3)

1.一种基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，其特征是：包括结构光场的调制及探测和图像恢复两个过程；
所述结构光场的调制及探测过程：利用光源准直后产生均匀光场，并通过反射镜照射到数字微镜设备上；在数字微镜设备上提前加载好要调制的编码图案，编码矩阵为差分随机化后的Hadamard矩阵；经数字微镜设备调制后产生的结构光场照射到被探测的物体表面，随后利用无空间分辨能力的桶探测器进行光强的收集；在探测器和物体之间加入一块毛玻璃和带孔遮挡物作为散射介质和视场光阑；
所述图像恢复过程：先把得到的所有探测值做一次差分运算，再把每一次桶探测器探测到的光强值与提前预加载在数字微镜设备上的图案进行关联运算，通过迭代的方式恢复出目标物体的表面信息。
2.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，其特征是：所述结构光场的调制及探测过程，具体包括以下步骤：
(1)使用LED光源作为照明光源，利用镜头进行准直操作，得到平面光场，保证照射在DMD表面上的光场分布均匀；
(2)利用计算机编程生成出对应的Hadamard矩阵，并对该矩阵进行差分操作，产生两个元素为“0”“1”的矩阵，并提取矩阵的每一行重新排列形成多幅图案，得到差分后的Hadamard图案；
(3)把差分后的图案与同一幅能量分布为50％的随机图案做异或运算，得到随机化的差分Hadamard图案，保证每一副图案的能量分布均匀，降低噪声；
(4)利用计算机编程软件把图案加载到DMD设备上，并通过编程实现探测和投影之间的时序匹配。探测器探测到的光强值经数据采集卡进行数模转换后被计算机所记录。在探测器与物体中间放置毛玻璃与小孔，并移动毛玻璃的位置，得到多组数据。
3.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，其特征是：所述图像恢复过程，具体包括以下步骤：
(1)把得到的信号做差分运算，即
Figure FDA0002402804420000011
其中
Figure FDA0002402804420000012
和
Figure FDA0002402804420000013
分别为上述中随机化差分后的两幅图案对应的探测值；
(2)把差分后的信号值Si与随机化后的Hadamard矩阵的图案做关联运算，即：O(x，y)＝<Ii(x，y)-<Ii(x，y)>><Si-<Si>>，得到最终的重构结果。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111986118A (zh) * 2020-08-31 2020-11-24 广东工业大学 一种加权核范数最小化的水下计算鬼成像图像去噪方法及系统
CN112051240A (zh) * 2020-07-27 2020-12-08 北京航天控制仪器研究所 一种利用散射光对目标物体进行成像的方法
CN113163082A (zh) * 2021-03-19 2021-07-23 中国科学院国家空间科学中心 基于散射介质和空间光调制器共同调制的单像素成像系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105005053A (zh) * 2015-07-13 2015-10-28 西安电子科技大学 基于led照明的随机散射关联成像系统及成像方法
CN107632386A (zh) * 2017-09-12 2018-01-26 北京航空航天大学 一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统及成像方法
CN107807444A (zh) * 2017-09-06 2018-03-16 南京邮电大学 一种基于差分的投影仪“街角成像”方法
CN108040191A (zh) * 2017-12-20 2018-05-15 北京邮电大学 基于哈希链压缩感知的图像加密和解密方法
US20180252986A1 (en) * 2015-08-25 2018-09-06 Bae Systems Plc Imaging apparatus and method
US10190916B1 (en) * 2016-01-29 2019-01-29 U.S. Department Of Energy System for true thermal-light applications

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105005053A (zh) * 2015-07-13 2015-10-28 西安电子科技大学 基于led照明的随机散射关联成像系统及成像方法
US20180252986A1 (en) * 2015-08-25 2018-09-06 Bae Systems Plc Imaging apparatus and method
US10190916B1 (en) * 2016-01-29 2019-01-29 U.S. Department Of Energy System for true thermal-light applications
CN107807444A (zh) * 2017-09-06 2018-03-16 南京邮电大学 一种基于差分的投影仪“街角成像”方法
CN107632386A (zh) * 2017-09-12 2018-01-26 北京航空航天大学 一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统及成像方法
CN108040191A (zh) * 2017-12-20 2018-05-15 北京邮电大学 基于哈希链压缩感知的图像加密和解密方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘保磊 等: "不同路径下散射介质对计算关联成像的影响", 《光学学报》 *
张伟良 等: "基于局部Hadamard调制的迭代去噪鬼成像", 《光学学报》 *
杨虹 等: "散射介质超衍射极限技术研究进展", 《中国光学》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112051240A (zh) * 2020-07-27 2020-12-08 北京航天控制仪器研究所 一种利用散射光对目标物体进行成像的方法
CN111986118A (zh) * 2020-08-31 2020-11-24 广东工业大学 一种加权核范数最小化的水下计算鬼成像图像去噪方法及系统
CN111986118B (zh) * 2020-08-31 2023-06-16 广东工业大学 一种加权核范数最小化的水下计算鬼成像图像去噪方法及系统
CN113163082A (zh) * 2021-03-19 2021-07-23 中国科学院国家空间科学中心 基于散射介质和空间光调制器共同调制的单像素成像系统
CN113163082B (zh) * 2021-03-19 2022-07-26 中国科学院国家空间科学中心 基于散射介质和空间光调制器共同调制的单像素成像系统

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