CN111443358B - 单点探测成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及成像技术领域，提供一种单点探测成像系统，该成像系统包括光源、第一聚光模块、光调制模块、第二聚光模块、光处理模块和计算机；光源照射至外部的目标物体表面，第一聚光模块用于对经过目标物体表面反射的反射光进行聚焦处理以形成投影于光调制模块的第一聚焦光，光调制模块用于对第一聚焦光进行稀疏变换并对第一聚焦光进行编码调制以形成调制光，第二聚光模块用于对调制光进行聚焦处理以形成投影于光处理模块表面的第二聚焦光，光处理模块用于根据第二聚焦光形成数字信号并将数字信号发送至计算机，计算机用于对数字信号进行处理以获得目标物体的复原图像。通过本发明的实施，能够解决现有技术中的成像技术存在成本高且复杂的问题。

Description

单点探测成像系统

技术领域

本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种单点探测成像系统。

背景技术

近些年来，随着社会科学经济水平的不断提升，人们在所需要获取的信息数据量成指数增长的同时，对传统的数据获取技术也提出了很大的挑战。在成像技术方面，现有技术中的数码相机上互补金属氧化物半导体阵列传感器通常收集了大量的数据，然后经过压缩丢弃90％的数据，再利用剩余的数据形成图像，同时，特殊波段的传感器也需要由特殊的材料制备。现有技术中，由于特殊波段的传感器需要特殊材料制备，且现实生活中一些特殊波段较为微弱，对探测器的要求较高，同时数据丢失造成了资源存储空间的浪费。

综上所述，现有技术中的成像技术存在成本高且复杂的问题。

发明内容

本发明提供一种单点探测成像系统，以解决现有技术中的成像技术存在成本高且复杂的问题。

本发明的实施例提供一种单点探测成像系统，包括：

光源、第一聚光模块、光调制模块、第二聚光模块、光处理模块和计算机；光源照射至外部的目标物体表面，第一聚光模块用于对经过目标物体表面反射的反射光进行聚焦处理以形成投影于光调制模块的第一聚焦光，光调制模块用于对第一聚焦光进行稀疏变换并对第一聚焦光进行编码调制以形成调制光，第二聚光模块用于对调制光进行聚焦处理以形成投影于光处理模块表面的第二聚焦光，光处理模块用于根据第二聚焦光形成数字信号并将数字信号发送至计算机，计算机用于对数字信号进行处理以获得目标物体的复原图像。

在本申请提供的单点探测成像系统中，采用了光源、第一聚光模块、光调制模块、第二聚光模块、光处理模块和计算机，能够较大程度地聚集目标物体表面的不可见光，形成第一聚焦光，同时对第一聚焦光承载的图像信号进行稀疏变换，并利用测量矩阵进行调制，从而获得调制光，调制光经由第二聚焦模块聚焦形成第二聚焦光，根据第二聚焦光承载的图像信息，调用恢复算法，获得目标物体的复原图像，同时无需阵列传感器且系统复杂性低，解决了现有技术中的成像技术存在成本高且复杂的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实施例的单点探测成像系统的一模块示意图；

图2是本发明的实施例的单点探测成像系统的又一模块示意图；

图3是本发明的实施例的单点探测成像系统的又一模块示意图；

图4是本发明的实施例的单点探测成像系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供的单点探测成像系统，如图1所示，该单点探测成像系统包括：光源11、第一聚光模块12、光调制模块13、第二聚光模块14、光处理模块15和计算机16；光源11照射至外部的目标物体2表面，第一聚光模块12用于对经过目标物体2表面反射的反射光进行聚焦处理以形成投影于光调制模块13的第一聚焦光，光调制模块13用于对第一聚焦光进行稀疏变换并对第一聚焦光进行编码调制以形成调制光，第二聚光模块14用于对调制光进行聚焦处理以形成投影于光处理模块15表面的第二聚焦光，光处理模块15用于根据第二聚焦光形成数字信号并将数字信号发送至计算机16，计算机16用于对数字信号进行处理以获得目标物体2的复原图像。

其中，光源11可以是宽带激光光源。光调制模块13中设置有DMD(数字微镜器件，Digital Micromirror Device)芯片。需要注意的是，在本实施例中，外部的目标物体2中的“外部”是相对于本实施例中的单点探测成像系统的外部，其中的“外部”仅是用于说明该目标物体2不属于该单点探测成像系统的一部分，但当该单点探测成像系统在实际应用时需要与目标物体2配合使用，也就是说，外部的目标物体2可以是操作人员想要观察的物体。另外，在本实施例中的计算机16可以是具备数字处理能力的计算设备，此处不对该计算机16的型号进行任何限制。

具体地，光源11照射至目标物体2表面，目标物体2表面反射的反射光射至第一聚光模块12，第一聚光模块12对经过目标物体2表面反射的反射光进行聚焦处理，形成投影于光调制模块13的第一聚焦光，光调制模块13用于对第一聚焦光进行稀疏变换并利用测量矩阵加以调制以形成调制光，该调制光射至第二聚光模块14，并经过第二聚光模块14进行聚焦处理，形成投影于光处理模块15表面的第二聚焦光，光处理模块15根据第二聚焦光形成承载经过光调制后的图像信息的数字信号，光处理模块15将数字信号发送至计算机16，计算机16对数字信号进行处理以获得目标物体2的复原图像。

在本实施例中，通过将单点探测成像系统中的光源11、第一聚光模块12、光调制模块13、第二聚光模块14、光处理模块15、计算机16与外部的目标物体2配合使用，无需阵列传感器且系统复杂性低，同时由于近红外波段与可见光波段相邻，采用第一聚光模块12提高了对近红外波段光的聚光能力，实现了近红外波段成像，解决了现有技术中的成像技术存在成本高且复杂的问题。

进一步地，作为本实施例的一种实施方式，如图2所示，上述第一聚光模块12包括凹面反射镜121、椭圆反射镜122和透镜123，经过目标物体2表面反射的反射光依次经过凹面反射镜121、椭圆反射镜122至透镜123聚焦，经由透镜123形成第一聚焦光。

其中，以如图4所示的结构示意图为例，单点探测系统目标物体2表面反射的反射光经过凹面反射镜121聚光，经过凹面反射镜121反射的聚光再经过椭圆反射镜122的反射，经过椭圆反射镜122反射的反射光由透镜123聚焦形成第一聚焦光，该第一聚焦光投影在光调制模块15表面。在本实施例中，第一聚焦光具体可以投影在DMD芯片表面。

在本实施例中，通过在第一聚光模块12中设置凹面反射镜121、椭圆反射镜122和透镜123，能够通过凹面反射镜121和椭圆反射镜122对目标物体表面反射的反射光中的不可见波段光进行聚光处理，有效增强探测不可见光，尤其是增强探测近红外光波段的能力，减少了昂贵的针对特殊波段光采集的传感器的使用，大大减少了成像成本。

进一步地，作为本实施例的一种实施方式，如图3所示，光调制模块13还用于：对第一聚焦光进行稀疏变换以得到第一聚焦光的稀疏表示；配置测量矩阵，并根据所述稀疏表示和所述测量矩阵对所述第一聚焦光进行编码调制以形成所述调制光。

其中，具体是对第一聚焦光承载的图像信号进行稀疏变换以得到第一聚焦光的稀疏表示。另外，在本实施例中，测量矩阵应当是基于

(N维欧几里得空间)生成。

需要注意的是，在本实施例中，当第一聚焦光承载的图像信号对应的信号矢量为稀疏信号时，无需对第一聚焦光承载的图像信号对应的信号矢量进行稀疏变换；当第一聚焦光承载的图像信号对应的信号矢量为非稀疏信号时，需对第一聚焦光承载的图像信号对应的信号矢量进行稀疏变换。另外，在本实施例中，当第一聚焦光承载的图像信号对应的信号矢量在某个设定的变换域中，对于一个长度为N的信号矢量(元素为0或者1)，含有0元素就是稀疏信号，不含0元素就是非稀疏信号。

也就是说，在本实施例中，将第一聚焦光承载的图像信号都能进行稀疏表示。

在本实施例中，对第一聚焦光进行稀疏变换以得到第一聚焦光的稀疏表示，并根据配置测量矩阵和稀疏表示对第一聚焦光承载的图像信号进行调制，从而获得调制光。

进一步地，作为本实施例的一种实施方式，上述光调制模块13配置的测量矩阵满足有限等距特性(Restricted Isometry Property，RIP)。

其中，当一个M×N阶的测量矩阵Φ满足RIP特性，那么对于测量矩阵中图像信号对应的信号矢量x满足以下公式：

其中，Φ代表测量矩阵，δ_k代表等距约束常数，x代表图像信号对应的信号矢量，k是信号矢量x的非0系数的个数。另外，0<δk<1。另外，本实施例中采用的测量矩阵可以为部分Hadamard矩阵(哈达玛积矩阵)。

在本实施例中，将上述光调制模块13配置的测量矩阵满足RIP特性，能够有效保存信号矢量x中所有成对等距的信号，以便于后续对目标物体2进行图像复原。

另外，在本实施例中，为了获得符合RIP特性的测量矩阵，通常是先生成一个大小为N×N的Hadamard矩阵，然后随机的从该Hadamard矩阵中选取M行向量，从中选取M行向量之后得到的部分Hadamard矩阵具有较强的非相关特性和部分正交性，具体是由于Hadamard矩阵的元素为-1和1，与光调制模块13中含有0和1元素的矩阵匹配程度较高，因此该部分Hadamard矩阵与其他类型矩阵相比较该部分Hadamard矩阵形成的测量矩阵需要的观测值较少，同时由于Hadamard矩阵自身构建原因，其维度必须为2的整次幂，提高搭建测量矩阵的效率。

具体的，在本实施例中，Hadamard矩阵具体可以由拉德梅克函数构造，首先，拉德梅克函数的数学表达式可以用下式(2)进行表示：

R(n,t)＝sign[sin(2ⁿπt)] (2)

其中，R(n,t)取值为+1或-1，n和t为自变量。

把上述拉德梅克函数依据Walsh函数序列的方式进行求积运算，Walsh函数序列的数学表达式可以用下式(3)进行表示：

其中，R(k+1,t)是任意拉德梅克函数，

是倒序的二进制码的第k位数，P为正整数，

对上述Walsh函数序列拓展可以得到以下测量矩阵：

其中，H_N代表N阶Hadamard矩阵。

进一步地，作为本实施例的一种实施方式，光调制模块13用于对第一聚焦光进行稀疏变换以得到第一聚焦光的稀疏表示，稀疏表示具体可以由下式(5)计算得到：

其中，Ψ代表稀疏变换基，s代表第一聚焦光在Ψ域中的稀疏表示，x代表稀疏变换之前的信号矢量。具体地，Ψ可以是

空间中的一组正交基Ψ＝[ψ₁,ψ₂...ψ_N]，其中的ψ_i代表

空间中的N×1维列向量，Ψ＝[ψ₁,ψ₂...ψ_N]代表是N×N维的变换矩阵。

在本实施例中，通过上述公式(5)的实施，能够得到第一聚焦光的稀疏表示。

进一步地，作为本实施例的一种实施方式，与调制光对应的矢量信号根据下式(6)计算得到：

y＝Φx (6)

其中，y代表调制光对应的矢量信号，Φ代表测量矩阵，x代表稀疏变换之前的信号矢量。

在本实施例中，通过上述公式(6)的实施，能够得到与调制光对应的矢量信号。

进一步地，作为本实施例的一种实施方式，光处理模块15包括光电探测器151和采集卡152，光电探测器151用于根据第二聚焦光生成模拟信号，采集卡152用于将模拟信号转换成数字信号并发送至计算机16。

其中，如图4所示，光电探测器151根据第二聚焦光投影的光强生成模拟信号，并将模拟信号发送至采集卡152，采集卡152将光电探测器151发送的模拟信号转换成数字信号并发送至计算机16。

在本实施例中，通过在光处理模块15中设置光电探测器151和采集卡152，能够将第二聚焦光承载的图像信号通过数字信号的方式发送至计算机，以便计算机进行图像复原。

进一步地，作为本实施例中的一种实施方式，计算机16还用于获取光调制模块13中配置的测量矩阵，计算机16根据测量矩阵和数字信号获得目标物体2的复原图像。

其中，具体是当光调制模块13中的DMD芯片内的数字微镜开始翻转时，同步采集信号通过同轴线缆传送到采集卡152，采集卡152对投影到光电探测器151上的第二聚焦光的模拟信号进行同步采集，采集卡152根据模拟信号生成数字信号发送给计算机。需要注意的是，DMD芯片内的数字微镜翻转的同时，采集卡152将数字信号和测量矩阵信息发送至计算机16，以防止采集信号过程中出现信号丢失。

在本实施例中，通过计算机16获取调制目标物体信息，使得计算机能够根据调制目标物体信息对目标物体2进行图像复原。

进一步地，作为本实施例的一种实施方式，计算机16还用于根据第二聚焦光承载的调制后的目标物体图像中各像素点的离散梯度获得目标物体的复原图像。

其中，具体是根据第二聚焦光承载的调制后的目标物体图像中各像素点的离散梯度的大小获得目标物体的复原图像。

在本实施例中，计算机16通过根据第二聚焦光承载的调制后的目标物体图像中各像素点的离散梯度获得目标物体的复原图像，能够实现对目标物体的图像进行复原，从而获得目标物体的复原图像。

进一步地，作为本实施例的一种实施方式，上述中的离散梯度可以根据下式(7)计算得到：

其中，A代表测量矩阵，u代表与第一聚焦光对应的矢量信号，b代表调制光对应的矢量信号，

代表矢量信号u在像素位置i处的离散梯度，s.t.代表预设的约束条件。

具体的，在本实施例中，计算机6采用的复原算法为TVAL3(全变分增广拉格朗日交替方向算法，Totvariation Augmented Lagrangian Alternating DirectionAlgorithm)，也就是基于全变分正则化下通过增强拉格朗日函数以及交替方向变换的方法来实现对目标函数的求解,也就是在压缩感知理论中需要求解的一个问题，具体的数学形式如上式(7)，基于上述公式(7)计算矢量信号u在像素位置i处的离散梯度如下式(8)所示：

其中，||u||_TV代表离散梯度值，(i，j)代表目标物体图像中的像素点坐标，u_i+1，j表示像素点坐标为(i+1,j)处的矢量信号，u_i,j表示像素点坐标为(i,j)处的矢量信号。

另外，在本实施例中，需要对上述公式(7)的等约束条件进行求解，具体求解过程如下式(9)所示：

其中，f(x)代表待求解函数，h(x)代表约束条件函数。

在上述公式(9)中引入拉格朗日乘子之后可以将上式(9)转变为以下公式(10)：

对公式(10)进一步简化可以得到下式(11)：

对公式(11)进行二次拓展得到下式(12)：

其中，L_A(x,λ；μ)代表增广拉格朗日函数，μ代表二次拓展引入的参数

在上式(12)中L_A(x,λ；μ)就称为是增广的拉格朗日函数，由于引入了二次罚函数所以对应的增广拉格朗日的函数与标准的拉格朗日函数求解有较大区别，需要继续对上式(12)的进行求解。将拉格朗日函数推广到TVAL3的应用上面来，那么就会有以下公式(13)的等式约束问题需要求解：

其中，

代表上述公式(7)的变形，β_i代表引入的参数，λ和v在每次迭代时都会更新，

和

为更新公式，*为共轭符号,w_i代表引入的松弛变量。需要注意的是，上述公式(13)是对上述公式(7)的一个替换，用于求解与原始目标物体图像对应的矢量信号u离散梯度以及离散梯度小时对应的矢量信号u，替换变形后，可以将问题转为两个子问题来求解，即求w和求u，通过迭代的方式，先求w，再求u，依次迭代。具体地，由于以下公式(14)的存在：

其中，u代表恢复信号，b代表第二焦距光承载的图像信号对应的信号矢量。

而上述等约束问题已经转变为一个目标函数的求解问题，那么在这种情况下可以进一步的采用交替方向变换的方法来实现简化，就是先求解w然后再求解u，最后获得的最后解算结果用以下公式(15)。

在本实施例中，根据上式(7)可以获得离散梯度，能够实现高效率根据调制目标我图像和原始目标物体图像获取到目标物体2的目标物体图像，并且目标物体图像的成像质量较高，且支持不同类型的测量矩阵和约束条件，实现更多的场景应用。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单点探测成像系统，其特征在于，所述成像系统包括光源、第一聚光模块、光调制模块、第二聚光模块、光处理模块和计算机；

所述光源照射至外部的目标物体表面，所述第一聚光模块用于对经过所述目标物体表面反射的反射光进行聚焦处理以形成投影于所述光调制模块的第一聚焦光，所述光调制模块用于对所述第一聚焦光进行稀疏变换并利用测量矩阵对所述第一聚焦光进行编码调制以形成调制光，所述第二聚光模块用于对所述调制光进行聚焦处理以形成投影于所述光处理模块表面的第二聚焦光，所述光处理模块用于根据所述第二聚焦光形成数字信号并将所述数字信号发送至计算机，所述计算机用于对所述数字信号进行处理以获得所述目标物体的复原图像；

其中，所述第一聚光模块包括凹面反射镜、椭圆反射镜和透镜，经过所述目标物体表面反射的反射光依次经过所述凹面反射镜、所述椭圆反射镜至所述透镜聚焦，经由所述透镜形成所述第一聚焦光。

2.根据权利要求1所述的单点探测成像系统，其特征在于，所述光调制模块还用于：

对所述第一聚焦光进行稀疏变换以得到所述第一聚焦光的稀疏表示；

配置测量矩阵，并根据所述稀疏表示和所述测量矩阵对所述第一聚焦光进行编码调制以形成所述调制光。

3.根据权利要求2所述的单点探测成像系统，其特征在于，所述测量矩阵满足有限等距特性。

4.根据权利要求2所述的单点探测成像系统，其特征在于，所述稀疏表示由下式计算得到：

其中，Ψ代表稀疏变换基，s代表第一聚焦光在Ψ域中的稀疏表示，x代表稀疏变换之前的信号矢量，N表示空间的维度，ψ_i代表第i个空间中的N×1维列向量，S_i代表第i个空间中的N×1维行向量。

5.根据权利要求2所述的单点探测成像系统，其特征在于，与所述调制光对应的信号矢量根据下式(2)计算得到：

y＝Φx (2)

其中，y代表所述调制光对应的信号矢量，Φ代表所述测量矩阵，x代表稀疏变换之前的信号矢量。

6.根据权利要求1所述的单点探测成像系统，其特征在于，所述光处理模块包括光电探测器和采集卡，所述光电探测器用于根据所述第二聚焦光生成模拟信号，所述采集卡用于将所述模拟信号转换成数字信号并发送至所述计算机。

7.根据权利要求2所述的单点探测成像系统，其特征在于，所述计算机还用于获取所述光调制模块中配置的所述测量矩阵，所述计算机根据所述测量矩阵和所述数字信号获得所述目标物体的复原图像。

8.根据权利要求7所述的单点探测成像系统，其特征在于，所述计算机还用于根据所述第二聚焦光承载的调制后的目标物体图像中各像素点的离散梯度获得所述目标物体的复原图像。

9.根据权利要求8所述的单点探测成像系统，其特征在于，所述离散梯度根据下式(3)计算得到：

其中，A代表所述测量矩阵，u代表与所述第一聚焦光对应的信号矢量，b代表所述调制光对应的信号矢量，

代表信号矢量u在像素位置i处的离散梯度，s.t.代表预设的约束条件。

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