CN111724328B - 一种光电协同散射介质成像系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电协同散射介质成像系统及其方法,其中,成像方法包括:将待重建目标图像加载至空间光调制器;激光发射器输出激光光源,激光光源依次通过针孔、透镜,之后经分束立方体入射至空间光调制器,得到待重建目标图像光束;待重建目标图像光束反射回分束立方体,并经分束立方体入射至散射器;待重建目标图像光束经散射后在相机平面成像,得到散斑图案;成像处理单元采集一次散斑图案,根据散斑图案和待重建目标图像,得到待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值,采用相位恢复方法,以重建输出目标图像。与现有技术相比,本发明结合相位恢复理论和逆散射成像体制,在散射介质存在情况下,能够有效提高重建目标图像的成像效率及成像精度。
Description
技术领域
本发明涉及散射介质光学成像领域,尤其是涉及一种光电协同散射介质成像系统及其方法。
背景技术
现今社会中,光学成像技术的应用无处不在,但是光通过散射介质时产生的散射现象使得人们眼前蒙上了厚厚的一层纱。当雾霾降临,能见度显著下降,公路上车祸频发,空间观察和遥感测绘无法顺利进行,航班延误等等,给人们的生活带来了很多不便;由于生物组织的强散射作用,生物显微系统难以将物体内部的进行汇聚,从而无法观测深层组织结构,影响医生的诊断;战争中,硝烟四起,由于战火和硝烟的对光散射,我们会因为无法准确观察敌人的具体位置而陷入被动;火灾救援中的烟火也会对被困人员的寻找带了不便。
因此,有必要对散射介质成像技术进行研究,以能够有效地对目标物体进行成像,近年来提出了许多方法来实现散射介质成像,如传输矩阵方法。传输矩阵法的具体过程是通过四步相移干涉法来测得传输矩阵,即通过将2π相位划分为4份,对每一个哈达玛矩阵向量,将其叠加上4种不同相位,分别调制到空间光上,与此同时,采集相应的散斑图案输出,如此循环往复,直至采集够4倍于物体图像所含像素数的平方组散斑图案。这种方法对实验光路要求非常高,且测量效率低,实用性较差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光电协同散射介质成像系统及其方法,以提高在散射介质存在情况下的成像精度及效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种光电协同散射介质成像系统,包括依次连接的激光发射器、针孔、透镜、分束立方体和空间光调制器,所述分束立方体还连接有散射器,所述散射器与相机连接,所述相机连接至成像处理单元,所述激光发射器用于输出激光光源;
所述针孔和透镜用于对激光光源进行准直扩束操作;
所述分束立方体用于将一束准直光分成多束光,并使光束入射至空间光调制器和散射器;
所述空间光调制器上加载有待重建目标图像;
所述散射器用于对光束进行随机介质散射;
所述相机根据随机介质散射后的光束,形成散斑图案,并将散斑图案输出给成像处理单元;
所述成像处理单元根据散斑图案和待重建目标图像,重建并输出目标图像。
一种光电协同散射介质成像方法,包括以下步骤:
S1、将待重建目标图像加载至空间光调制器;
S2、激光发射器输出激光光源,激光光源依次通过针孔、透镜,之后经分束立方体入射至空间光调制器,得到待重建目标图像光束;
S3、待重建目标图像光束反射回分束立方体,并经分束立方体入射至散射器;
S4、待重建目标图像光束经散射后在相机平面成像,得到散斑图案;
S5、成像处理单元采集一次散斑图案,根据散斑图案和待重建目标图像,得到待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值,采用相位恢复方法,以重建输出目标图像。
进一步地,所述步骤S5具体包括以下步骤:
S51、计算散斑图案自相关;
S52、根据散斑图案自相关,计算得到待重建目标图像自相关;
S53、对待重建目标图像自相关进行反傅里叶变换,得到待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值;
S54、基于待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值,采用相位恢复方法,按照预设的迭代次数,重建并输出目标图像。
进一步地,所述步骤S51具体是通过对散斑图案的能量谱进行二维反傅里叶变换计算,以得到散斑图案自相关。
进一步地,所述步骤S52中待重建目标图像自相关的计算公式为:
[O★O](θ)=[I★I](θ)-C
其中,符号★代表自相关运算符,I★I为散斑图案I(θ)的自相关,O★O为待重建目标图像O(θ)的自相关,C为背景常数。
进一步地,所述步骤S54具体包括以下步骤:
S541、构建相位恢复模型,将待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值输入相位恢复模型中,按照预设的迭代次数进行迭代输出,得到重建目标图像的相位;
S542、根据重建目标图像的相位,对应生成重建目标图像。
进一步地,所述相位恢复模型包括依次连接构成闭环的二维傅里叶变换模块、取相位模块、相位恢复模块、二维逆傅里叶变换模块、约束施加模块和平滑模块,所述二维傅里叶变换模块用于对其输入的相位进行二维傅里叶变换;
所述取相位模块用于从相位二维傅里叶变换结果中提取相位角;
所述相位恢复模块根据待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值和相位角,计算得到重建目标图像相位;
所述二维逆傅里叶变换模块用于对重建目标图像相位进行二维逆傅里叶变换;
所述约束施加模块用于对二维逆傅里叶变换结果施加约束;
所述平滑模块用于对施加约束后的结果进行平滑滤波,并将平滑滤波后结果输出给二维傅里叶变换模块。
进一步地,所述相位恢复模型的具体工作过程为:
S5411、输入随机相位gk(x,y)给二维傅里叶变换模块,得到相位二维傅里叶变换结果gk(kx,ky);
S5412、相位二维傅里叶变换结果gk(kx,ky)输出给取相位模块,通过取相位操作,得到对应的相位角θk(kx,ky);
S5413、将待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值Sobj(kx,ky)和相位角θk(kx,ky)输入给相位恢复模块,经计算后得到重建目标图像相位G'k(kx,ky);
S5414、重建目标图像相位G'k(kx,ky)输入给二维逆傅里叶变换模块,得到二维逆傅里叶变换结果g'k(x,y);
S5415、二维逆傅里叶变换结果g'k(x,y)输入给约束施加模块,得到施加约束后的结果g″k(x,y);
S5416、施加约束后的结果g″k(x,y)经过平滑模块进行平缓滤波处理后,输入给二维傅里叶变换模块,按照预设的迭代次数,重复步骤S5412~步骤S5416,将最后一次迭代计算得到的重建目标图像相位作为相位恢复模型的输出结果。
进一步地,所述约束施加模块施加的约束包括实数约束和非负约束。
进一步地,所述重建目标图像相位的计算公式为:
其中,Sobj(kx,ky)为待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值,i为虚数。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
一、本发明在散射介质存在情况下,结合相位恢复技术与逆散射成像体制,基于相位恢复原理,仅需通过采集一次待重建目标图像经随机介质散射后生成的散斑图案,由散斑图案做自相关计算出待重建目标图像自相关,从而求解出待重建目标图像的傅里叶幅度谱,再利用相位恢复算法求解得到待重建目标图像相位,从而实现散射介质成像,具有成像效率高、成像精度高的优点。
二、本发明通过在相位恢复模型中设置闭环连接的二维傅里叶变换模块、取相位模块、相位恢复模块、二维逆傅里叶变换模块、约束施加模块和平滑模块,结合循环迭代计算,能够进一步保证重建目标图像的成像精度。
附图说明
图1为本发明的光电协同散射介质成像系统结构示意图;
图2为本发明的光电协同散射介质成像方法流程示意图;
图3为散斑图案与点扩散函数示意图;
图4为基于OSS相位恢复的散射介质成像的整体流程示意图;
图5a为实施例中待重建目标图像;
图5b为实施例中待重建目标图像过采样示意图;
图5c为实施例中物面图像自相关;
图5d为实施例中散斑图案自相关;
图6a为实施例中待重建目标图像
图6b为实施例中采用传统相位恢复算法后的重建目标图像;
图6c为实施例中采用本发明相位恢复算法后的重建目标图像;
图中标记说明:1、激光发射器,2、针孔,3、透镜,4、分束立方体,5、空间光调制器,6、散射器,7、相机,8、成像处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示,一种光电协同散射介质成像系统,包括依次连接的激光发射器1、针孔2、透镜3、分束立方体4和空间光调制器5,分束立方体4还连接有散射器6,散射器6与相机7连接,相机7连接至成像处理单元8,激光发射器1输出的激光光源经过针孔2及透镜3,进行准直扩束以后,经分束立方体4入射至一块加载着待重建目标图像的空间光调制器5上,再反射回分束立方体4,然后再经分束立方体4入射至散射器6的随机介质表面,经随机介质散射后至相机7平面成像,得到对应的散斑图案,最终由成像处理单元8结合待重建目标图像和散斑图案,重建输出目标图像。本实施例中,激光发射器1输出的激光光源为532nm,上述光电协同散射介质成像系统的成像方法如图2所示,包括以下步骤:
S1、将待重建目标图像加载至空间光调制器;
S2、激光发射器输出激光光源,激光光源依次通过针孔、透镜,之后经分束立方体入射至空间光调制器,得到待重建目标图像光束;
S3、待重建目标图像光束反射回分束立方体,并经分束立方体入射至散射器;
S4、待重建目标图像光束经散射后在相机平面成像,得到散斑图案;
S5、成像处理单元采集一次散斑图案,根据散斑图案和待重建目标图像,得到待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值,采用相位恢复方法,以重建输出目标图像。
传统的基于传输矩阵理论的随机散射介质成像技术采用参考光与散射光进行干涉的办法来测量传输矩阵,对光路要求十分苛刻,其主要技术手段为四步相移干涉法,即通过将2π相位划分为4份,对每一个哈达玛矩阵向量,将其叠加上4种不同相位,分别调制到空间光上,与此同时,采集相应的散斑图案输出。如此循环往复,直至采集够4倍于物体图像所含像素数的平方组散斑图案。也就是说,传统方法不仅对光路要求十分苛刻,且其运算复杂度与待重建物体的维度的平方成正比,这意味着当待重建物体维度大到一定程度,传统方法将失去其实用性。因此,提出一种能够高效高保真度重建出原始物体图像的方法十分重要。由图3可知,相机接收到的散斑图案I(θ)与空间光调制器上加载的待重建目标图像O(θ)之间的关系为:
I(θ)=O(θ)*S(θ) (1)
其中,S(θ)为点扩散函数,符号*代表卷积运算符。
对式(1)的等号左右两边分别计算自相关,并运用卷积定义,有:
其中,符号★代表自相关运算符。
由于光学系统点扩散函数的自相关通常是一个非常尖锐的峰值函数,即式(2)的等号右侧其实可以通过待重建目标图像的自相关加上一个背景常数项C来近似,于是,式(2)可以改写为:
[I★I](θ)=[O★O](θ)+C (3)
式(3)中,相机记录的散斑图案的自相关的可以很容易计算得到,即,通过对散斑图案的能量谱做二维反傅里叶变换即可得到。且通过图5a~图5d可知,物面图像自相关与散斑图案自相关形状相似或接近,证明了公式(3)的合理性,说明通过散斑图案自相关是可以估计出物面图像自相关的。
根据式(3),在得到了散斑图案的自相关I★I之后,就可以得到待重建目标图像O(θ)的自相关O★O,通过对待重建目标图像的自相关O★O做反傅里叶变换即可得到待重建目标图像的傅里叶幅度谱估计值Sobj(kx,ky)。
因此,通过测量待重建目标图像经随机介质散射后形成的散斑图案之后,可求解出待重建目标图像的傅里叶幅度谱,之后利用相位恢复技术来重建出目标图像。综上所述,本发明将散射介质成像问题转换成了一个相位恢复问题。通过对待重建目标图像经随机介质散射后的散斑图案的一次测量,即可计算出散斑图案的自相关I★I,根据表达式(3)即可估计出待重建目标图像的自相关O★O,从而计算出其傅里叶幅度谱Sobj(kx,ky),再利用OSS相位恢复技术,将待重建目标图像的傅里叶幅度谱Sobj(kx,ky)代入图4所示相位恢复算法流程图,其中,相位恢复算法模型包括闭环连接的二维傅里叶变换模块(2D FourierTransform)、取相位模块(arg)、相位恢复模块(其输入为相位角θk(kx,ky)和Sobj(kx,ky))、二维逆傅里叶变换模块(Inverse 2D Fourier Transform)、约束施加模块(HIOconstraints)和平滑模块(Smoothing filter),具体的,图2中,gk(x,y)为给相位恢复算法的原始输入,是一个随机相位;
gk(kx,ky)为gk(x,y)的二维傅里叶变换结果;
θk(kx,ky)为gk(kx,ky)的相位角;
G'k(kx,ky)为计算得到的重建目标图像相位:
g'k(x,y)为G'k(kx,ky)的二维逆傅里叶变换结果;
g″k(x,y)为对g'k(x,y)施加实数及非负约束后的结果,g″k(x,y)经过平缓滤波后输入给二维傅里叶变换模块;
经过一定次数的迭代即可重建出目标图像。
由此可知,本发明结合相位恢复理论和逆散射成像体制,在重建目标图像的过程主要可分为两大步骤:第一步就是待重建目标图像傅里叶幅度谱Sobj(kx,ky)的预测,第二步则为利用相位恢复技术进行图像重建过程。待重建目标图像傅里叶幅度谱Sobj(kx,ky)的预测主要是通过采集待重建目标图像经随机散射系统散射后生成的散斑图案,计算散斑图案自相关,从而估计出待重建目标图像自相关,从而计算出待重建目标图像傅里叶幅度谱Sobj(kx,ky)。一旦计算得到待重建目标图像傅里叶幅度谱Sobj(kx,ky)之后,即可将其代入相位恢复算法,重建出目标图像。
为进一步验证本发明的有效性,本实施例采用传统的C-ERHIO算法与本发明提出的方法进行重建目标图像结果对比,并对重建目标图像的部分区域进行了放大处理,由图6b和图6c可知,本发明方法的重建效果明显优于传统方法,能够成功重建出被散射介质遮挡的目标图像。
Claims (5)
1.一种光电协同散射介质成像系统的成像方法,应用于一种光电协同散射介质成像系统,其特征在于,所述系统包括依次连接的激光发射器(1)、针孔(2)、透镜(3)、分束立方体(4)和空间光调制器(5),所述分束立方体(4)还连接有散射器(6),所述散射器(6)与相机(7)连接,所述相机(7)连接至成像处理单元(8),所述激光发射器(1)用于输出激光光源;
所述针孔(2)和透镜(3)用于对激光光源进行准直扩束操作;
所述分束立方体(4)用于将一束准直光分成多束光,并使光束入射至空间光调制器(5)和散射器(6);
所述空间光调制器(5)上加载有待重建目标图像;
所述散射器(6)用于对光束进行随机介质散射;
所述相机(7)根据随机介质散射后的光束,形成散斑图案,并将散斑图案输出给成像处理单元(8);
所述成像处理单元(8)根据散斑图案和待重建目标图像,重建并输出目标图像;
所述成像方法包括以下步骤:
S1、将待重建目标图像加载至空间光调制器(5);
S2、激光发射器(1)输出激光光源,激光光源依次通过针孔(2)、透镜(3),之后经分束立方体(4)入射至空间光调制器(5),得到待重建目标图像光束;
S3、待重建目标图像光束反射回分束立方体(4),并经分束立方体(4)入射至散射器(6);
S4、待重建目标图像光束经散射后在相机(7)平面成像,得到散斑图案;
S5、成像处理单元(8)采集一次散斑图案,根据散斑图案和待重建目标图像,得到待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值,采用相位恢复方法,以重建输出目标图像;
所述步骤S5具体包括以下步骤:
S51、计算散斑图案自相关;
S52、根据散斑图案自相关,计算得到待重建目标图像自相关;
S53、对待重建目标图像自相关进行傅里叶变换,得到待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值;
S54、基于待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值,采用相位恢复方法,按照预设的迭代次数,重建并输出目标图像;
所述步骤S54具体包括以下步骤:
S541、构建相位恢复模型,将待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值输入相位恢复模型中,按照预设的迭代次数进行迭代输出,得到重建目标图像的相位;
其中,相位恢复模型包括依次连接构成闭环的二维傅里叶变换模块、取相位模块、相位恢复模块、二维逆傅里叶变换模块、约束施加模块和平滑模块,所述二维傅里叶变换模块用于对其输入的相位进行二维傅里叶变换;
所述取相位模块用于从相位二维傅里叶变换结果中提取相位角;
所述相位恢复模块根据待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值和相位角,计算得到重建目标图像相位;
所述二维逆傅里叶变换模块用于对重建目标图像相位进行二维逆傅里叶变换;
所述约束施加模块用于对二维逆傅里叶变换结果施加约束;
所述平滑模块用于对施加约束后的结果进行平滑滤波,并将平滑滤波后结果输出给二维傅里叶变换模块;
S542、根据重建目标图像的相位,对应生成重建目标图像;
所述相位恢复模型的具体工作过程为:
S5411、输入随机相位gk(x,y)给二维傅里叶变换模块,得到相位二维傅里叶变换结果gk(kx,ky);
S5412、相位二维傅里叶变换结果gk(kx,ky)输出给取相位模块,通过取相位操作,得到对应的相位角θk(kx,ky);
S5413、将待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值和相位角θk(kx,ky)输入给相位恢复模块,经计算后得到重建目标图像相位G′k(kx,ky);
S5414、重建目标图像相位G′k(kx,ky)输入给二维逆傅里叶变换模块,得到二维逆傅里叶变换结果g′k(x,y);
S5415、二维逆傅里叶变换结果g′k(x,y)输入给约束施加模块,得到施加约束后的结果g″k(x,y);
S5416、施加约束后的结果g″k(x,y)经过平滑模块进行平缓滤波处理后,输入给二维傅里叶变换模块,按照预设的迭代次数,重复步骤S5412~步骤S5416,将最后一次迭代计算得到的重建目标图像相位作为相位恢复模型的输出结果。
2.根据权利要求1所述的一种光电协同散射介质成像系统的成像方法,其特征在于,所述步骤S51具体是通过对散斑图案的能量谱进行二维反傅里叶变换计算,以得到散斑图案自相关。
3.根据权利要求1所述的一种光电协同散射介质成像系统的成像方法,其特征在于,所述步骤S52中待重建目标图像自相关的计算公式为:
[O★O](θ)=[I★I](θ)-C
其中,符号★代表自相关运算符,I★I为散斑图案I(θ)的自相关,O★O为待重建目标图像O(θ)的自相关,C为背景常数。
4.根据权利要求1所述的一种光电协同散射介质成像系统的成像方法,其特征在于,所述约束施加模块施加的约束包括实数约束和非负约束。
5.根据权利要求1所述的一种光电协同散射介质成像系统的成像方法,其特征在于,所述重建目标图像相位的计算公式为:
其中,Sobj(kx,ky)为待重建目标图像的傅里叶幅度谱预测值,i为虚数。
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