CN112053294A - 一种透过动态散射体成像恢复的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透过动态散射体成像恢复的系统和方法，该系统包括光源及调节单元、动态散射体和成像观测单元；光源及调节单元包括：光源、衰减片和扩束器；当成像时，样品设置在扩束器和动态散射体之间；光源，用于输出准直的单色激光束；衰减片，用于对单色激光束光强进行减弱；扩束器，用于调节经过衰减片的单色激光束的光束直径，使单色激光束的光束直径超出样品上的待测图形；动态散射体，位于刻有待测图形的样品后面，用于加载随机相位，产生散斑；图像采集单元，用于采集记录待测图形的像和经过动态散射体后的散斑图样。本发明将采集到的散斑图样用简单的叠加算法进行散斑叠加，并进行校正和优化，恢复出来的图像保真度很高。

Description

一种透过动态散射体成像恢复的系统和方法

技术领域

本发明涉及散射成像术领域，特别是涉及一种透过动态散射体成像恢复的系统和方法。

背景技术

在生活中，散射现象随处可见，比如蓝天白云，山川河流，水幕电影等给我们展现了生活的多姿多彩。但是，散射现象在某些方面也会给我们造成一定的困扰，比如，雾霾天气能见度低，给交通安全带来隐患；生物医学诊断治疗中，难以对皮肤下的细胞组织成像；还有，对云层后面的飞机,导弹的追踪造成障碍等等。这些雾霾，皮肤组织，烟雾、云层等随机散射介质的存在，导致我们不能直接看到隐藏在这些散射介质后面的目标物体。在传统的成像理念中，只要满足物像关系的物体都能通过透镜等光学成像系统直接成像；但是，物体透过存在雾霾，皮肤，烟雾、云层等随机散射介质的光学系统时得到的是散斑图样；因为散射介质内部的结构中小微粒都是随机分布，光进入散射介质内部会与这些微粒发生撞击，从而导致光束扩散，失去方向性，向各个方向散射，有序图像变得随机紊乱，从而得到的是散斑，难以实现对目标的观测或成像。因此，散射效应成为制约透过散射介质成像技术发展的瓶颈。随着科学技术的发展，人们对散射光的兴趣和要求也越来越高，着力于研究把散射光为我们所用。比如，人们希望可以直接用光学方法观察到细胞组织内部细节；即便在大雾霾的恶劣天气环境下驾驶人仍能看到路况进行无障碍行驶；即便在监控盲区的情况下监控摄像头利用周围环境的漫反射仍能进行无“死角”监控。因此，人们急切希望开发透过散射体成像技术，能够实现无障碍成像。

现有的大部分静态散射成像方法在动态散射体领域受到限制。近年来，随着散射成像技术研究的不断深入，科研工作者把静态散射体的成像研究逐渐地转向为对动态散射体成像研究，而现阶段提出的透过动态散射体成像的方法，普遍存在不足。要么依赖于复杂耗时的恢复算法，实时性差；要么受成像距离的限制，在实际应用中普适性较低；要么受参考点光源尺寸的影响，成像恢复的保真度低。

因此，急需要发明一种操作简单、不需复杂的算法即可恢复成像，使散射成像技术得到更广泛应用的系统或者方法。

发明内容

基于此，有必要针对恢复算法复杂耗时，成像恢复的保真度低的问题，提供一种透过动态散射体成像恢复的系统和方法。

一种透过动态散射体成像恢复的系统，包括：光源及调节单元、动态散射体和成像观测单元；光源及调节单元包括：光源、衰减片和扩束器；当成像时，样品设置在扩束器和动态散射体之间；光源，用于输出准直的单色激光束；衰减片，用于对单色激光束光强进行减弱；扩束器，用于调节经过衰减片的单色激光束的光束直径，使单色激光束的光束直径超出样品上的待测图形；动态散射体，位于刻有待测图形的样品后面，用于加载随机相位，产生散斑；图像采集单元，用于采集记录待测图形的像和经过动态散射体后的散斑图样，对采集到的散斑图样运用叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像。

优选地，动态散射体为旋转的毛玻璃或者放置在比色皿内的混合液体；动态散射体设置在三维移动平台上，当动态散射体为毛玻璃时，调节三维移动平台时使毛玻璃围绕光路轴线旋转，来加载不同的随机相位，从而获得不同的散斑。

优选地，浑浊液为纯牛奶和纯净水的混合液体。

优选地，图像采集组件包括：透镜、相连接的CCD摄像机和计算机；透镜，用于将待测图形的像成像于CCD摄像机上；CCD摄像机，用于采集记录待测图形的像和经过动态散射体后的散斑图样，对采集到的散斑图样运用叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像；计算机，用于对采集到的散斑图样进行叠加，校正和优化，恢复出待测图形的像。

优选地，将在边长为30mm×30mm的正方形镜子镀银的一面刻有线宽为0.03mm和尺寸为1mm的待测图形作为样品。

优选地，待测图形为圆形、六边形、三角形和四边形。

一种透过动态散射体成像恢复方法，包括：

S1，打开单色激光器，输出准直的单色激光束，单色激光束进入衰减片上进行衰减，调整扩束器底部的三维移动平台，使得单色激光束垂直入射到扩束器中心，扩束器输出的单色激光束的光束直径超出样品上的待测图形；

S2，调节放置样品的三维移动平台的螺旋轴以选择待测图形，同时使扩束后的单色激光束垂直入射到选中的待测图形上，前后移动放置样品的三维位移台的螺旋轴，使得待测图形清晰成像在CCD摄像机上，并在计算机上保存下来，作为原图；

S3，在样品和透镜之间，放置动态散射体，在CCD摄像机上成像为散斑图样；当动态散射体为毛玻璃时，调节动态散射体下的三维移动平台，使动态散射体围绕光路轴线旋转，同时保存散斑图样，得到n张散斑图样；

S4，调节放置样品的三维移动平台的螺旋轴，依次把待测图形更换成六边形、三角形和四边形，重复执行步骤S2-S3；

S5，对采集到的散斑图样运用简单的叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明区别于现有的透过散射体成像方法，将采集到的散斑图样用简单的叠加算法进行散斑叠加，并进行校正和优化，恢复出来的图像保真度很高；这种方法不需要经过复杂的算法进行图形的重组，用更简单的方法就可以把待测目标(待测图形)恢复出来了，降低了图像恢复的难度。

(2)本发明利用液体分子本身随时间进行无规则运动的特性作为动态散射体，不需要额外的条件驱动散射体处于动态的情形，只需要把装有已经按比例配好混合液体的比色皿静放置在样品的后面，CCD摄像机在每个时间点采集到的散斑图样都是随机的，不重复的；这意味着实验系统简单，减少繁琐的成像条件，更好的模拟了水下探测，生物医学上对血管，组织液的治疗的环境，更贴近实际的应用。

(3)本发明直接对隐藏在动态散射体后面的待测图形进行成像，得到散斑图样，后期进行图像恢复，不需要对待测图形有先验知识，证明了本发明的普适性高，为机密文件的加密提供一个新的方法，为透过动态散射体成像恢复提供了新的途径。

附图说明

图1为本发明的透过动态散射体成像恢复的系统的结构图。

图2(a)为实施例1的放置动态散射体之前待测图形的成像图。

图2(b)为实施例1的放置动态散射体后的待测图形的散斑图。

图2(c)为实施例1的放置动态散射体后的待测图形为圆形的恢复图像。

图2(d)为实施例1的放置动态散射体后的待测图形为六边形的恢复图像。

图2(e)为实施例1的放置动态散射体后的待测图形为三角形的恢复图像。

图2(f)为实施例1的放置动态散射体后的待测图形为四边形的恢复图像。

图3(a)为实施例2的放置动态散射体之前待测图形为圆形的成像图。

图3(b)为实施例2的放置动态散射体后的待测图形为圆形的散斑图。

图3(c)为实施例2的放置动态散射体后的待测图形为圆形的恢复图像。

图3(d)为实施例2的放置动态散射体之前待测图形为三角形的成像图。

图3(e)为实施例2的放置动态散射体后的待测图形为三角形的散斑图。

图3(f)为实施例2的放置动态散射体后的待测图形为三角形的恢复图像。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

实施例1

参见图1、一种透过动态散射体成像恢复的系统，包括：光源及调节单元、动态散射体和成像观测单元；光源及调节单元包括：光源、衰减片和扩束器；当成像时，样品设置在扩束器和动态散射体之间；光源，用于输出准直的单色激光束；衰减片，用于对单色激光束光强进行减弱；衰减片起减弱光强的作用；使得在CCD上观察的光斑不至于过饱和，从而保护CCD摄像机。扩束器，用于调节经过衰减片的单色激光束的光束直径，使单色激光束的光束直径超出样品上的待测图形，使待测图形所在区域在光束里；动态散射体，位于刻有待测图形的样品后面，用于加载随机相位，产生散斑；图像采集单元，用于采集记录待测图形的像和经过动态散射体后的散斑图样，对采集到的散斑图样运用叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像。

在本实施例，图像采集组件包括：透镜、相连接的CCD摄像机和计算机；透镜，用于将待测图形的像成像于CCD摄像机上；CCD摄像机，用于采集记录待测图形的像和经过动态散射体后的散斑图样，对采集到的散斑图样运用叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像；计算机，用于对采集到的散斑图样进行叠加，校正和优化，恢复出待测图形的像。CCD摄像机采集到的任意一张散斑图样都是不一样的，后期对这些散斑图样进行简单的叠加，实现待测图形的重现。

在本实施例，动态散射体为旋转的毛玻璃或者放置在比色皿内的混合液体；动态散射体设置在三维移动平台上，当动态散射体为毛玻璃时，调节三维移动平台时使毛玻璃围绕光路轴线旋转。比色皿的边缘很薄且高透光率，能提高恢复成像的分辨率。动态散射体，放置在样品和透镜之间，其中动态散射体每旋转一个角度，CCD摄像机记录下来的散斑图样是不同的，用于后期散斑叠加。利用液体中分子随时间做无规则运动的特性，使得每个时间点记录下来的散斑图样都不同。

在本实施例，混合液体为纯牛奶和纯净水的混合液体。

需要说明的是，混合液体还可以为其他浑浊液。

在本实施例，将在边长为30mm×30mm的正方形镜子镀银的一面刻有线宽为0.03mm和尺寸为1mm的待测图形作为样品。

在本实施例，待测图形为六边形、三角形和四边形。

上述透过动态散射体成像恢复的系统适用的透过动态散射体成像恢复方法，包括：

S1，打开单色激光器，输出准直的单色激光束，单色激光束进入衰减片上进行衰减，调整扩束器底部的三维移动平台，使得单色激光束垂直入射到扩束器中心，扩束器输出的单色激光束的光束直径超出样品上的待测图形；

S2，调节放置样品的三维移动平台的螺旋轴以选择待测图形，同时使扩束后的单色激光束垂直入射到选中的待测图形上，前后移动放置样品的三维位移台的螺旋轴，使得待测图形清晰成像在CCD摄像机上，并在计算机上保存下来，作为原图；

S3，在样品和透镜之间，放置动态散射体，在CCD摄像机上成像为散斑图样；当动态散射体旋转的毛玻璃时，调节动态散射体下的三维移动平台，使动态散射体围绕光路轴线旋转以加载不同的随机相位，同时保存散斑图样，得到n张散斑图样；

S4，调节放置样品的三维移动平台的螺旋轴，依次把待测图形更换成六边形、三角形和四边形，重复执行步骤S2-S3；

S5，对采集到的散斑图样运用简单的叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像。具体来讲为将收集到的散斑图导入Matlab，一张张的加起来就可以恢复。

使用600目的旋转的毛玻璃作为动态散射介质对待测图形进行恢复。开启已准直好的波长为532nm的激光器，其功率为2.0mW的单色激光器，单色激光器与电源连接；调节放置5倍的扩束器的三维位移台的螺旋轴，使扩束后的激光光束垂直入射到选中的圆形上(待测图形有三角形、六边形、四边形，圆形)，调整CCD摄像机与透镜的距离，使圆形在CCD摄像机上呈现清晰图像，保存图片作为原图，如图2(a)所示。把毛玻璃放置在距离样品50mm的位置上，调节毛玻璃围绕光路轴线旋转，每隔5°通过CCD摄像机保存系统产生的一张散斑图样如图2(b)所示，共采集72 张散斑图样。调节放置样品的三维位移台的螺旋轴，把待测图形依次更换成六边形、三角形和四边形，重复以上操作。后期对采集到是实验数据运用简单的叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像，分别为图2(c)-2(f)所示。值得一提的是，恢复出来的图像保真度高，对成像质量高的要求领域有很大的意义。

实施例2

使用按20ml纯净水和4600μl纯牛奶进行配制的溶液作为动态散射介质对待测图形进行恢复。实验前，按比例配备好纯牛奶和纯净水的溶液。向试管中加入20ml纯净水，再用移液枪向试管中加入4600μl纯牛奶，搅拌，使其两者充分混合。

开启已准直好的波长为532nm的激光器，调节三维位移台的螺旋轴，使扩束后的激光光束垂直入射到选中的圆形上(待测图形有三角形、圆形)，调整CCD与透镜的距离，使圆形在CCD上呈现清晰图像，保存图片作为原图，如图3(a)所示。用针管把配好的牛奶溶液滴进光程为1mm 的比色皿(3.5mm×12.5mm×45mm)把比色皿放置在距离样品50mm的位置上，设置计算机控制CCD的软件，并在CCD软件上设定连续拍1000张图片，间隔为100ms，图3(b)是其中的一张散斑图样。调节放置样品的三维位移台的螺旋轴，把待测图形(圆形)更换为三角形，重复以上操作得到了它的原像图3(d)，其中的一张散斑图是图3(e)。后期对采集到是实验数据运用简单的叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像，如图3(c)和(f)所示。

综上所述，本发明提出一种透过动态散射体成像恢复的系统与方法。用旋转的毛玻璃作为动态散射体，放置在待测物体后面用来加载随机相位，围绕光路轴线每旋转一个角度，在CCD摄像机上保存的散斑都不一样，用于后期的叠加恢复成像。其中，用浑浊液体(按比例配制的牛奶溶液)作为动态散射体，利用溶液本身随时间做无规则运动的特性，静止放置在样品后面便可使得CCD每个时间点拍下来的散斑图样都不相关，而不需额外的条件使散射体处于动态的情形，这意味着更加贴近日常应用环境。

对采集到的多张散斑图样运用简单的叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像。实验系统简单易于实现，不需要复杂的算法和不需要对散射物有预先了解，具有较大的使用价值和意义，有望被广泛应用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种透过动态散射体成像恢复的系统，其特征在于，包括：光源及调节单元、动态散射体和成像观测单元；光源及调节单元包括：光源、衰减片和扩束器；当成像时，样品设置在扩束器和动态散射体之间；

光源，用于输出准直的单色激光束；

衰减片，用于对单色激光束光强进行减弱；

扩束器，用于调节经过衰减片的单色激光束的光束直径，使单色激光束的光束直径超出样品上的待测图形；

动态散射体，位于刻有待测图形的样品后面，用于加载随机相位，产生散斑；

图像采集单元，用于采集记录待测图形的像和经过动态散射体后的散斑图样，对采集到的散斑图样运用叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像。

2.根据权利要求1所述的透过动态散射体成像恢复的系统，其特征在于，动态散射体为旋转的毛玻璃或者放置在比色皿内的混合液体；动态散射体设置在三维移动平台上，当动态散射体为毛玻璃时，调节三维移动平台时使毛玻璃围绕光路轴线旋转。

3.根据权利要求2所述的透过动态散射体成像恢复的系统，其特征在于，混合液体为纯牛奶和纯净水的混合液体。

4.根据权利要求1所述的透过动态散射体成像恢复的系统，其特征在于，图像采集组件包括：透镜、CCD摄像机和与CCD摄像机相连接的计算机；

透镜，用于将待测图形的像成像于CCD摄像机上；

CCD摄像机，用于采集记录待测图形的像和经过动态散射体后的散斑图样；

计算机，用于驱动CCD摄像机和保存数据，后期用于对采集到的散斑图样进行叠加，校正和优化，恢复出待测图形的像。

5.根据权利要求1所述的透过动态散射体成像恢复的系统，其特征在于，将在边长为30mm×30mm的正方形镜子镀银的一面刻有线宽为0.03mm和尺寸为1mm的待测图形作为样品。

6.根据权利要求1所述的透过动态散射体成像恢复的系统，其特征在于，待测图形为圆形、六边形、三角形和四边形。

7.一种透过动态散射体成像恢复的方法，其特征在于，包括：

S1，打开单色激光器，输出准直的单色激光束，单色激光束进入衰减片上进行衰减，调整扩束器底部的三维移动平台，使得单色激光束垂直入射到扩束器中心，扩束器输出的单色激光束的光束直径超出样品上的待测图形；

S2，调节放置样品的三维移动平台的螺旋轴以选择待测图形，同时使扩束后的单色激光束垂直入射到选中的待测图形上，前后移动放置样品的三维位移台的螺旋轴，使得待测图形清晰成像在CCD摄像机上，并在计算机上保存下来，作为原图；

S3，在样品和透镜之间，放置动态散射体，在CCD摄像机上成像为散斑图样，同时保存散斑图样，得到n张散斑图样；

S4，调节放置样品的三维移动平台的螺旋轴，依次把待测图形更换成六边形、三角形和四边形，重复执行步骤S2-S3；

S5，对采集到的散斑图样运用叠加算法进行叠加、校正和优化，恢复出待测图形的图像。

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