CN112161953B - 一种基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法，包括：搭建透过散射介质的宽光谱成像系统，其中，所述宽光谱成像系统包括沿光轴方向依次设置的宽谱光源、准直透镜、可变光阑、散射介质和探测器；获取所述宽光谱成像系统的宽谱点扩展函数；利用所述宽光谱成像系统获取成像目标的宽谱散斑图像；对所述宽谱点扩展函数和所述宽谱散斑图像进行互相关宽谱重构，获得所述成像目标的重构图像。该宽光谱单帧散射成像方法仅需单帧宽谱散斑结合预先标定的宽谱光源点扩展函数，重构目标精度高、速度快，光路简单。

Description

一种基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法。
背景技术
光波在经过散射介质内部传输或与其表面相互作用时会出现不同程度的散射，传统光学成像系统仅能接收到由于散射光干涉而形成的散斑，无法直接获得隐藏在散射介质后的目标信息。目前常用的透过散射介质成像的方法有散斑相关成像、传输矩阵光场成像及波前调制成像等。散斑相关成像技术通过目标自相关与散斑自相关的高度相似性结合相位恢复技术可以实现透过散射介质的小目标成像，但其成像受限于照明光源谱宽，随着谱宽的扩展，散斑对比度会逐渐下降，散斑颗粒尺寸变化，散斑结构可分辨性下降，目标自相关与散斑自相关之间的结构相似特性也会随谱宽增加而逐渐消失，目前尚无直接方法对宽谱照明的目标成像。基于传输矩阵与基于波前调制的透散射介质成像思想均需高质量相干光源照明，并对光场调制反馈进行相应的波前编码以获取散射介质前后表面的光场信息，除了对光源有高质量要求外，也需要很好的系统稳定性，成本高昂，操作不便。
考虑到实际应用中激光光源的高额费用及其光损失特性，在生物医学、文物保护、智能交通及无损探测领域中，更希望使用易于获取且价格低廉的非相干光源或白光光源对场景进行探测成像。上述方法在一定程度上解决了透过散射介质的成像需求，但其成像谱宽局限于激光光源或窄谱LED光源，通常情况谱宽不超过20nm。
2017年，新加坡南洋理工大学Sujit Kumar Sahoo等人根据散射介质的光谱退相关特性，通过测量不同窄谱范围内的散射介质点扩展函数，结合解卷积技术实现了单帧黑白相机透过散射介质的多光谱成像，但其需要在光路中引入不同窄谱滤光片，实验光路较为复杂。2018年，中山大学的徐晓庆等人利用不同波长下散射介质的点扩展函数尺度放缩特性，结合先验目标信息，实现了透过散射介质的未知光谱目标重构，该方法需要引入参考目标，且重建效果并不理想。2019年，美国杜克大学的Joel A.Greenberg等人利用光谱编码结合压缩感知技术，同样实现了透过散射介质的单帧多光谱散射成像，但其光路中需要引入空间光调制器及分光元件，实验难度大为增加，且需要引入不同谱宽的窄谱滤光片。引入目标先验参考或采用滤波片分而治之的方法，操作不便，系统复杂，虽然一定程度上可以解决问题，但也限制了该类技术在实际中应用与推广。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法，包括：
搭建透过散射介质的宽光谱成像系统，其中，所述宽光谱成像系统包括沿光轴方向依次设置的宽谱光源、准直透镜、可变光阑、散射介质和探测器；
获取所述宽光谱成像系统的宽谱点扩展函数；
利用所述宽光谱成像系统获取成像目标的宽谱散斑图像；
对所述宽谱点扩展函数和所述宽谱散斑图像进行互相关宽谱重构，获得所述成像目标的重构图像。
在本发明的一个实施例中，所述宽谱光源为宽谱LED光源，谱宽范围为470-850nm。
在本发明的一个实施例中，所述散射介质为毛玻璃。
在本发明的一个实施例中，所述探测器包括sCMOS相机，所述sCMOS相机的像素为2048×2160。
在本发明的一个实施例中，利用所述宽光谱成像系统获取宽谱点扩展函数，包括：
打开所述宽谱光源，在所述可变光阑与所述散射介质之间放置针孔；
利用所述探测器获取所述宽谱点扩展函数PSFbroadband。
在本发明的一个实施例中，所述针孔的直径为100μm。
在本发明的一个实施例中，利用所述宽光谱成像系统获取成像目标的宽谱散斑图像，包括：
将所述针孔替换成所述成像目标，并保证所述针孔与所述成像目标位于同一位置；
利用所述探测器获取所述成像目标的宽谱散斑图像Sbroadband。
在本发明的一个实施例中，对所述宽谱点扩展函数和所述宽谱散斑图像进行互相关宽谱重构，获得所述成像目标的重构图像，包括：
获取宽谱点扩展函数PSFbroadband与宽谱散斑图像Sbroadband的互相关表达式：
Figure BDA0002649555180000031
其中，Sbroadband表示所述宽谱散斑图像，O表示成像目标，*表示卷积运算，
Figure BDA0002649555180000041
表示所有宽谱点扩展函数之和；
对所述宽谱点扩展函数PSFbroadband和所述宽谱散斑图像Sbroadband进行高斯滤波预处理，获得处理后的宽谱点扩展函数PSFbroadband和宽谱散斑图像
Figure BDA0002649555180000042
对处理后的宽谱点扩展函数PSFbroadband和宽谱散斑图像
Figure BDA0002649555180000043
进行互相关运算，得到所述成像目标的重构图像：
Figure BDA0002649555180000044
其中，xcorr2表示互相关运算，☆表示自相关运算符，Gausskernel表示高斯核。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法仅需单帧宽谱散斑结合预先标定的宽谱光源点扩展函数，即可高效重构出散射介质后的目标，重构目标精度高、速度快，光路简单。
2、本发明的宽光谱单帧散射成像方法可以实现穿透散射介质的宽光谱成像，操作简便，算法鲁棒，灵活。
3、本发明的宽光谱单帧散射成像方法可以应用于生物医学成像，且在物理上不受成像谱宽限制，可以实现非相干白光成像。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种宽光谱成像系统的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的一种宽谱点扩展函数与宽谱散斑图像进行互相关宽谱重构的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法的仿真结果图；
图5是本发明实施例的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法中使用的宽谱光源光谱分布图；
图6是本发明实施例提供的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法的实验结果图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法的流程图。本实施例基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法包括：
S1：搭建透过散射介质的宽光谱成像系统，其中，所述宽光谱成像系统包括沿光轴方向依次设置的宽谱光源、准直透镜、可变光阑、散射介质和探测器；
具体地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种宽光谱成像系统的结构示意图。本实施例的宽光谱成像系统包括光源模块A、散射介质5和探测器模块B。光源模块A中包括宽谱光源1、准直透镜2和可变光阑3。成像目标置于可变光阑3与散射介质5之间。宽谱光源1用于产生宽光谱照明，优选地，宽谱光源1为宽谱LED光源，谱宽范围470-850nm。准直透镜2于对照明光源进行准直，可变光阑3用于限制光束照明区域大小。散射介质为毛玻璃，优选的型号为Edmund，220-grids。探测器模块B包含探测器6，用于接收散斑场图像。优选地，探测器为sCMOS相机，像素为2048×2160。
S2：利用所述宽光谱成像系统获取宽谱点扩展函数；
打开所述宽谱光源，在所述可变光阑与所述散射介质之间放置针孔；利用所述探测器获取所述宽谱点扩展函数PSFbroadband。
具体地，打开该宽光谱成像系统中的光源模块A中的宽谱光源1，将系统中的目标4替换为大小100μm的针孔，利用探测器模块B中的sCMOS相机采集该系统的宽谱点扩展函数PSFbroadband。
S3：利用所述宽光谱成像系统获取成像目标的宽谱散斑图像；
将所述针孔替换成所述成像目标，并保证所述针孔与所述成像目标位于同一位置；利用所述探测器获取所述成像目标的宽谱散斑图像Sbroadband。
具体地，将S2中的系统中针孔替换为成像目标4，将需要成像的部分与针孔位置放在同一位置，利用探测器模块B中的sCMOS相机采集成像目标的宽谱散斑图像Sbroadband。
在本实施例的实验过程中，成像目标4为USAF标准分辨率靶。
S4：对所述宽谱点扩展函数和所述宽谱散斑图像进行互相关宽谱重构，获得所述成像目标的重构图像。
在本步骤中，将步骤S2及S3中获取的宽谱点扩展函数PSFbroadband和宽谱散斑图像Sbroadband先进行滤波预处理再输入到互相关宽谱重构算法中，重构出视场内的目标，进而实现透过散射介质的宽光谱成像。请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种宽谱点扩展函数与宽谱散斑图像进行互相关宽谱重构的流程示意图。步骤S4具体包括：
S41：获取宽谱点扩展函数PSFbroadband与宽谱散斑图像Sbroadband的互相关表达式：
Figure BDA0002649555180000071
其中，Sbroadband表示所述宽谱散斑图像，O表示成像目标，*表示卷积运算，
Figure BDA0002649555180000072
表示所有宽谱点扩展函数之和，可表示为PSFbroadband；
S42：对所述宽谱点扩展函数PSFbroadband和所述宽谱散斑图像Sbroadband进行高斯滤波预处理以去除高斯轮廓，获得处理后的宽谱点扩展函数PSFbroadband和宽谱散斑图像
Figure BDA0002649555180000073
S43：对处理后的宽谱点扩展函数PSFbroadband和宽谱散斑图像
Figure BDA0002649555180000081
进行互相关运算，得到所述成像目标的重构图像：
Figure BDA0002649555180000082
其中，xcorr2表示互相关运算，☆表示自相关运算符，Gausskernel表示高斯核。
需要说明的是，由于散射介质的随机特性PSFbroadband的自相关呈现出类似高斯核的性质，其作用在目标上类似卷积高斯核模糊，对成像质量起到一定的退化作用，但其并不影响目标解译。
以下将通过仿真和实验对本实施例基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法的效果进行进一步说明。请参见图4，图4是本发明实施例提供的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法的仿真结果图，其中，图4中的(a)和(b)分别表示宽光谱点扩展函数及宽光谱散斑，图4中的(c)为宽光谱点扩展函数的自相关，(c)左下角的插图为中间区域的放大视图，(c)右下插图为点扩展函数的三维形貌图；图4中的(d)为经过互相关重构技术解译出的目标信息，(d)左下插图为仿真时输入的原始目标图像。
从图4可以看出，通过利用互相关技术，可以实现透过散射介质的宽光谱目标重构。本发明实施例的方法仅需单帧宽谱散斑图像和宽谱点扩展函数，其成像方法效率高，光路搭建简单；且由于散射介质的自相关高斯特性，重构目标分辨率可以达到使用要求，并对照明谱宽变化敏感性低，有望广泛应用于宽谱散射成像中。
针对上述仿真结果，进行了相应的实验，实验中选取的宽谱光源为索雷博的MBB1L3，实验选用的成像目标为USAF1951分辨率靶标。请参见图5和图6，图5是本发明实施例的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法中使用的宽谱光源光谱分布图，其中，横坐标为谱宽分布，纵坐标为归一化强度；图6是本发明实施例提供的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法的实验结果图。
在图6中，(a)和(b)为直接采集到的宽光谱点扩展函数PSFbroadband和宽光谱散斑Sbroadband，(e)和(f)表示经过高斯滤波后的点扩展函数PSFbroadband和散斑图像
Figure BDA0002649555180000091
(c)为经过高斯滤波后的点扩展函数的自相关，(c)左下为中心部分放大图，(g)表示互相关运算后解译的目标，(g)左下为中心部分放大图。可以看出，实验中对USAF1951分辨率靶标上的数字“4”进行了高分辨率重构，这也充分说明本发明实施例所提方法在真实实验中成像质量高，这与仿真结果是一致的。
另外，作为对比，图6中的(d)和(h)分别表示利用现有技术的散斑相关技术和解卷积技术获取的目标图像，可以看出，这两种方法在解译宽谱散斑时失效，并不适用。
综上，本发明实施例的宽光谱单帧散射成像方法基于互相关成像及宽谱散射成像物理模型，仅需单帧宽谱散斑结合预先标定的宽谱光源点扩展函数，即可高效重构出散射介质后的目标，重构目标精度高、速度快，光路简单；本发明实施例的方法成像光路中无透镜参与，可以应用于无透镜波前感知，成像过程中无像差引入，因此无需像差校正过程；本发明实施例方法的成像光路无需引入参考光，并且无光场调制元件，如SLM(空间光调制器)或DMD(数字微镜器件)，光路简单操作简便，重构目标精度较高，有望实现实时快速成像观测；本发明有望应用于被动式散射成像。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法，其特征在于，包括：
搭建透过散射介质的宽光谱成像系统，其中，所述宽光谱成像系统包括沿光轴方向依次设置的宽谱光源、准直透镜、可变光阑、散射介质和探测器，所述宽谱光源为宽谱LED光源，谱宽范围为470-850nm；
获取所述宽光谱成像系统的宽谱点扩展函数；
利用所述宽光谱成像系统获取成像目标的宽谱散斑图像；
对所述宽谱点扩展函数和所述宽谱散斑图像进行互相关宽谱重构，获得所述成像目标的重构图像，
对所述宽谱点扩展函数和所述宽谱散斑图像进行互相关宽谱重构，获得所述成像目标的重构图像，包括：
获取宽谱点扩展函数PSFbroadband与宽谱散斑图像Sbroadband的互相关表达式：
Figure FDA0003287546560000011
其中，Sbroadband表示所述宽谱散斑图像，O表示成像目标，*表示卷积运算，
Figure FDA0003287546560000012
表示所有宽谱点扩展函数之和；
对所述宽谱点扩展函数PSFbroadband和所述宽谱散斑图像Sbroadband进行高斯滤波预处理，获得处理后的宽谱点扩展函数PSFbroadband和宽谱散斑图像
Figure FDA0003287546560000013
对处理后的宽谱点扩展函数PSFbroadband和宽谱散斑图像
Figure FDA0003287546560000014
进行互相关运算，得到所述成像目标的重构图像：
Figure FDA0003287546560000021
其中，xcorr2表示互相关运算，☆表示自相关运算符，Gausskernel表示高斯核。
2.根据权利要求1所述的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法，其特征在于，所述散射介质为毛玻璃。
3.根据权利要求1所述的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法，其特征在于，所述探测器包括sCMOS相机，所述sCMOS相机的像素为2048×2160。
4.根据权利要求1所述的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法，其特征在于，利用所述宽光谱成像系统获取宽谱点扩展函数，包括：
打开所述宽谱光源，在所述可变光阑与所述散射介质之间放置针孔；
利用所述探测器获取所述宽谱点扩展函数PSFbroadband。
5.根据权利要求4所述的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法，其特征在于，所述针孔的直径为100μm。
6.根据权利要求4所述的基于散射介质的宽光谱单帧散射成像方法，其特征在于，利用所述宽光谱成像系统获取成像目标的宽谱散斑图像，包括：
将所述针孔替换成所述成像目标，并保证所述针孔与所述成像目标位于同一位置；
利用所述探测器获取所述成像目标的宽谱散斑图像Sbroadband。
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