CN112165570A - 一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，包括：对计算鬼成像系统进行标定；利用相干理论和菲涅尔衍射公式估计CGI系统的深菲涅尔区长度，确定多深度目标对焦方法的搜索区间，计算散斑的纵向相干长度，确定算法的搜索步长；根据散斑平移鬼成像原理和压缩感知算法得到目标各表面在每一个深度位置的梯度域图像；根据评价函数曲线的极值点，确定不同深度目标的对焦位置。本发明将多深度目标对焦与计算鬼成像技术相结合，有助于计算鬼成像在实际应用中的推广，特别是在工业零件和生物样本的检测中。

Description

一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体为一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法。

背景技术

鬼成像，是一种利用光场的高阶关联特性，即强度涨落获取物体信息的成像方式。计算鬼成像(Computational Ghost Imaging，简称CGI)是对传统鬼成像系统的改进。采用单光路技术，将一束经过准直的单模光束照射到空间光调制器或数字微镜阵列上，经过空间光调制器反射的光束沿光路传播一段距离，与目标发生作用后被一个无空间分辨能力的桶探测器接收；将CGI系统中目标所在轴向深度的光场信号与桶探测器信号进行关联运算，可以清晰地重构出目标图像。鬼成像由于其独特的成像方式，具有抗扰动，低成本等优点，潜在的应用价值巨大。目前该技术已被应用于激光雷达，三维恢复等领域。

计算鬼成像中深度目标的对焦是近年来的研究热点，因为，CGI系统计算的虚拟衍射光场(Virtual Diffracted Patterns，简称VDP)必须与目标实际所在的轴向深度位置相匹配才能重建出清晰图像，否则会出现离焦模糊。科研人员提出了合适的图像质量评价函数，结合快速搜索算法，将评价函数极大值所在位置作为单目标实际对焦深度。Shifeng提出基于自适应对焦窗口的CGI目标深度估计算法，使评价函数的极大值两侧有较长的单调区间，同时提高了单目标深度对焦的效率。但在实际应用中，目标多为具有不同深度的三维物体，Xue-Feng Liu提出基于热光源鬼成像的光学层析成像系统，使用虚拟目标验证了赝热光源鬼成像不同深度目标同时成像的可行性。与单目标不同之处在于，不同深度目标在重建图像中的对焦/离焦程度不同影响了空域图像质量，评价函数会出现多个非目标实际深度的极大值，无法准确实现多深度目标的对焦成像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，包括：

对计算鬼成像系统进行标定；

利用相干理论和菲涅尔衍射公式估计CGI系统的深菲涅尔区长度，确定多深度目标对焦方法的搜索区间，计算散斑的纵向相干长度，确定算法的搜索步长；

根据散斑平移鬼成像原理和压缩感知算法得到目标各表面在每一个深度位置的梯度域图像；

根据评价函数曲线的极值点，确定不同深度目标的对焦位置。

优选地，具体步骤如下：

步骤1，对计算鬼成像系统进行标定；

步骤2，测量散斑的实际物理尺寸，计算CGI系统的深菲涅尔区长度，确定多深度目标对焦方法的搜索区间；

步骤3，计算CGI系统的散斑在深菲涅尔区的纵向相干长度，确定搜索算法的搜索步长；

步骤4，根据散斑平移原理，通过计算散斑2邻域x方向和y方向的一阶偏导数有限差分确定图像梯度域信号；

步骤5，将目标处的光场灰度值与桶探测器的测量电压值按照映射关系进行标定；

步骤6，使用标定后的光场电压值的累加值减去梯度域信号，得到处理后的信号；

步骤7，利用TVAL3压缩感知算法按照搜索步长重构各深度的梯度域图像；

步骤8，计算各深度梯度域图像的评价函数值，得到评价函数曲线；

步骤9，根据评价函数曲线中的极值点，确定不同深度目标的对焦位置；

步骤10，在各对焦位置，使用TVAL3压缩感知算法重构各个目标的空域对焦图像。

优选地，对计算鬼成像系统进行标定的具体方法为：

空间光调制器上播放M个已知分辨率的随机相位模板，其中每一帧模板被划分成了m×m个区域，每个区域定义为一个像素块，所述随机相位模板空间频率固定；

空间光调制器对入射光进行调制，出射的光束经过4f系统频谱选级后，以空间光调制器的像面作为散斑传播的起始面；

将散斑传播设定距离后与单个目标发生作用，桶探测器接收作用后的总强度值；

对图像进行重构；

使用单目标深度估计算法，若评价函数极大值位于目标实际所在深度，说明标定成功。

优选地，深菲涅尔区长度的确定公式为：：

式中，D表示散斑传播起始面的整体宽度，δ₀表示散斑的平均大小，λ表示计算鬼成像系统使用激光的波长。

优选地，纵向相干长度的计算公式为：

式中，δ_x表示散斑的横向相干距离，λ表示计算鬼成像系统使用激光的波长，搜索步长Δz≤δ_z。

优选地，根据散斑平移的原理，通过计算散斑2邻域的x方向和y方向的一阶偏导数有限差分来确定图像梯度幅值的具体方法为：

将空间光调制器上的随机相位模板的像素块向右，向下各平移一个像素块；

使用平移后的散斑和未平移的散斑分别对目标进行采样，得到目标的在不同方向的梯度域信号。

优选地，目标在x方向的梯度域信号为：

目标在y方向的梯度域信号为：

其中，

表示向x方向平移后的散斑投影得到的桶探测信号，

表示向y方向平移后的散斑投影得到的桶探测器信号，

表示未平移的散斑投影得到的桶探测器信号，n表示随机相位模版的每一个像素块所占空间光调制器像素数，T(x,y)表示目标的透射系数。

优选地，使用标定后的光场电压值的累加值减去目标在梯度域的信号，得到预处理后的桶探测器信号为：

其中，

分别表示光场被不同深度目标边缘阻挡的散斑光强的累加。

优选地，各深度梯度域图像的评价函数为以下任意一种：

(1)归一化方差：

(2)标准差相关系数：

其中，H,W表示图像的行与列的像素数，I(x,y)表示图像中(x,y)位置像素的强度值，其中

表示图像全部像素的平均值。

。

本发明与现有的技术相比，其显著优点为：(1)本发明将目标深度的对焦方法扩展到了多深度，推动了鬼成像技术的实用化进程；(2)本发明在成像过程中，避免了空域图像噪声较多带来的干扰；(3)本发明利用压缩感知技术，降低了噪声和采样次数，增强了搜索算法的时效性；(4)本发明将多深度目标对焦与计算鬼成像技术相结合，有助于计算鬼成像在实际应用中的推广，特别是在工业零件和生物样本的检测中。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为计算鬼成像多深度目标成像系统光路图。

图2为本发明的流程示意图。

图3为不同采样次数时搜索算法的评价函数曲线图。

图4为不同深度目标在对焦位置的清晰图像。

具体实施方式

如图1、2所示，一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，结合计算鬼成像和自动对焦技术，首先对CGI系统(计算鬼成像系统)进行标定，具体为：在空间光调制器上投影一个系列已知空间分辨率的随机相位模板，再附加一个具有一定空间频率的相位光栅，计算投影光束在传播方向各深度的散斑尺寸，保证计算的散斑尺寸与实际散斑的物理尺寸相等。然后根据散斑的尺寸确定深度对焦算法的搜索步长和搜索区间的长度。在散斑传播的起始面将光斑向右和向下分别平移一个散斑大小的距离，分别利用未平移的散斑，向右，和向下的散斑投影到目标表面，作用后的信号由桶探测器分别接收。根据散斑平移鬼成像原理和压缩感知算法，按照搜索步长得到目标在每一个深度位置的梯度域图像。最后选择合适的图像质量评价函数，根据评价函数曲线的极值点，同时确定多个目标的深度位置。

步骤1，对计算鬼成像系统进行标定，将光源、空间光调制器(Spatial lightmodulator，简称SLM)、4f系统(透镜L₁和透镜L₂)，桶探测器按照图1放置在相应位置，标定过程如下：SLM上播放M个已知分辨率的随机相位模板，其中每一帧模板被划分成了m×m个区域，每个区域定义为一个像素块，由SLM上的n×n个像素表示。整个模板被附上一个固定的空间频率，对入射光进行调制，由空间光调制器出射的光束经过4f系统频谱选级后，以SLM的像面(L2的后焦面)作为散斑传播的起始面。将散斑传播一段距离后与单个目标发生作用，桶探测器接收其总强度值。目标处光场强度由公式(1)计算：

x，y为平面坐标，z表示目标所在深度与散斑传播起始面的纵向距离，E_z(x，y)表示目标处的光场振幅，

α＝λf_x，β＝λf_y，其中λ表示CGI系统使用激光的波长，f_x和f_y分别表示目标处光场x，y方向的空间频率。

然后根据公式(2)重构图像G(x，y)：

G(x，y)＝<B_i·I_i(x，y)>-<B_i><I_i(x，y)〉，i＝1，…P (2)

B_i表示第i次采样时桶探测器的信号值，I_i(x，y)表示鬼成像第i次投影时的目标位置的散斑光场强度，＜＞表示系综平均。使用单目标深度估计算法，若评价函数极大值位于目标实际所在深度，说明标定成功。

步骤2，测量散斑的实际物理尺寸，计算CGI系统的深菲涅尔区长度，确定多深度目标对焦方法的搜索区间。深菲涅尔区长度z_c由式(3)粗略估计，在z_c内选定搜索区间：

D表示散斑传播起始面的整体宽度，δ₀表示散斑的平均大小，λ表示计算鬼成像系统使用激光的波长。

步骤3，计算计算鬼成像系统的散斑在深菲涅尔区的纵向相干长度，确定搜索算法的搜索步长。纵向相干长度δ_z由式(4)得：

δ_x表示散斑的横向相干距离，其中在深菲涅尔区，δ_x＝δ₀，设置搜索算法的搜索步长Δz≤δ_z，保证搜索算法的误差小于一个纵向相干长度。

步骤4，根据散斑平移的原理，通过计算散斑2邻域的x方向和y方向的一阶偏导数有限差分来确定图像梯度幅值，因此需要将散斑分别向x方向和y方向移动一个散斑长度。由于散斑传播起始面的图像与空间光调制器中的随机相位模板具有线性关系，所以将空间光调制器上的随机相位模板的像素块向右，向下各平移一个像素块，即可使散斑平移。然后使用平移后的散斑和未平移的散斑分别对目标进行采样，得到目标的在不同方向的梯度域信号。

目标在x方向的梯度域信号如式(5)：

目标在y方向的梯度域信号如式(6)：

其中

表示向x方向平移后的散斑投影得到的桶探测信号，

表示向y方向平移后的散斑投影得到的桶探测器信号，

表示未平移的散斑投影得到的桶探测器信号。n表示随机相位模版的每一个像素块所占空间光调制器像素数，T(x，y)表示目标的透射系数。

步骤5，将目标光场强度的灰度值与桶探测器的测量电压值按照映射关系进行标定。

步骤6，对步骤4得到的梯度域信号

进行预处理，使用标定后的光场电压值的累加值减去目标在梯度域的信号

得到预处理后的桶探测器信号

如式(7)：

其中

分别表示光场被不同深度目标边缘阻挡的散斑光强的累加。

步骤7，利用TVAL3压缩感知算法按搜索步长重构各深度的梯度域图像。TVAL3的公式如式(8)：

其中，

是图像的梯度域信号，

表示对图像每个像素横向和纵向进行离散梯度计算。在计算鬼成像中，A是投影的散斑，b是经过预处理得到的桶探测器值

||·||算子表示1范数或2范数，默认选择2范数，减少重构图像的锯齿边界。上式对应的增广拉格朗日函数如式(9)：

TVAL3算法即求解最小化增广拉格朗日函数

最终得到目标的梯度域图像如式(10)：

步骤8，如图3所示，选择合适的评价函数，计算各深度梯度域图像的评价函数数值，得到评价函数曲线，研究表明，基于图像统计信息的质量评价函数效果最好，本发明中使用两种评价函数中的任意一种：

(1)归一化方差：

(2)标准差相关系数：

其中，H，W表示图像的行与列的像素数，I(x，y)表示图像中(x，y)位置像素的强度值。其中

表示图像全部像素的平均值。

步骤9，根据评价函数曲线中的极值点，确定不同深度目标的对焦位置。

步骤10，在曲线所示的各对焦位置，使用TVAL3压缩感知算法重构目标的空域对焦图像，如图4所示。

本发明以不同深度位置的数字目标为例说明。将目标3，目标5，目标4分别放置在计算鬼成像系统的10cm,12cm,17cm处，不同的数字分别代表不同类型的边缘，使用本发明的计算鬼成像多深度目标对焦方法，得到评价函数曲线和对焦图像如图3，图4所示。

Claims (9)

1.一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，其特征在于，包括：

对计算鬼成像系统进行标定；

利用相干理论和菲涅尔衍射公式估计CGI系统的深菲涅尔区长度，确定多深度目标对焦方法的搜索区间，计算散斑的纵向相干长度，确定算法的搜索步长；

根据散斑平移鬼成像原理和压缩感知算法得到目标各表面在每一个深度位置的梯度域图像；

根据评价函数曲线的极值点，确定不同深度目标的对焦位置。

2.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，对计算鬼成像系统进行标定；

步骤2，测量散斑的实际物理尺寸，计算CGI系统的深菲涅尔区长度，确定多深度目标对焦方法的搜索区间；

步骤3，计算CGI系统的散斑在深菲涅尔区的纵向相干长度，确定搜索算法的搜索步长；

步骤4，根据散斑平移原理，通过计算散斑2邻域x方向和y方向的一阶偏导数有限差分确定图像梯度域信号；

步骤5，将目标处的光场灰度值与桶探测器的测量电压值按照映射关系进行标定；

步骤6，使用标定后的光场电压值的累加值减去梯度域信号，得到处理后的信号；

步骤7，利用TVAL3压缩感知算法按照搜索步长重构各深度的梯度域图像；

步骤8，计算各深度梯度域图像的评价函数值，得到评价函数曲线；

步骤9，根据评价函数曲线中的极值点，确定不同深度目标的对焦位置；

步骤10，在各对焦位置，使用TVAL3压缩感知算法重构各个目标的空域对焦图像。

3.根据权利要求1或2所述的基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，其特征在于，对计算鬼成像系统进行标定的具体方法为：

空间光调制器上播放M个已知分辨率的随机相位模板，其中每一帧模板被划分成了m×m个区域，每个区域定义为一个像素块，所述随机相位模板空间频率固定；

空间光调制器对入射光进行调制，出射的光束经过4f系统频谱选级后，以空间光调制器的像面作为散斑传播的起始面；

将散斑传播设定距离后与单个目标发生作用，桶探测器接收作用后的总强度值；

对图像进行重构；

使用单目标深度估计算法，若评价函数极大值位于目标实际所在深度，说明标定成功。

4.根据权利要求1或2所述的基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，其特征在于，深菲涅尔区长度的确定公式为：：

式中，D表示散斑传播起始面的整体宽度，δ₀表示散斑的平均大小，λ表示计算鬼成像系统使用激光的波长。

5.根据权利要求1或2所述的基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，其特征在于，纵向相干长度的计算公式为：

式中，δ_x表示散斑的横向相干距离，λ表示计算鬼成像系统使用激光的波长，搜索步长Δz≤δ_z。

6.根据权利要求2所述的基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，其特征在于，根据散斑平移的原理，通过计算散斑2邻域的x方向和y方向的一阶偏导数有限差分来确定图像梯度幅值的具体方法为：

将空间光调制器上的随机相位模板的像素块向右，向下各平移一个像素块；

使用平移后的散斑和未平移的散斑分别对目标进行采样，得到目标的在不同方向的梯度域信号。

7.根据权利要求6所述的基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，其特征在于，目标在x方向的梯度域信号为：

目标在y方向的梯度域信号为：

其中，

表示向x方向平移后的散斑投影得到的桶探测信号，

表示向y方向平移后的散斑投影得到的桶探测器信号，

表示未平移的散斑投影得到的桶探测器信号，n表示随机相位模版的每一个像素块所占空间光调制器像素数，T(x,y)表示目标的透射系数。

8.根据权利要求2所述的基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，其特征在于，使用标定后的光场电压值的累加值减去目标在梯度域的信号，得到预处理后的桶探测器信号为：

其中，

分别表示光场被不同深度目标边缘阻挡的散斑光强的累加。

9.根据权利要求2所述的基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，其特征在于，各深度梯度域图像的评价函数为以下任意一种：

(1)归一化方差：

(2)标准差相关系数：

其中，H,W表示图像的行与列的像素数，I(x,y)表示图像中(x,y)位置像素的强度值，其中

表示图像全部像素的平均值。

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