CN112801917B - 基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测及图像模糊复原装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测及图像模糊复原装置和方法，其中，旋转物体转速监测装置包括：旋转物体光学成像模块和物体转速测量模块，模糊图像复原装置，包括旋转物体转速监测装置、拉盖尔高斯谱计算模块、拉盖尔高斯谱修正模块和模糊图像复原模块。本发明可以实现高速旋转物体的转速监控，并实现旋转模糊图像的复原处理，进而实现对高速旋转物体的清晰成像。

Description

基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测及图像模糊复原装 置和方法

技术领域

本发明涉及图像处理，尤其涉及一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测及图像模糊复原装置和方法。

背景技术

光学成像是人们日常生活以及工业生产检测中的常见技术手段，可用于获取待观察物体的几何结构信息，而其中对于运动物体的监测成像，是一项重要又存在一定困难的任务。在光学相机拍摄曝光的时间内，物体发生了一定的移动，导致最终获得的图像是模糊的，造成信息的缺失，因此光学图像处理中的去运动模糊技术尤为重要。

对于一维直线运动，通过对运动模型进行分析，在傅里叶频谱域内进行逆滤波，可以实现模糊的去卷积，获得恢复的清晰图像。然而针对旋转运动物体的去旋转模糊问题，由于旋转模糊在空间上是变化的(图像不同半径处的模糊情况不同)，无法直接在傅里叶频域进行逆滤波的处理，需要采取模糊路径提取或是极坐标变换等额外操作。这些操作，一方面使得去旋转模糊技术不够直接方便，另一方面需要插值过程，会引入数值误差，降低还原图像的质量。

此外，未知物体运动情况时的去运动模糊称为盲去模糊，这一技术需要大量的迭代运算估计物体的运动以获取模糊模型，会耗费大量计算资源，而图像复原结果也依赖于对运动情况的估计。因此，在拍摄旋转运动物体时，同时监控物体的转速情况也是待开发的一项关键技术。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测装置和方法。

技术方案：本发明所述的基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测装置包括：

旋转物体光学成像模块，用于采用光学4F成像系统对旋转物体进行光学成像，得到旋转模糊图像；

物体转速测量模块，用于产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射旋转物体后滤出基模得到干涉信号，并根据干涉信号得到旋转物体的转速。

进一步的，所述旋转物体光学成像模块具体包括：

光学4F成像系统，用于对旋转物体进行光学成像；

面阵探测器，置于旋转物体的成像面上，进行图像拍摄，得到旋转模糊图像：

式中，E_b(r,θ)为拍摄到的旋转模糊图像，E₀(r,θ)为旋转物体静止时的图像，0为极坐标系下的方位角，φ为面阵探测器曝光时间内物体的相对转动角度。

进一步的，所述物体转速测量模块具体包括：

轨道角动量叠加光场产生单元，用于产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射高速旋转物体；

转速获取单元，用于将轨道角动量光束入射高速旋转物体后滤出基模产生干涉信号，再进行傅里叶变换，得到旋转物体的转速：

式中，Ω为旋转物体的转速，Δf为干涉信号傅里叶变换的频移量，l₁,l₂为入射旋转物体的轨道角动量。

本发明所述的基于拉盖尔高斯模式的旋转物体模糊图像复原装置包括：

上述旋转物体转速监测装置；

拉盖尔高斯谱计算模块，用于计算旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱；

拉盖尔高斯谱修正模块，用于根据旋转速度与曝光时间的关系，获取旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化，实现旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱修正；

模糊图像复原模块，用于根据系数修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱对图像进行图像重构，获取去除旋转模糊的清晰图像。

进一步的，所述拉盖尔高斯谱计算模块计算得到的拉盖尔高斯谱为：

式中，A_p，l表示旋转模糊图像在角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯谱系数，LG_p,l(r,θ)表示角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯模式，E_b(r,θ)表示旋转模糊图像，r为极坐标系下的半径，θ为极坐标系下的方位角，是LG_p,l(r,θ)的共轭转置，ω₀为拉盖尔高斯模式的束腰，/>为角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔多项式。

进一步的，所述拉盖尔高斯谱修正模块获取的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化为：

M_l＝sinc(πlΩT)

式中，M_l为拉盖尔高斯谱的系数变化，Ω为旋转物体的转速，l为角向指数，T为面阵探测器曝光时间。

进一步的，所述拉盖尔高斯谱修正模块修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱系数为：

式中，为修正后的拉盖尔高斯谱系数，A_p，l为旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱系数，M_l为拉盖尔高斯谱的系数变化。

进一步的，所述旋转模糊图像复原模块实现图像重构的方法具体为：

按照下式计算，得到清晰图像：

式中，E_c(r,θ)为重构的清晰图像，为修正后的拉盖尔高斯谱系数，LG_p,l(r,θ)表示角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯模式。

本发明所述的基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测方法包括：

采用光学4F成像系统对旋转物体进行光学成像，得到旋转模糊图像；

产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射旋转物体后滤出基模得到干涉信号，并根据干涉信号得到旋转物体的转速。

本发明所述的基于拉盖尔高斯模式的旋转物体模糊图像复原方法包括：

上述旋转物体转速监测方法；

计算旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱；

根据旋转速度与曝光时间的关系，获取旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化，实现旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱修正；

根据修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱对图像进行图像重构，获取去除旋转模糊的清晰图像。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明通过对旋转物体转速进行监测，得到了旋转物体转速，获得旋转模糊图像的LG谱修正函数，对旋转模糊图像的LG谱进行系数修正，再对修正后的LG谱进行相干叠加，实现了旋转模糊图像的清晰化复原。

附图说明

图1是本发明提供的基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测装置的结构框图；

图2是本发明提供的基于拉盖尔高斯模式的旋转物体模糊图像复原装置的结构框图；

图3为本发明的物体转速测量结果示意图，其中(a)为轨道角动量模式经旋转物体调制后的干涉信号，(b)为干涉信号的傅里叶变换结果；

图4本发明的旋转模糊图像复原结果示意图，其中(a)为面阵探测器拍摄到的旋转模糊图像，(b)和(c)分别为旋转模糊图像的OAM谱及系数修正后的OAM谱(图示为-20～20阶部分)，(d)为复原得到的清晰图像。

具体实施方式

本实施例提供了一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测装置，如图1所示，包括旋转物体光学成像模块和物体转速测量模块，下面对各模块详细介绍。

旋转物体光学成像模块用于采用光学4F成像系统对旋转物体进行光学成像，得到旋转模糊图像；具体包括光学4F成像系统，用于对旋转物体进行光学成像；和面阵探测器，置于旋转物体的成像面上，进行图像拍摄，在探测器曝光的时间内，物体旋转了一定角度，得到旋转模糊图像：式中，E_b(r,θ)为拍摄到的旋转模糊图像，E₀(r,θ)为旋转物体静止时的图像，θ为极坐标系下的方位角，φ为面阵探测器曝光时间内物体的相对转动角度。

物体转速测量模块用于产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射旋转物体后滤出基模得到干涉信号，并根据干涉信号得到旋转物体的转速。具体包括：轨道角动量叠加光场产生单元，用于产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射高速旋转物体；转速获取单元，用于将轨道角动量光束入射高速旋转物体后滤出基模产生干涉信号，再进行傅里叶变换，得到旋转物体的转速：式中，Ω为旋转物体的转速，Δf为干涉信号傅里叶变换的频移量，l₁,l₂为入射旋转物体的轨道角动量。

本实施例还提供了一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体模糊图像复原装置，如图2所示，包括上述旋转物体转速监测装置、拉盖尔高斯谱计算模块、拉盖尔高斯谱修正模块、模糊图像复原模块，下面对各模块详细介绍。

拉盖尔高斯谱计算模块用于计算旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱：

式中，A_p,l表示旋转模糊图像在角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯谱系数，LG_p,l(r，θ)表示角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯模式，E_b(r，θ)表示旋转模糊图像，r为极坐标系下的半径，θ为极坐标系下的方位角，是LG_p,l(r，θ)的共轭转置，ω₀为拉盖尔高斯模式的束腰，/>为角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔多项式。

拉盖尔高斯谱修正模块用于根据旋转速度与曝光时间的关系，获取旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化，实现旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱修正；其中，获取的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化为：

M_l＝sinc(πlΩT)

式中，M_l为拉盖尔高斯谱的系数变化，Ω为旋转物体的转速，l为角向指数，T为面阵探测器曝光时间。

修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱系数为：

式中，为修正后的拉盖尔高斯谱系数，A_p,l为旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱系数，M_l为拉盖尔高斯谱的系数变化。

模糊图像复原模块用于根据系数修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱对图像进行图像重构，获取去除旋转模糊的清晰图像。具体按照下式计算，得到清晰图像：

式中，E_c(r,θ)为重构的清晰图像，为修正后的拉盖尔高斯谱系数，LG_p,l(r,θ)表示角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯模式。

本实施例还提供了一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测方法，包括：

(1)采用光学4F成像系统对旋转物体进行光学成像，得到旋转模糊图像；其中，具体采用面阵探测器置于旋转物体的成像面上，进行图像拍摄，在探测器曝光的时间内，物体旋转了一定角度，得到旋转模糊图像：式中，E_b(r,θ)为拍摄到的旋转模糊图像，E₀(r,θ)为旋转物体静止时的图像，θ为极坐标系下的方位角，φ为面阵探测器曝光时间内物体的相对转动角度。

(2)产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射旋转物体后滤出基模得到干涉信号，并根据干涉信号得到旋转物体的转速。具体包括：产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射高速旋转物体；将轨道角动量光束入射高速旋转物体后滤出基模产生干涉信号，再进行傅里叶变换，得到旋转物体的转速：式中，Ω为旋转物体的转速，Δf为干涉信号傅里叶变换的频移量，l₁,l₂为入射旋转物体的轨道角动量。

本实施例还提供了一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体模糊图像复原方法，包括：

(1)上述旋转物体转速监测方法；

(2)计算旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱：

式中，A_p,l表示旋转模糊图像在角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯谱系数，LG_p,l(r,θ)表示角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯模式，E_b(r,θ)表示旋转模糊图像，r为极坐标系下的半径，θ为极坐标系下的方位角，是LG_p,l(r,θ)的共轭转置，ω₀为拉盖尔高斯模式的束腰，/>为角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔多项式。

(3)根据旋转速度与曝光时间的关系，获取旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化，实现旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱修正；

其中，获取的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化为：

M_l＝sinc(πlΩT)

式中，M_l为拉盖尔高斯谱的系数变化，Ω为旋转物体的转速，l为角向指数，T为面阵探测器曝光时间。

修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱系数为：

式中，为修正后的拉盖尔高斯谱系数，A_p,l为旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱系数，M_l为拉盖尔高斯谱的系数变化。

(4)根据系数修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱对图像进行图像重构，获取去除旋转模糊的清晰图像。

具体按照下式计算，得到清晰图像：

式中，E_c(r，θ)为重构的清晰图像，为修正后的拉盖尔高斯谱系数，LG_p,l(r,θ)表示角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯模式。

下面，对本实施例进行仿真验证。待拍摄物体的转速为25赫兹，即每秒旋转25圈。对于图3(a)，选择拓扑荷数为0和40的OAM叠加光场作为测量模式，入射旋转物体后滤出基模得到干涉信号。对干涉信号进行傅里叶变换，如图3(b)所示，对应的旋转多普勒频移量为1000赫兹，由于入射OAM模式的拓扑荷数差为40，可推出物体转速为25赫兹。对于图4(a)所示的旋转模糊图像，选择束腰ω₀＝400μm的LG模式作为分解图像的基底，l的范围为-200到200，p的范围为0到150，分解得到LG谱。其对应的角向分量OAM谱如图4(b)所示，再根据模糊角度设置修正函数对OAM谱系数进行修正，修正后的OAM谱如图4(c)所示(考虑到图像的OAM谱能量主要集中在低阶部分，图中显示OAM谱阶数为-20～20部分)。最后再对修正后的LG谱进行相干叠加，得到旋转模糊复原后的清晰图像。可以看出，本实施例都达到了很好的转速测量精度和旋转模糊复原效果。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测装置，其特征在于包括：

旋转物体光学成像模块，用于采用光学4F成像系统对旋转物体进行光学成像，得到旋转模糊图像；

物体转速测量模块，用于产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射旋转物体后滤出基模得到干涉信号，并根据干涉信号得到旋转物体的转速；

所述物体转速测量模块具体包括：

轨道角动量叠加光场产生单元，用于产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射高速旋转物体；

转速获取单元，用于将轨道角动量光束入射高速旋转物体后滤出基模产生干涉信号，再进行傅里叶变换，得到旋转物体的转速：

式中，Ω为旋转物体的转速，Δf为干涉信号傅里叶变换的频移量，l₁,l₂为入射旋转物体的轨道角动量。

2.根据权利要求1所述的基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测装置，其特征在于：所述旋转物体光学成像模块具体包括：

光学4F成像系统，用于对旋转物体进行光学成像；

面阵探测器，置于旋转物体的成像面上，进行图像拍摄，得到旋转模糊图像：

式中，E_b(r,θ)为拍摄到的旋转模糊图像，E₀(r,θ)为旋转物体静止时的图像，θ为极坐标系下的方位角，φ为面阵探测器曝光时间内物体的相对转动角度。

3.一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体模糊图像复原装置，其特征在于包括：

权利要求1-2中任意一项所述的旋转物体转速监测装置；

拉盖尔高斯谱计算模块，用于计算旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱；

拉盖尔高斯谱修正模块，用于根据旋转速度与曝光时间的关系，获取旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化，实现旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱修正；其中，旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化为：

M_l＝sinc(πlΩT)

式中，M_l为拉盖尔高斯谱的系数变化，Ω为旋转物体的转速，l为角向指数，T为面阵探测器曝光时间；

修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱系数为：

式中，为修正后的拉盖尔高斯谱系数，A_p,l为旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱系数，M_l为拉盖尔高斯谱的系数变化；

模糊图像复原模块，用于根据系数修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱对图像进行图像重构，获取去除旋转模糊的清晰图像。

4.根据权利要求3所述的基于拉盖尔高斯模式的旋转物体模糊图像复原装置，其特征在于：所述拉盖尔高斯谱计算模块计算得到的拉盖尔高斯谱为：

式中，A_p,l表示旋转模糊图像在角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯谱系数，LG_p,l(r,θ)表示角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯模式，E_b(r,θ)表示旋转模糊图像，r为极坐标系下的半径，θ为极坐标系下的方位角，是LG_p,l(r,θ)的共轭转置，ω₀为拉盖尔高斯模式的束腰，/>为角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔多项式。

5.根据权利要求3所述的基于拉盖尔高斯模式的旋转物体模糊图像复原装置，其特征在于：所述旋转模糊图像复原模块实现图像重构的方法具体为：

按照下式计算，得到清晰图像：

式中，E_c(r,θ)为重构的清晰图像，为修正后的拉盖尔高斯谱系数，LG_p,l(r,θ)表示角向指数为l、径向指数为p时的拉盖尔高斯模式。

6.一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体转速监测方法，其特征在于包括：

采用光学4F成像系统对旋转物体进行光学成像，得到旋转模糊图像；

产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射旋转物体后滤出基模得到干涉信号，并根据干涉信号得到旋转物体的转速，具体包括：产生携带拓扑荷数不同的轨道角动量叠加光场，入射高速旋转物体；将轨道角动量光束入射高速旋转物体后滤出基模产生干涉信号，再进行傅里叶变换，得到旋转物体的转速：式中，Ω为旋转物体的转速，Δf为干涉信号傅里叶变换的频移量，l₁,l₂为入射旋转物体的轨道角动量。

7.一种基于拉盖尔高斯模式的旋转物体模糊图像复原方法，其特征在于包括：

权利要求6中所述的旋转物体转速监测方法；

计算旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱；

根据旋转速度与曝光时间的关系，获取旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化，实现旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱修正；其中，旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱的系数变化为：

M_l＝sinc(πlΩT)

式中，M_l为拉盖尔高斯谱的系数变化，Ω为旋转物体的转速，l为角向指数，T为面阵探测器曝光时间；

修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱系数为：

式中，为修正后的拉盖尔高斯谱系数，A_p,l为旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱系数，M_l为拉盖尔高斯谱的系数变化；

根据系数修正后的旋转模糊图像的拉盖尔高斯谱对图像进行图像重构，获取去除旋转模糊的清晰图像。