CN113395501B - 一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法 - Google Patents

一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113395501B
CN113395501B CN202110675220.4A CN202110675220A CN113395501B CN 113395501 B CN113395501 B CN 113395501B CN 202110675220 A CN202110675220 A CN 202110675220A CN 113395501 B CN113395501 B CN 113395501B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fourier
phase shift
complementary
illumination patterns
groups
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110675220.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113395501A (zh
Inventor
曹杰
郝群
周栋
张应强
崔焕�
张博睿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Publication of CN113395501A publication Critical patent/CN113395501A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113395501B publication Critical patent/CN113395501B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3102—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators
    • H04N9/312—Driving therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3179—Video signal processing therefor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Image Analysis (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开的一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法，涉及一种单像素成像方法，属于光电成像技术领域。本发明实现方法为：根据三角函数公式，并参考四步相移法，生成相移量为0、π/2的两组傅里叶照明图案，利用DMD器件的互补性质，在微镜偏转的对称方向自动地近似获得相移量为π、3π/2的另两组互补傅里叶照明图案，而免去生成步骤；利用单像素探测器的测量值进行计算得到目标物体的傅里叶频谱，进行傅里叶逆变换得到最终重构图像。本发明利用DMD器件“0”和“1”偏转状态的互补性，与四步法相比能减少一半的照明图案，但又能兼具四步法差分测量的优点，实现傅里叶单像素成像速度和成像质量的良好兼顾。

Description

一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法
技术领域
本发明涉及一种单像素成像方法，尤其涉及一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法，属于光电成像技术领域。
背景技术
传统的光学成像方法是利用强度、相位等光场的一阶关联信息进行的基于光场强度的分布测量，使用光电探测器阵列来获取图像，直接采集图像各个像素的强度值或者其他信息。而单像素成像技术作为一种新型的计算成像方法，利用空间光调制技术，能够实现只使用一个无空间分辨能力的单像素探测器获取物体的空间信息。与传统成像方法相比，单像素成像具有成本低、质量高、体积小等特点，在医疗成像、星载探测、遥感、光学加密传输、显微成像和散射成像等领域都有着广大的应用前景和重要的潜在价值。
单像素成像技术需要使用计算机编码生成的一系列照明图案对目标物体进行调制，获取调制后的光强信号从而计算目标物体的信息。照明图案数量越多，则对应的成像时间也会越长。照明图案可分为随机图案和编码图案。采用随机图案进行成像，则需要的照明图案数量十分庞大。而傅里叶算法是一种产生编码图案的典型方法，在一定程度上可以减少所需的照明模式的数量，但仍有改进的空间。
发明内容
为了解决现有单像素成像方法中所需照明图案数量庞大的问题，本发明的目的是提供一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法，能够进一步减少单像素成像中照明图案的数量，提升单像素成像的速度和成像质量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法，根据三角函数公式，并参考四步相移法，生成相移量为0、π/2的两组傅里叶照明图案，利用DMD器件的互补性质，在微镜偏转的对称方向自动地近似获得相移量为π、3π/2的另两组互补傅里叶照明图案，而免去生成步骤。利用单像素探测器的测量值进行计算得到目标物体的傅里叶频谱，进行傅里叶逆变换得到最终重构图像。本发明利用DMD器件“0”和“1”偏转状态的互补性，与四步法相比能减少一半的照明图案，但又能兼具四步法差分测量的优点，实现傅里叶单像素成像速度和成像质量的良好兼顾。
本发明公开的一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法，包括如下步骤：
步骤一、根据三角函数公式，并参考四步相移法，生成相移量为0、π/2的两组傅里叶照明图案。
所述生成相移量为0、π/2的两组傅里叶照明图案的生成公式如下：
Pφ(x,y；fx.fy)＝a+b*cos(2πfx*x+2πfy*y+φ) (1)
其中，a是照明图案的平均强度，b为对比度，x、y是目标物体所在平面的直角坐标，fx和fy分别是x、y方向的空间频率，φ为相移量。
生成相移量为0、π/2的两组傅里叶照明图案。相位差为π的两个照明图案彼此互补。DMD器件“0”和“1”的两种偏转状态，对应照明图案的互补性，在微镜偏转的对称方向自动地近似获得相移量为π、3π/2的另两组互补傅里叶照明图案。
步骤二、进行采样，利用单像素探测器的测量值进行计算得到目标物体的傅里叶频谱。
投影相移量为0、π/2的两组照明图案，在单像素探测器上获得对应的探测值。利用DMD的互补性，在对称的另一单像素探测器上得到互补照明图案的两组探测值，并根据探测值计算得到目标物体的傅里叶频谱，计算公式如式所示。
Figure BDA0003120703430000021
其中，C(fx,fy)为目标物体的傅里叶频谱。D1 0、D0 0分别为相移量为0的傅里叶照明图案对应的探测值及其互补探测值。D1 π/2、D0 π/2分别为相移量为π/2的傅里叶照明图案对应的探测值及其互补探测值。
步骤三、将步骤二得到的目标物体的傅里叶频谱进行傅里叶逆变换得到最终重构图像。
所述傅里叶逆变换公式如下：
f(x,y)＝F-1[C(fx,fy)] (3)
其中，f(x,y)代表目标物体重构图像。F-1表示傅里叶逆变换。
有益效果：
与传统的傅里叶单像素成像方法相比，本发明利用DMD器件自身微镜偏转的互补性质，能够通过一次投影，实现对傅里叶照明图案和其互补图案对应探测值的获取，将傅里叶四步相移法简化为两步。本发明在保持四步法差分测量优势的同时，有效减少四步法傅里叶单像素成像中照明图案的数量，能够兼顾傅里叶单像素成像的速度和成像质量。
附图说明
图1基于互补性质的傅里叶单像素成像方法流程图；
图2基于互补性质的傅里叶单像素成像系统原理结构图；
图3传统的两步、三步及四步移相傅里叶单像素成像方法与基于互补性质的傅里叶单像素成像方法仿真重建结果对比图。
其中：1-LED光源，2-目标，3-光学透镜，4-空间光调制器，5-光学透镜，6-单像素探测器1，7-单像素探测器2，8-采集卡，9-上位机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
实施实例1
本实施例公开的一种基于互补性质的单像素成像方法，方法流程图如图1所示，所应用系统结构如图2所示，具体实现步骤如下：
步骤一、初始化参数，根据三角函数公式生成傅里叶照明图案。
依照图2的系统原理结构，LED光源(1)发出照明光束投射至目标(2)表面，透射光经光学透镜(3)被空间光调制器(4)所调制。计算机根据对应的图像生成公式计算生成投影图案。
傅里叶照明图案生成公式如下：
Pφ(x,y；fx.fy)＝a+b*cos(2πfx*x+2πfy*y+φ) (1)
其中，a是照明图案的平均强度，b为对比度，x、y是目标物体所在平面的直角坐标，fx和fy分别是x、y方向的空间频率，φ为相移量。
在本实施实例中，设置a为0，b为1，生成相移量为0、π/2的两组傅里叶照明图案P0、Pπ/2。
P0(x,y；fx.fy)＝cos(2πfx*x+2πfy*y) (2)
Pπ/2(x,y；fx.fy)＝cos(2πfx*x+2πfy*y+π/2) (3)
相位差为π的两个照明图案彼此互补。DMD器件“0”和“1”的两种偏转状态，可以对应照明图案的互补性，在微镜偏转的对称方向自动地近似获得相移量为π、3π/2的另两组互补傅里叶照明图案。
步骤二、进行采样，利用单像素探测器的测量值进行计算得到目标物体的傅里叶频谱。
依照图2的系统原理结构，空间光调制器(4)投射出由计算机生成的傅里叶照明图案，经调制后的光束一路透过光学透镜(5)被单像素探测器1(6)所接收，测量投影相移量为0、π/2的两组照明图案所对应的探测值。
利用DMD的互补性，另一路光束沿着微镜偏转的对称方向，在单像素探测器2(7)上可以得到互补照明图案的两组探测值。
两路探测值由数据采集卡(8)采集，并根据探测值计算傅里叶频谱，计算公式如式所示。
Figure BDA0003120703430000031
其中，C(fx,fy)为目标物体的傅里叶频谱。D1 0、D0 0分别为相移量为0的傅里叶照明图案对应的探测值及其互补探测值。D1 π/2、D0 π/2分别为相移量为π/2的傅里叶照明图案对应的探测值及其互补探测值。
步骤三、进行傅里叶逆变换，在上位机(9)上得到最终重构图像。
f(x,y)＝F-1[C(fx,fy)] (5)
其中，f(x,y)代表目标物体重构图像。F-1表示傅里叶逆变换。
由图3对比传统的傅里叶单像素成像方法与本发明所提出的基于互补性质的傅里叶单像素成像方法仿真重建结果。本发明能够保持四步法差分测量优势。且本发明与四步法相比，在达到相同成像质量的条件下，所需的傅里叶投影图案数量仅为传统四步移相傅里叶单像素成像方法的一半，能够兼顾傅里叶单像素成像的速度和成像质量。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、根据三角函数公式，并参考四步相移法，生成相移量为0、π/2的两组傅里叶照明图案；
步骤二、进行采样，利用单像素探测器的测量值进行计算得到目标物体的傅里叶频谱；
步骤三、将步骤二得到的目标物体的傅里叶频谱进行傅里叶逆变换得到最终重构图像；
所述生成相移量为0、π/2的两组傅里叶照明图案的生成公式如下：
Pφ(x,y；fx.fy)＝a+b*cos(2πfx*x+2πfy*y+φ) (1)
其中，a是照明图案的平均强度，b为对比度，x、y是目标物体所在平面的直角坐标，fx和fy分别是x、y方向的空间频率，φ为相移量；
生成相移量为0、π/2的两组傅里叶照明图案；相位差为π的两个照明图案彼此互补；DMD器件“0”和“1”的两种偏转状态，对应照明图案的互补性，在微镜偏转的对称方向自动地近似获得相移量为π、3π/2的另两组互补傅里叶照明图案；
投影相移量为0、π/2的两组照明图案，在单像素探测器上获得对应的探测值；利用DMD的互补性，在对称的另一单像素探测器上得到互补照明图案的两组探测值，并根据探测值计算得到目标物体的傅里叶频谱，计算公式如式所示；
Figure FDA0003467158890000011
其中，C(fx,fy)为目标物体的傅里叶频谱；D1 0、D0 0分别为相移量为0的傅里叶照明图案对应的探测值及其互补探测值；D1 π/2、D0 π/2分别为相移量为π/2的傅里叶照明图案对应的探测值及其互补探测值。
2.如权利要求1所述的一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法，其特征在于：所述傅里叶逆变换公式如下：
f(x,y)＝F-1[C(fx,fy)] (3)
其中，f(x,y)代表目标物体重构图像；F-1表示傅里叶逆变换。
CN202110675220.4A 2021-06-15 2021-06-18 一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法 Active CN113395501B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110661205 2021-06-15
CN2021106612054 2021-06-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113395501A CN113395501A (zh) 2021-09-14
CN113395501B true CN113395501B (zh) 2022-03-08

Family

ID=77621881

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110675220.4A Active CN113395501B (zh) 2021-06-15 2021-06-18 一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113395501B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113945544B (zh) * 2021-10-13 2023-10-17 天津大学 面向空间频域测量的动态单像素成像及退化图像复原方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104154878A (zh) * 2014-07-29 2014-11-19 暨南大学 一种使用单像素探测器的光学成像方法
CN106911893A (zh) * 2017-02-23 2017-06-30 北京建筑大学 一种单像素计算成像方法
CN107241550A (zh) * 2017-06-26 2017-10-10 清华大学 基于时分复用的快速单像素频域成像方法
CN107306333A (zh) * 2016-12-07 2017-10-31 暨南大学 一种高速单像素成像方法
CN111213068A (zh) * 2017-09-01 2020-05-29 通快光子元件有限公司 利用低分辨率像素成像的飞行时间深度相机
US10802066B1 (en) * 2019-12-17 2020-10-13 Quantum Valley Ideas Laboratories Single-pixel imaging of electromagnetic fields
CN112153254A (zh) * 2020-08-31 2020-12-29 合肥工业大学 一种基于基图的两步相移单像素成像方法
CN112468791A (zh) * 2020-11-25 2021-03-09 北京理工大学 基于单像素探测的光强测量迭代成像方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9253420B2 (en) * 2014-02-12 2016-02-02 Xerox Corporation Hyperspectral single pixel imager with fabry perot filter

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104154878A (zh) * 2014-07-29 2014-11-19 暨南大学 一种使用单像素探测器的光学成像方法
CN107306333A (zh) * 2016-12-07 2017-10-31 暨南大学 一种高速单像素成像方法
CN106911893A (zh) * 2017-02-23 2017-06-30 北京建筑大学 一种单像素计算成像方法
CN107241550A (zh) * 2017-06-26 2017-10-10 清华大学 基于时分复用的快速单像素频域成像方法
CN111213068A (zh) * 2017-09-01 2020-05-29 通快光子元件有限公司 利用低分辨率像素成像的飞行时间深度相机
US10802066B1 (en) * 2019-12-17 2020-10-13 Quantum Valley Ideas Laboratories Single-pixel imaging of electromagnetic fields
CN112153254A (zh) * 2020-08-31 2020-12-29 合肥工业大学 一种基于基图的两步相移单像素成像方法
CN112468791A (zh) * 2020-11-25 2021-03-09 北京理工大学 基于单像素探测的光强测量迭代成像方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Fourier Single-Pixel Imaging Based on Lateral Inhibition for Low-Contrast Scenes;K. Zhang et al.;《IEEE Photonics Journal》;20191122;全文 *
傅里叶单像素成像技术与应用;张子邦,陆天傲,彭军政,钟金钢;《红外与激光工程》;20190625;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113395501A (zh) 2021-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11680790B2 (en) Multiple channel locating
CN109343077B (zh) 一种液晶相控阵鬼成像系统及其成像方法
CN101694375B (zh) 一种用于强反射表面三维形貌测量的立体视觉检测方法
CN103292740B (zh) 一种三维扫描仪测量方法及其装置
US20200120299A1 (en) Method and system for time-of-flight imaging with high lateral resolution
US11300402B2 (en) Deriving topology information of a scene
Nie et al. Noise-robust computational ghost imaging with pink noise speckle patterns
CN113114882B (zh) 一种高采样效率的傅里叶单像素成像方法
CN111649691A (zh) 基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及方法
CN108955571A (zh) 双频外差与相移编码相结合的三维测量方法
CN113395501B (zh) 一种基于互补性质的傅里叶单像素成像方法
CN114095718B (zh) 单像素成像系统及方法
CN109579738A (zh) 一种二值条纹离焦投影系统低通滤波特性测量方法
CN111856478B (zh) 一种免成像的运动物体探测与三维追踪装置及方法
JP2019046268A (ja) 画像処理装置、及びプログラム
Yang et al. Single-pixel edge imaging with gradient Radon spectrum
CN112153254B (zh) 一种基于基图的两步相移单像素成像方法
CN110986828B (zh) 一种新型真实场景三维彩色数据的采集显示方法
Shiyang et al. A novel fast 3D measurement method based on phase-coded fringe projection
CN113607086B (zh) 一种透过散射介质的快速三维成像方法
CN110533706A (zh) 一种基于计算鬼成像的三维目标重构方法
Zheng et al. Fast Image-free high precision target tracking using single pixel detection
CN116416294A (zh) 一种反射率不一致物体的精确三维重建方法
CN116366993A (zh) 一种获取单次曝光四维压缩成像的方法和成像系统
CN116482869A (zh) 一种适用于目标横向运动的散斑补偿鬼成像方法及系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant