CN114994704B - 基于圆周扫描路径的非视域成像方法、系统及存储介质 - Google Patents

基于圆周扫描路径的非视域成像方法、系统及存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN114994704B
CN114994704B CN202210930204.XA CN202210930204A CN114994704B CN 114994704 B CN114994704 B CN 114994704B CN 202210930204 A CN202210930204 A CN 202210930204A CN 114994704 B CN114994704 B CN 114994704B
Authority
CN
China
Prior art keywords
scanning
point
transient
points
curve
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
CN202210930204.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114994704A (zh
Inventor
苏秀琴
田钰圆
郝伟
徐伟豪
王定杰
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.)
XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Original Assignee
XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
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 XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS filed Critical XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority to CN202210930204.XA priority Critical patent/CN114994704B/zh
Publication of CN114994704A publication Critical patent/CN114994704A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114994704B publication Critical patent/CN114994704B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/894—3D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/04—Systems determining the presence of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明属于非视域成像技术领域，具体涉及一种基于圆周扫描路径的非视域成像方法、系统及存储介质。克服现有非视域成像方法存在的时间成本高以及实时性较差的问题。成像系统包括激光扫描模块、接收光路、探测器、中介面及计算机，激光扫描模块依次扫描中介面上呈圆周扫描路径排布的多个扫描点，在扫描过程中探测器经接收光路依次采集各个扫描点的回波信号；基于各个扫描点的回波信号，利用参数估计的方法，对隐藏场景完成重建。该方法能够大大减少扫描点数，从而减少非视域成像采集信号过程所需要的时间，进而具有较好的实时性，结合后续的重构方法，可以准确获得隐藏目标的位置信息；针对大的非视域场景，节约采集时间的效果尤为明显。

Description

基于圆周扫描路径的非视域成像方法、系统及存储介质
技术领域
本发明属于非视域成像技术领域，具体涉及一种基于圆周扫描路径的非视域成像方法及系统。
背景技术
区别于传统的成像方式，非视域成像的场景处在人眼或接收设备能够直视的范围之外，例如拐角或门窗导致目标场景被隐藏的情况，需要捕获经过中介表面多次反射的回波信号，并通过算法进行处理，得到目标的重建结果。
一般采用主动成像的方式，利用脉冲激光对中介表面进行照明，利用探测器接收多个激光点（扫描点）返回的回波信息并处理深度信息重构出目标表面的三维形状实现三维成像。相较于被动成像，主动成像方式中，照明不依赖环境光，可以使得在夜晚等环境光照低的情况下，也能有足够的信噪比来进行成像。
在传统的主动非视域成像过程中，需要对中介表面进行全光栅扫描，这种扫描机制需要二维振镜逐点扫描并对每个扫描点进行长时间累积。采样点越多，累计时间越长，固然会提高重建图像的质量，但是也会增加时间成本，导致实时性较差，进而限制了非视域成像的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于圆周扫描路径的非视域成像方法及系统，克服现有非视域成像方法存在的时间成本高以及实时性较差的问题。本发明能够在减少采样点的情况下对中介面上较大区域完成扫描，从而缩短信号采集的时间，提升非视域成像的实时性，并将采集到的信息进行处理，通过参数估计的方式进行隐藏场景的重建。
本发明的构思是：
本发明在保证一定成像质量的前提下，将扫描路径改良为圆周路径，减少采样点数，来降低成像的时间成本，提升非视域成像的实时性；同时，利用参数估计的方法对采集的非视域成像回波信号进行处理，可以取得好的重建效果，提升非视域成像的实用性。
本发明的技术方案是提供一种基于圆周扫描路径的非视域成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、在中介面上以扫描区域中心点为坐标原点，建立坐标系；设定以坐标原点 为圆心，以
Figure 217098DEST_PATH_IMAGE001
为扫描半径的圆周扫描路径；
利用激光扫描模块依次扫描中介面上呈圆周扫描路径排布的多个扫描点，在扫描过程中探测器依次采集各个扫描点的回波信号；
步骤2、基于各个扫描点的回波信号，利用参数估计的方法，对隐藏场景完成重建；
步骤2.1、利用探测器采集的每个扫描点的回波信号，得到瞬态图像，并做一次变 量代换，表示为
Figure 727714DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 976293DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 715710DEST_PATH_IMAGE004
表示扫描点位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示与时间相关的参数，
Figure 592399DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 883703DEST_PATH_IMAGE007
为扫描点对 应的回波信号到达时间，
Figure 993479DEST_PATH_IMAGE008
为光速，
Figure 661221DEST_PATH_IMAGE009
表示目标区域，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示隐藏场景中的目标点位置，
Figure 392417DEST_PATH_IMAGE011
表示物体在
Figure 729988DEST_PATH_IMAGE010
处的反照率，
Figure 953159DEST_PATH_IMAGE012
表示Dirac函数，即狄拉克
Figure DEST_PATH_IMAGE013
函数；
步骤2.2、将瞬态图像转换至球坐标系下，获得其正弦形式的表达式，表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 64072DEST_PATH_IMAGE016
为扫描点的方位角，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
及
Figure 649774DEST_PATH_IMAGE018
均为与扫描半径以及隐藏目标位置相关的参 数，
Figure 423827DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 134294DEST_PATH_IMAGE020
为圆周扫描路径中心点到隐藏场景中目标点的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 471734DEST_PATH_IMAGE022
为隐藏场景中的目标点的天顶角，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 432649DEST_PATH_IMAGE024
为隐藏场景中目标点 的方位角；
步骤2.3、基于参数估计方法，对步骤2.2表达式中的
Figure DEST_PATH_IMAGE025
及
Figure 830132DEST_PATH_IMAGE017
进行参数估计，得 到隐藏场景中目标点的位置信息，对隐藏场景完成重建。
进一步地，
Figure 903261DEST_PATH_IMAGE001
的大小需保证扫描区域的面积能够完全包含隐藏场景中目标在中介 面上的正投影区域。
进一步地，多个扫描点在圆周扫描路径上均匀分布。
进一步地，步骤2.3具体包括以下步骤：
步骤2.31、对采集到的瞬态图像进行预处理，滤除背景噪声，提取每一个扫描点对应的时间-光子数直方图的峰值点信息，并记录；
步骤2.32、对获取到的峰值点信息进行筛选，筛除粗大误差（超出在规定条件下预 期的误差，也称异常数据）的点和孤立点，将完成筛选后的峰值点信息标记为
Figure 185338DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 542370DEST_PATH_IMAGE026
中的 信息在以方位角和飞行时间为两坐标轴的坐标系中，表现为至少一条瞬态正弦曲线，每条 瞬态正弦曲线对应隐藏场景中一个目标点；
步骤2.33、在
Figure DEST_PATH_IMAGE027
中，寻找飞行时间最小的峰值点，对应隐藏场景中距离最近的目标 点瞬态正弦曲线的波谷位置；将瞬态正弦曲线的波谷位置，与相移为0的标准余弦曲线的波 谷位置对比，获得与瞬态正弦曲线相关的相移参数
Figure 625602DEST_PATH_IMAGE028
；
步骤2.34、利用确定的波谷位置，进行所有可能的振幅和基线位置的估计；
步骤2.35、利用估计得到的振幅、基线位置和已知的周期，生成多条标准余弦函数；
步骤2.36、将多条标准余弦函数在以
Figure 779502DEST_PATH_IMAGE028
为中心的一定范围
Figure 521062DEST_PATH_IMAGE029
内，相移，获得具 有不同相位参数、不同振幅及基线位置的多条余弦函数，将所述多条余弦函数作为参数估 计的模板曲线；
步骤2.37、计算各个模板曲线与步骤2.32中瞬态正弦曲线的差值，找出差异最小 的一条模板曲线，将模板曲线对应的振幅、相位信息和基线位置，分别作为
Figure 342388DEST_PATH_IMAGE030
及
Figure DEST_PATH_IMAGE031
的估 计结果；
步骤2.38、去除本次估计的飞行时间最小的峰值点，将剩余峰值点信息保留，记为
Figure 832406DEST_PATH_IMAGE032
；在
Figure 129395DEST_PATH_IMAGE032
中，执行步骤2.33至步骤2.37的参数估计过程；直至本次估计结果与上一次估计 结果完全一致，认为对所有的瞬态正弦曲线完成参数估计；
步骤2.39、记录所有计算得到的参数，并根据式
Figure 18854DEST_PATH_IMAGE033
及球坐标 系与笛卡尔坐标系的转换公式计算出隐藏场景中目标的坐标，完成重建。
进一步地，步骤2.34具体包括以下步骤：
步骤1）、判断与波谷位置
Figure 334166DEST_PATH_IMAGE034
间隔半个周期的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE035
或
Figure 509933DEST_PATH_IMAGE036
处是否存 在可用的峰值信号，若有，则可以利用间隔半个周期的两个峰值点对应的飞行时间值估计 振幅，并计算基线位置，执行步骤2.35，否则，进入步骤2），其中N为扫描点总数量；
步骤2）、判断与波谷位置
Figure 638426DEST_PATH_IMAGE034
相距四分之一周期的
Figure 206942DEST_PATH_IMAGE037
或
Figure 737280DEST_PATH_IMAGE038
处是否存 在可用的峰值信号，若有，则利用间隔四分之一个周期的两个峰值点与曲线的基线对应的 飞行时间值估计振幅，并计算基线位置，执行步骤2.35，否则进入步骤3）；
步骤3）、若瞬态正弦曲线端点位置与波谷距离小于等于四分之一周期，该段瞬态正弦曲线端点位置与距波谷四分之一周期的位置相距较近（在飞行时间上的差值小于二十分之一个周期），对曲线进行“补全”，由于对连续的余弦曲线而言，基线位置处的点导数最大（或最小），因此针对“补全”的曲线，估计的幅值为可能的幅值的最小值，并计算基线位置，执行步骤2.35；
若该段瞬态正弦曲线端点位置与距波谷四分之一周期的位置相距较远（在时间上的差值大于二十分之一个周期），将这部分的曲线视为由于距离过远而回波光子数少，导致对应的曲线波形过度缺失，不能提供完整信息，无法进行有效估计，执行步骤2.38。
本发明还提供一种计算机存储介质，包括存储器及处理器，所述存储器中存储计算机程序，其特殊之处在于，该计算机程序被处理器执行时，实现上述方法中步骤2的过程。
本发明还提供一种基于圆周扫描路径的非视域成像系统，其特殊之处在于，包括激光扫描模块、接收光路、探测器、中介面及计算机；
中介面上设有呈圆周路径排布的扫描点位置；
激光扫描模块用于依次扫描中介面上呈圆周扫描路径排布的多个扫描点；
探测器用于采集经接收光路在扫描过程中依次接收的各个扫描点的回波信号；
计算机内存储计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现上述方法中步骤2的过程。
进一步地，激光器与探测器共轴。
本发明的有益效果是：
1、主动非视域成像的信号采集过程需要对中介面进行全光栅扫描，这种扫描机制需要二维振镜逐点扫描并对每个扫描点进行长时间累积。与现有的全光栅扫描方式相比，本发明按照圆周路径进行扫描的方式能够大大减少扫描点数，从而减少非视域成像采集信号过程所需要的时间，进而具有较好的实时性，结合后续的重构方法，可以准确获得隐藏目标的位置信息；针对大的非视域场景，节约采集时间的效果尤为明显。
2、本方法为非视域成像的传输过程提供了新的分析思路。通过对共轴非视域系统的分析，通过改变扫描路径的方式引入了方位角这一变量，即通过对非视域成像的传输模型加入约束，同时引入额外的信息，使得模型得以改造和简化。根据改良后的模型及其几何特性，充分利用方位角带来的信息，利用参数估计的方法对采集的非视域成像回波信号进行分析，并最终实现对隐藏场景的重建。
附图说明
图1是实施例基于圆周扫描路径的非视域成像系统示意图；
图中附图标记为：1、激光器和探测器单元；2、中介面；3、遮挡墙壁；
图2是实施例中，不同隐藏目标情况下，探测器采集到的回波信号；a）图中隐藏目标为单个散射点，b）图中隐藏目标为三个散射点，c）图中隐藏目标为一平面；
图3是实施例中参数估计流程图；
图4是实施例中单个目标点经预处理，获得的瞬态正弦曲线；
图5是实施例中对瞬态正弦曲线进行参数估计的示意图；
图6是实施例中相移在一定范围内时，生成的参数估计模板曲线；
图7是实施例中进行参数估计和位置重建的结果，a）图为经过预处理得到的瞬态正弦曲线，b）图为通过参数估计得到的正弦曲线，c）图为位置重建结果。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，为本实施例基于圆周扫描路径的非视域成像系统示意图，从图中可以看出，该系统主要由激光器和探测器单元1以及中介面2构成，激光器和探测器单元1中激光器和探测器同轴设置。遮挡墙壁3位于激光器和探测器单元1与隐藏场景之间。
在中介面上以水平方向为x方向，竖直方向为y方向，建立坐标系；从图中可以看 出，本实施例中在中介面上对扫描点进行了限制，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
个扫描点所形成的扫描路径为以坐标 系原点为中心点，以
Figure 83948DEST_PATH_IMAGE040
为扫描半径的圆周扫描路径。在非视域成像中，希望扫描区域的大小 尽可能大，而当中介面大小受限时，
Figure 339217DEST_PATH_IMAGE040
的大小需要保证，扫描区域的面积能够完全包含隐藏 场景中目标在中介面上的正投影区域，需要注意的是，此处的扫描区域指的是圆周扫描路 径所围成的区域。其中
Figure 836058DEST_PATH_IMAGE039
为大于3的自然数。但在实际的应用过程中，在权衡时间成本的情况 下，应设置尽量多的扫描点，以提高成像质量。
Figure 611116DEST_PATH_IMAGE039
个扫描点在圆周路径上均匀分布，两扫描点 之间的间距与系统的时间抖动的半高全宽（FWHM）、扫描区域大小、隐藏场景中目标到中介 面的距离等参数相关，但是由于隐藏场景中目标到中介面的距离为未知量，难以对相邻扫 描点之间的间距进行准确的定量描述，故而要求扫描点尽量多，如果扫描点数太少，则会使 得采集的信息过少，无法实现重建。
在进行扫描时，利用激光器依次扫描中介面上呈圆周扫描路径排布的扫描点， 这种扫描方式也可以看作是对全光栅扫描方式的简化，通过对扫描点的位置限定，将探测器测量的瞬态图像转化为不同正弦波叠加的二维图像，而其中每个正弦波都对应隐藏场景中的不同目标点，采用参数估计方法，即可获得隐藏目标的位置信息。
以下通过仿真实验，对本发明做详细介绍：
分别设置激光器与探测器位置（共轴系统）、中介面上呈圆周路径排布的扫描点位置、隐藏场景中的目标与目标位置等参数，通过仿真，得到共轴系统按照圆周路径扫描的结果，将所采集到各个扫描点的时间-光子数直方图按照采集的先后顺序依次排列，得到如图2所示的正弦曲线。其中，a）图中隐藏场景中的目标为单个散射点，b）图中隐藏场景中的目标为三个散射点，c）图中隐藏场景中的目标为一平面。
通过下述过程获得瞬态图像正弦形式的表达式：
假设隐藏场景中的目标点位置为
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，利用同轴光路时，将扫描点位置
Figure 613838DEST_PATH_IMAGE042
对应采集到的瞬态图像表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE043
：
Figure 248082DEST_PATH_IMAGE044
即
Figure 407668DEST_PATH_IMAGE045
其中，
Figure 178178DEST_PATH_IMAGE046
为扫描点对应的回波信号到达时间，即图2中的飞行时间，
Figure 375635DEST_PATH_IMAGE047
表示目标区 域，
Figure 231596DEST_PATH_IMAGE048
为隐藏场景中目标点到扫描点的距离，
Figure 194873DEST_PATH_IMAGE049
表示物体在目标点处的反照率，
Figure 554310DEST_PATH_IMAGE050
表示Dirac函数，即狄拉克
Figure 695572DEST_PATH_IMAGE051
函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为光速，
Figure 366725DEST_PATH_IMAGE053
表示扫描点位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
表示目标点位置；
令
Figure 851802DEST_PATH_IMAGE055
，可得
Figure DEST_PATH_IMAGE056
根据笛卡尔坐标系与球坐标系的转换公式，将瞬态图像转换至球坐标系下，获得 其正弦形式的表达式，表示为
Figure 924800DEST_PATH_IMAGE057
；
笛卡尔坐标系与球坐标系的转换公式为：
Figure 361598DEST_PATH_IMAGE058
在球坐标系下，将扫描点位置记为
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，隐藏场景中的目标点位置记为
Figure 5200DEST_PATH_IMAGE060
，参照图1，可知
Figure 310279DEST_PATH_IMAGE001
表示圆周扫描路径的扫描半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为扫描点的天顶角（即扫描 点与z轴正半轴的夹角，图中未示出），
Figure 487051DEST_PATH_IMAGE062
为扫描点的方位角，对应图1中扫描点方向向量与 Y轴正半轴的夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
表示圆周扫描路径中心点到隐藏场景中的目标点的距离，
Figure 688226DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
表 示隐藏场景中的目标点的天顶角，
Figure 84703DEST_PATH_IMAGE066
表示隐藏场景中的目标点方位角（图中未 示出），
Figure 599998DEST_PATH_IMAGE067
，且与扫描点的序号有对应关系，而隐藏场景中的目标点位于
Figure 382009DEST_PATH_IMAGE068
轴正半 轴。
将球坐标系下的扫描点位置以及目标点位置代入瞬态图像表达式，将瞬态图像可以表示为：
Figure 957347DEST_PATH_IMAGE069
其中，距离函数
Figure 496913DEST_PATH_IMAGE070
表示扫描点
Figure DEST_PATH_IMAGE071
和目标点
Figure 861904DEST_PATH_IMAGE072
之 间的空间距离，得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE073
其中
Figure 842629DEST_PATH_IMAGE074
Figure 792131DEST_PATH_IMAGE075
令
Figure 350151DEST_PATH_IMAGE076
得到如图2所示的正弦曲线表达式
Figure 3986DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure 963852DEST_PATH_IMAGE015
通过估计式
Figure 667278DEST_PATH_IMAGE015
的参数，可以得到隐藏场景的位置信息， 参数估计的流程图如图3所示。
1、对采集到的瞬态图像进行预处理，滤除背景噪声，提取每一个扫描点对应的时间-光子数直方图的峰值点信息，将其记录，这些峰值点信息中包含了隐藏场景中目标（一个或多个）的距离和回波强度信息。
2、对获取到的峰值点信息进行筛选，针对孤立点、与相邻点差异巨大的点进行处 理，筛除粗大误差，将完成预处理后的峰值点信息记为
Figure DEST_PATH_IMAGE077
。
Figure 774911DEST_PATH_IMAGE077
中的信息在以方位角和飞行 时间为两坐标轴的坐标系中，表现为瞬态正弦曲线，如图4所示（每一条曲线对应隐藏场景 中一个目标点），则后续的重建问题可以被视为已知周期的正弦/余弦函数的拟合问题，即 对瞬态正弦曲线进行参数估计。
3、如图5所示，在
Figure 435700DEST_PATH_IMAGE077
中，寻找飞行时间最小的峰值点，即为回波信号中时间上的最 小值
Figure 328700DEST_PATH_IMAGE078
，对应隐藏场景中距离最近的目标点瞬态正弦曲线的波谷，随后记录波谷对应的 方位角，以其对应的扫描点的序号（最大为
Figure DEST_PATH_IMAGE079
）表示，记为
Figure 479059DEST_PATH_IMAGE080
，同时将波谷位置，与相移为0 的标准余弦曲线的波谷位置对比，得到二者之差，获取与该瞬态正弦曲线相移相关的参数
Figure DEST_PATH_IMAGE081
。
4、利用该瞬态正弦曲线的波谷和对应的波峰（对应周期上间隔
Figure DEST_PATH_IMAGE082
）或余弦函数 与其基线交点的位置（对应周期上间隔
Figure DEST_PATH_IMAGE083
），进行振幅和基线位置的估计。在隐藏场景中 不止一个目标点时，可能会有多组可能的幅值和基线位置，也需依次记录。
1）判断与波谷位置
Figure DEST_PATH_IMAGE084
间隔半个周期的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE085
或
Figure 933043DEST_PATH_IMAGE086
处是否存在可 用的峰值信号，若有，则可以间隔半个周期的两个峰值点对应的飞行时间值估计振幅，并计 算基线位置；否则，进入下一步。
2）判断与波谷相距四分之一周期的
Figure DEST_PATH_IMAGE087
或
Figure DEST_PATH_IMAGE088
处是否存在可用于拟合 的点，若有，则可以间隔四分之一个周期的波谷与曲线的基线对应的飞行时间值估计振幅， 并计算基线位置。
3）若可利用的曲线长度不足四分之一周期，且可利用的瞬态正弦曲线端点位置与距波谷四分之一周期的位置相距较近，在飞行时间上的差值小于二十分之一个周期，则按照端点位置的差值对曲线进行“补全”， 由于对连续的余弦曲线而言，基线位置处的点导数最大（或最小），因此针对“补全”的曲线，估计的幅值为可能的幅值的最小值，并计算基线位置。
4）若可利用的曲线长度不足四分之一周期，且该段曲线端点位置与距波谷四分之一周期的位置相距较远（在时间上的差值大于二十分之一个周期），将这部分的曲线视为不够准确，不能提供完整信息，无法进行有效估计。
5、利用估计得到的振幅、基线位置和已知的周期，生成标准余弦函数（图5中相移为0的余弦函数），若在上一步中估计出多组可能的振幅、基线位置，则此时也要对应生成多条标准余弦曲线。
6、如图6所示，在以
Figure DEST_PATH_IMAGE089
为中心的一定范围
Figure DEST_PATH_IMAGE090
内，给上一步所求的标准余弦函 数加上相移这一参数，此时生成的余弦函数包含了估计的幅值、基线、相位等参数，将所述 多条余弦函数作为参数估计的模板曲线。
7、比较上述步骤得到的模板曲线与步骤2中的瞬态正弦曲线的差异，即计算各个 模板曲线与瞬态正弦曲线的差值，找出差异最小的一条曲线，认为这一曲线的参数最能与 实际的回波信号匹配，保留这一曲线对应模板的参数，将模板曲线对应的振幅、相位信息和 基线位置，分别作为
Figure DEST_PATH_IMAGE091
及
Figure DEST_PATH_IMAGE092
的估计结果。
对单一目标而言，求出一组参数即为完成了对隐藏场景的估计，但对多个目标而言，此时仅仅估计了隐藏场景中距离最近的一点的信息，还需要对这一条正弦曲线以外的其他信息继续处理，求出剩余的点对应的瞬态正弦曲线的参数。
进行第一轮参数估计后，从
Figure DEST_PATH_IMAGE093
中去除本次估计的飞行时间最小的峰值点，将剩 余的峰值点的坐标保留，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE094
。
8、继续步骤3~7，进行参数估计，直至本次估计参数与上一次估计参数完全一致，说明已经完成了对所有曲线的参数的估计，应当结束该过程，避免死循环。
9、记录所有计算得到的参数，并根据式
Figure DEST_PATH_IMAGE095
及球坐标系与 笛卡尔坐标系的转换公式计算出隐藏场景中目标的坐标，从而完成重建。
接下来展示以图2 中b）中的情况为例，利用本方法进行参数估计和位置重建。值得一提的是，观察图2中 b）和图7中 a）可以得知，距离较远的点产生的回波光子数较少，在瞬态正弦曲线中表现为波形不完整，但利用本方法依旧可以对其参数进行有效的估计，见图7中b）和c）。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，程序被执行时实现上述基于各个扫描点的回波信号，利用参数估计的方法，对隐藏场景完成重建的方法步骤。在一些可能的实施方式中，本发明还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述方法部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。
用于实现上述方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

Claims (8)

1.一种基于圆周扫描路径的非视域成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在中介面上以扫描区域中心点为坐标原点，建立坐标系；设定以坐标原点为圆心，以rs为扫描半径的圆周扫描路径；
利用激光扫描模块依次扫描中介面上呈圆周扫描路径排布的多个扫描点，在扫描过程中探测器依次采集各个扫描点的回波信号；
步骤2、基于各个扫描点的回波信号，利用参数估计的方法，对隐藏场景完成重建；
步骤2.1、利用探测器采集的每个扫描点的回波信号，得到瞬态图像，并做一次变量代换，表示为
Figure FDA0003861820600000011
Figure FDA0003861820600000012
其中，x′表示扫描点位置，v表示与时间相关的参数，v＝(tc/2)2，t为扫描点对应的回波信号到达时间，c为光速，Ω表示目标区域，x表示隐藏场景中的目标点位置，ρ(x)表示物体在x处的反照率，δ(·)表示Dirac函数；
步骤2.2、将瞬态图像转换至球坐标系下，获得其正弦形式的表达式，表示为
Figure FDA0003861820600000013
Figure FDA0003861820600000014
其中，
Figure FDA0003861820600000015
为扫描点的方位角，γ及α均为与扫描半径以及隐藏目标位置相关的参数，γ＝l2+rs 2，l为圆周扫描路径中心点到隐藏场景中目标点的距离，α＝2l·rssin(θ)，θ为隐藏场景中的目标点的天顶角，
Figure FDA0003861820600000016
Figure FDA0003861820600000017
为隐藏场景中目标点的方位角；
步骤2.3、基于参数估计方法，对步骤2.2表达式中的α、β及γ进行参数估计，得到隐藏场景中目标点的位置信息，对隐藏场景完成重建。
2.根据权利要求1所述的基于圆周扫描路径的非视域成像方法，其特征在于：扫描半径rs的大小需保证扫描区域的面积能够完全包含隐藏场景中目标在中介面上的正投影区域。
3.根据权利要求2所述的基于圆周扫描路径的非视域成像方法，其特征在于：多个扫描点在圆周扫描路径上均匀分布。
4.根据权利要求3所述的基于圆周扫描路径的非视域成像方法，其特征在于，步骤2.3具体包括以下步骤：
步骤2.31、对采集到的瞬态图像进行预处理，滤除背景噪声，提取每一个扫描点对应的时间-光子数直方图的峰值点信息，并记录；
步骤2.32、对获取到的峰值点信息进行筛选，筛除粗大误差的点和孤立点，将完成筛选后的峰值点信息标记为Loc；Loc中的信息在以方位角和飞行时间为两坐标轴的坐标系中，表现为至少一条瞬态正弦曲线，每条瞬态正弦曲线对应隐藏场景中一个目标点；
步骤2.33、在Loc中，寻找飞行时间最小的峰值点，对应隐藏场景中距离最近的目标点瞬态正弦曲线的波谷位置；将瞬态正弦曲线的波谷位置，与相移为0的标准余弦曲线的波谷位置对比，获得与瞬态正弦曲线相关的相移参数beta；
步骤2.34、利用确定的波谷位置，进行所有可能的振幅和基线位置的估计；
步骤2.35、利用估计得到的振幅、基线位置和已知的周期，生成多条标准余弦函数；
步骤2.36、将多条标准余弦函数在以beta为中心的一定范围Δbeta内，相移，获得具有不同相位参数、不同振幅及基线位置的多条余弦函数，将所述多条余弦函数作为参数估计的模板曲线；
步骤2.37、计算各个模板曲线与步骤2.32中瞬态正弦曲线的差值，找出差值最小的一条模板曲线，将模板曲线对应的振幅、相位信息和基线位置，分别作为α、β及γ的估计结果；
步骤2.38、去除本次估计的飞行时间最小的峰值点，将剩余峰值点信息保留，记为Loc1；之后执行步骤2.33至步骤2.37的参数估计过程；直至本次估计结果与上一次估计结果完全一致，认为对所有的瞬态正弦曲线完成参数估计；
步骤2.39、记录所有计算得到的参数，并根据式
Figure FDA0003861820600000031
及球坐标系与笛卡尔坐标系的转换公式计算出隐藏场景中目标的坐标，完成重建。
5.根据权利要求4所述的基于圆周扫描路径的非视域成像方法，其特征在于，步骤2.34具体包括以下步骤：
步骤1)、判断与波谷位置Lmin间隔半个周期的位置
Figure FDA0003861820600000032
或
Figure FDA0003861820600000033
处是否存在可用的峰值信号，若有，则利用间隔半个周期的两个峰值点对应的飞行时间值估计振幅，并计算基线位置，执行步骤2.35，否则，进入步骤2)，其中N为扫描点总数量；
步骤2)、判断与波谷位置Lmin相距四分之一周期的
Figure FDA0003861820600000034
或
Figure FDA0003861820600000035
处是否存在可用的峰值信号，若有，则利用间隔四分之一个周期的两个峰值点与曲线的基线对应的飞行时间值估计振幅，并计算基线位置，执行步骤2.35，否则进入步骤3)；
步骤3)、若瞬态正弦曲线端点位置与波谷距离小于等于四分之一周期，且瞬态正弦曲线端点位置与距波谷四分之一周期的位置相距较近，在飞行时间上的差值小于二十分之一个周期，对曲线进行“补全”，针对“补全”的曲线，估计的幅值为可能幅值的最小值，并计算基线位置，执行步骤2.35；
若瞬态正弦曲线端点位置与距波谷四分之一周期的位置相距较远，在时间上的差值大于二十分之一个周期，则认为对该瞬态正弦曲线无法进行有效估计，执行步骤2.38。
6.一种计算机存储介质，包括存储器及处理器，所述存储器中存储计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-5任一所述方法中步骤2的方法步骤。
7.一种基于圆周扫描路径的非视域成像系统，其特征在于，包括激光扫描模块、接收光路、探测器、中介面及计算机；
中介面上设有呈圆周路径排布的扫描点位置；
激光扫描模块用于依次扫描中介面上呈圆周扫描路径排布的多个扫描点；
探测器用于采集经接收光路在扫描过程中依次接收的各个扫描点的回波信号；
计算机内存储计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-5任一所述方法中步骤2的方法步骤。
8.根据权利要求7所述的基于圆周扫描路径的非视域成像系统，其特征在于：激光器与探测器共轴。
CN202210930204.XA 2022-08-04 2022-08-04 基于圆周扫描路径的非视域成像方法、系统及存储介质 Active CN114994704B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210930204.XA CN114994704B (zh) 2022-08-04 2022-08-04 基于圆周扫描路径的非视域成像方法、系统及存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210930204.XA CN114994704B (zh) 2022-08-04 2022-08-04 基于圆周扫描路径的非视域成像方法、系统及存储介质

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114994704A CN114994704A (zh) 2022-09-02
CN114994704B true CN114994704B (zh) 2022-12-27

Family

ID=83023276

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210930204.XA Active CN114994704B (zh) 2022-08-04 2022-08-04 基于圆周扫描路径的非视域成像方法、系统及存储介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114994704B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107576969A (zh) * 2017-08-08 2018-01-12 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于gpu并行计算的大场景隐藏目标成像系统与方法
CN111694014A (zh) * 2020-06-16 2020-09-22 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种基于点云模型的激光非视域三维成像场景建模方法
CN112817007A (zh) * 2020-12-31 2021-05-18 之江实验室 一种非视域扫描成像系统
CN113504547A (zh) * 2021-09-07 2021-10-15 清华大学 基于扫描光场的视觉雷达成像系统和方法
CN113970757A (zh) * 2020-07-23 2022-01-25 华为技术有限公司 一种深度成像方法及深度成像系统
CN114355341A (zh) * 2021-12-29 2022-04-15 北京航空航天大学 一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法及装置
CN114599990A (zh) * 2019-06-27 2022-06-07 ams国际有限公司 成像系统和检测方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112444821B (zh) * 2020-11-11 2022-09-09 中国科学技术大学 远距离非视域成像方法、装置、设备及介质

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107576969A (zh) * 2017-08-08 2018-01-12 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于gpu并行计算的大场景隐藏目标成像系统与方法
CN114599990A (zh) * 2019-06-27 2022-06-07 ams国际有限公司 成像系统和检测方法
CN111694014A (zh) * 2020-06-16 2020-09-22 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种基于点云模型的激光非视域三维成像场景建模方法
CN113970757A (zh) * 2020-07-23 2022-01-25 华为技术有限公司 一种深度成像方法及深度成像系统
CN112817007A (zh) * 2020-12-31 2021-05-18 之江实验室 一种非视域扫描成像系统
CN113504547A (zh) * 2021-09-07 2021-10-15 清华大学 基于扫描光场的视觉雷达成像系统和方法
CN114355341A (zh) * 2021-12-29 2022-04-15 北京航空航天大学 一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法及装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
线阵扫描式激光成像探测系统建模与仿真;闫小伟等;《北京理工大学学报》;20100415(第04期);第456-459页 *
非视域三维成像激光雷达的研究进展;靳辰飞等;《红外与激光工程》;20220331;第51卷(第3期);第20210471-1至20210471-16页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114994704A (zh) 2022-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. Bezier interpolation for 3-D freehand ultrasound
CN109846513B (zh) 超声成像方法、系统和图像测量方法、处理系统及介质
CN106709967B (zh) 一种内窥成像算法及控制系统
US20200234435A1 (en) Fetal ultrasound image processing
CN108257213B (zh) 一种点云轻量级的多边形曲面重建方法
CN112513679B (zh) 一种目标识别的方法和装置
US11965967B2 (en) Apparatus and method for detecting intersection edges
KR102025756B1 (ko) 영상에서 스펙클을 제거하는 방법, 장치 및 시스템.
CN113066064B (zh) 基于人工智能的锥束ct图像生物结构识别及三维重建系统
CN113706473B (zh) 超声图像中病灶区域的长短轴确定方法和超声设备
CN110321943A (zh) 基于半监督深度学习的ct图像分类方法、系统、装置
Wen et al. An adaptive kernel regression method for 3D ultrasound reconstruction using speckle prior and parallel GPU implementation
CN111968224A (zh) 船舶3d扫描点云数据处理方法
CN113570594A (zh) 超声图像中目标组织的监测方法、装置及存储介质
CN117538881B (zh) 一种声呐水体成像波束形成方法、系统、设备及介质
CN114994704B (zh) 基于圆周扫描路径的非视域成像方法、系统及存储介质
CN117274487A (zh) 一种胃镜图像三维重建方法
KR102420578B1 (ko) 노이즈 제거 필터를 이용한 공동 예측 시스템 및 방법
CN112485329B (zh) 基于热成像与超声相结合检测排污口的方法、装置及系统
KR102420571B1 (ko) 딥러닝 기반의 공동 예측 시스템 및 방법
KR102420580B1 (ko) 로컬 평균 차감을 통한 공동 예측 시스템 및 방법
Balabanian et al. Sonar Explorer: A New Tool for Visualization of Fish Schools from 3D Sonar Data.
Letard et al. Bathymetric LiDAR Waveform Decomposition with Temporal Attentive Encoder-Decoders
KR102420573B1 (ko) 신호 증폭 필터를 이용한 공동 예측 시스템 및 방법
CN114027872B (zh) 一种超声成像方法、系统及计算机可读存储介质

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