CN117517261A - 用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及散射介质成像领域，尤其涉及一种用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置及其成像方法，成像装置包括空间非相干光源，用于发出空间非相干光照射成像目标，成像目标发出携带目标信息的光束；散射介质，用于使携带目标信息的光束发生散射形成散射光，并从散射介质的后表面射出；光阑，用于控制散射光的直径；CCD相机，用于采集多帧连续的散斑图像数据；与CCD相机相连接的计算机，计算机包括并行处理单元，用于运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理，实现实时透过散射介质成像。本发明采用多帧散斑成像算法，能够减少运算时间，提高探测效率，具有更好的鲁棒性、稳定性和抗干扰性，适应性更强。
Description
技术领域
本发明涉及散射介质成像技术领域，尤其涉及一种用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置及其成像方法。
背景技术
随着科学的发展，透过散射介质进行高质量的成像在生物医学、天文遥感、深海探测等领域都有着广泛的应用。散射介质广泛存在于自然界中，例如生物医学组织、火灾云雾、浑浊水体等，当光通过这些介质时，光子在透过介质内部传输时会发生强散射，所携带的强度和相位信息将被破坏，导致传统成像方法无法通过直接观测接收到目标信息。这给医疗诊断、火灾救援、航空深海探测等领域带来挑战。
近年来，已经提出了多种透过散射介质成像技术。例如使用空间光调制器（SLM）对入射到散射介质中的光波进行波前相位调制的技术和基于光学记忆效应的散斑自相关技术等都受到广泛研究，这些技术也都逐渐被应用到实际探测中。
但上述技术都有着难以避免的缺点。波前调制技术目前通常需要使用空间光调制器（SLM）等数字波前整形器件，光路结构复杂，并且需要反馈调制和校准，以至于难以满足观测的实时性要求。基于光学记忆效应的透过散射介质成像技术，需要计算目标的幅度谱和相位谱，计算量大，成像所需时间较长。而且由于探测环境复杂等问题，实际操作时要求高稳定性、高鲁棒性、高抗干扰能力以及高频快速的成像，单帧透过散射介质成像技术的稳定性和鲁棒性不能满足实际探测要求，因此一种高效、快速、稳定、抗干扰能力强的透过散射成像装置在实际光学探测中是十分必要的。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置及其成像方法，将成像装置采集到的多帧图像数据输入到数据并行处理单元，通过多个并行处理单元实现多帧散斑成像算法，解决了传统透过散射介质成像运行速度慢的问题，实现高频快速的成像计算和目标探测。并且相对于现有的单帧透过散射介质成像技术，多帧散斑成像算法具有更好的鲁棒性、稳定性和抗干扰性，适应性更强。同时，在传统透过散射介质成像光学探测装置中添加窄带滤波片，控制整个装置采集到散斑图像的波长范围，提高相机散斑图像的相关性和对比度，以实现高效率、高质量的透过散射介质目标探测。
本发明提供的用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置，包括：
空间非相干光源，用于发出空间非相干光照射成像目标，成像目标发出携带目标信息的光束；散射介质，用于使携带目标信息的光束发生散射形成散射光束，并从散射介质的后表面射出；光阑，用于控制散射光束的直径；CCD相机，用于采集多帧连续的散斑图像数据；与CCD相机相连接的计算机，计算机包括并行处理单元，用于运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理，实现实时透过散射介质成像。
优选地，在光阑与CCD相机之间还放置有窄带滤波片，用于对经过光阑控制的散射光束进行过滤，缩小进入CCD相机的散射光束的波长范围。
优选地，窄带滤波片为带宽低于10nm且直径大于CCD相机尺寸的滤波器。
优选地，并行处理单元运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理的过程为：
每一个运算单元对接收到的所有散斑图像数据进行累加，再除以多帧散斑图像的数量，获得背景项/>；
每帧散斑图像分别减去该背景项，获得图像细节/>，再经过离散傅里叶变换，获得成像目标自相关的一部分/>，并作为每个运算单元的输出结果；
对每个运算单元的输出结果进行叠加，获得成像目标完整的自相关；
对成像目标完整的自相关R依次进行傅里叶逆变换、去模值、开根号，获得成像目标的幅度谱；
使用相位恢复算法对成像目标的幅度谱进行计算，获得成像目标的相位谱/>；
利用成像目标的幅度谱和相位谱/>计算成像目标的复振幅信息/>，再对成像目标的复振幅信息/>进行傅里叶逆变换/>，得到重建的成像目标；其中，计算成像目标的复振幅信息/>的公式如下：
。
本发明提供的利用上述成像装置实现的成像方法，包括如下步骤：
S1：空间非相干光源发出空间非相干光照射成像目标，使携带目标信息的光束达到散射介质的前表面处；
S2：散射介质对携带目标信息的光束进行散射，形成散射光束，散射光束从散射介质的后表面射出；
S3：调节光阑的通光孔径，控制从散射介质的直径大小，调节CCD相机的进光量；
S4：控制CCD相机曝光，采集多帧连续的散斑图像数据，将多帧连续的散斑图像数据输入计算机；
S5：利用计算机的并行处理单元运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理，实现实时透过散射介质成像。
优选地，在步骤S3之后与步骤S4之前，还包括如下步骤：
利用窄带滤波片对经过光阑控制的散射光束进行过滤，缩小进入CCD相机的散射光束的波长范围。
优选地，并行处理单元运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理的过程为：
每一个运算单元对接收到的所有散斑图像数据进行累加，再除以多帧散斑图像的数量，获得背景项/>；
每帧散斑图像分别减去该背景项，获得图像细节/>，再经过离散傅里叶变换，获得成像目标自相关的一部分/>，并作为每个运算单元的输出结果；
对每个运算单元的输出结果进行叠加，获得成像目标完整的自相关；
对成像目标完整的自相关R依次进行傅里叶逆变换、去模值、开根号，获得成像目标的幅度谱；
使用相位恢复算法对成像目标的幅度谱进行计算，获得成像目标的相位谱/>；
利用成像目标的幅度谱和相位谱/>计算成像目标的复振幅信息/>，再对成像目标的复振幅信息/>进行傅里叶逆变换/>，得到重建的成像目标；其中，计算成像目标的复振幅信息/>的公式如下：
。
与现有技术相比，本发明能够取得如下技术效果：
1、在对多帧透过散射介质的成像目标进行成像时，利用并行处理数据的优势，搭建并行处理单元，实现散斑图像的采集和处理同时进行，从而减少运算时间，提高探测效率，实现实时透过散射介质成像。
2、采用连续多帧散斑图像处理技术，相比于传统单帧散斑成像技术，能够更好的克服复杂环境因素给采集图像带来的干扰，如某帧采集图像质量差，影响探测效果时，可使用其前后相邻帧代替其进行计算，使散斑成像技术具有更好的瞬时抗扰性和稳定性。
3、在散射介质与CCD相机之间放置的窄带滤波片，可以缩小进入CCD相机的散射光束的波长范围，配合光阑和曝光时间的调节，提高CCD相机接收散斑的相关性和对比度，同时也可以有效削弱环境杂光对散射介质成像的不利影响、降低对成像装置中空间非相干光的要求，使得整个成像装置具有更好的鲁棒性和抗干扰性。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的利用多帧透过散射介质成像装置实现的成像方法的流程示意图。
附图标记：空间非相干光源1、散射介质2、光阑3、窄带滤波片4、CCD相机5、计算机6、成像目标7。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置的结构，包括空间非相干光源1、散射介质2、光阑3、窄带滤波片4、CCD相机5、计算机6；其中，
空间非相干光源1用于发出空间非相干光照射成像目标7，成像目标7为透射式目标，且透射式目标完全被空间非相干光所覆盖，使得光束可以在接下来的空间传播中，携带着目标信息到达散射介质2。
散射介质2用于使携带目标信息的光束在其内部传播时发生散射，使携带目标信息的光束变为散射光束。
光阑3用于控制从散射介质的后表面射出的散射光束的直径，通过调节通光孔径的大小，控制CCD相机5的进光量，提高相机散斑图像数据的对比度。
窄带滤波片4，设置在光阑3与CCD相机5之间，窄带滤波片4为带宽低于10nm、直径大于CCD相机5尺寸的滤波器，用于缩小进入CCD相机5的光束波长范围，在光阑3的作用上进一步提高后续采集多帧散斑图像数据的相关性和对比度。同时也可以有效削弱环境杂光对透过散射介质成像的不利影响、降低对成像装置中所需空间非相干光的要求，使得整个透过散射介质成像装置具有更好的鲁棒性和抗干扰性。
CCD相机5用于连续采集经窄带滤光片4发出的散射光，形成多帧高对比度的相机散斑图像数据。
光阑3的孔径大小可调节，窄带滤波片4的带宽可调节，CCD相机5的曝光时间可调节，这三个器件同时进行协作调节，使整套透过散射介质成像装置能够得到符合探测要求的多帧连续高对比度散斑图像。
计算机6包括并行处理单元，并行处理单元是由大量运算单元组成的计算架构，能够处理多重并行计算任务。并行处理单元在接收到采集的多帧连续高对比度散斑图像数据后，对多帧散斑图像数据进行分析和处理，将图像数据处理任务分离为多个子任务，将所采集到的多帧连续的高对比度散斑图像数据平均分配给不同的运算单元，以提高图像数据处理的效率和精度。每一个运算单元通过将所有的散斑图像数据累加再除以多帧散斑图像的数量实现平均多帧图像，以获得背景项/>。每帧散斑图像单独减去该背景项，以获得每帧散斑图像的图像细节/>。在每帧散斑图像减去背景项后，再经过离散傅里叶变换，即可得到成像目标自相关的一部分，即/>，/>表示反函数。将每个运算单元的输出结果（即成像目标自相关的一部分）叠加即可得到成像目标完整的自相关/>。在得到成像目标完整的自相关后，对其进行傅里叶逆变换后去模值再开根号，以获得成像目标的幅度谱，即/>，最后使用相位恢复算法，计算成像目标的相位谱/>，将幅度谱和相位谱利用/>结合，获得目标的复振幅信息，再对复振幅信息进行傅里叶逆变换/>，就能得到重建的物体目标。该并行处理单元通过对多帧高对比度散斑图像数据进行并行处理，快速完成多帧高对比度散斑成像算法，实现实时透过散射介质成像。
上述内容详细说明了本发明实施例提供的用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置的结构，与该成像装置相对应，本发明还提供一种利用该成像装置实现的成像方法。
图2示出了根据本发明实施例提供的利用多帧透过散射介质成像装置实现的成像方法的流程。
如图2所示，本发明实施例提供的利用上述成像装置实现的成像方法，包括如下步骤：
S1：空间非相干光源发出空间非相干光照射成像目标，使携带目标信息的光束达到散射介质的前表面处。
S2：散射介质对携带目标信息的光束进行散射，形成散射光束，散射光束从散射介质的后表面射出。
目标信息被调制，无法直接观测，形成散射光束。
S3：调节光阑的通光孔径，控制从散射介质的直径大小，调节CCD相机的进光量。
S4：利用窄带滤波片对经过光阑控制的散射光束进行过滤，缩小进入CCD相机的散射光束的波长范围。
S5：控制CCD相机曝光，采集多帧连续的散斑图像数据，将多帧连续的散斑图像数据输入计算机。
控制CCD相机的曝光时间使相机散斑图像达到较高对比度，并连续采集多帧高对比度散斑图像数据，将多帧高对比度散斑图像数据输入并行处理单元。
S6：利用计算机的并行处理单元运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理，实现实时透过散射介质成像。
并行处理单元运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理的过程为：
每一个运算单元对接收到的所有散斑图像数据进行累加，再除以多帧散斑图像的数量，获得背景项/>；
每帧散斑图像分别减去该背景项，获得图像细节/>，再经过离散傅里叶变换，获得成像目标自相关的一部分/>，并作为每个运算单元的输出结果；
对每个运算单元的输出结果进行叠加，获得成像目标完整的自相关；
对成像目标完整的自相关R依次进行傅里叶逆变换、去模值、开根号，获得成像目标的幅度谱；
使用相位恢复算法对成像目标的幅度谱进行计算，获得成像目标的相位谱/>；
利用成像目标的幅度谱和相位谱/>计算成像目标的复振幅信息/>，再对成像目标的复振幅信息/>进行傅里叶逆变换/>，得到重建的成像目标；其中，计算成像目标的复振幅信息/>的公式如下：
。
本发明可同时进行散斑图像的采集和处理，能够减少运算时间，提高探测效率，实现实时透过散射介质成像。
采用连续多帧散斑图像处理技术，相比于传统单帧散斑成像技术，能够更好的克服复杂环境因素给采集图像带来的干扰，如某帧采集图像质量差，影响探测效果时，可使用其前后相邻帧代替其进行计算，使散斑成像技术具有更好的瞬时抗扰性和稳定性。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置，包括：
空间非相干光源，用于发出空间非相干光照射成像目标，成像目标发出携带目标信息的光束；
散射介质，用于使携带目标信息的光束发生散射形成散射光束，并从所述散射介质的后表面射出；
光阑，用于控制所述散射光束的直径；
CCD相机，用于采集多帧连续的散斑图像数据；
其特征在于，该成像装置还包括与所述CCD相机相连接的计算机，所述计算机包括由多个运算单元组成的并行处理单元，用于运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理，实现实时透过散射介质成像。
2.如权利要求1所述的用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置，其特征在于，在所述光阑与所述CCD相机之间还放置有窄带滤波片，用于对经过所述光阑控制的散射光束进行过滤，缩小进入所述CCD相机的散射光束的波长范围。
3.如权利要求2所述的用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置，其特征在于，所述窄带滤波片为带宽低于10nm且直径大于所述CCD相机尺寸的滤波器。
4.如权利要求1所述的用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置，其特征在于，所述并行处理单元运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理的过程为：
每一个运算单元对接收到的所有散斑图像数据进行累加，再除以多帧散斑图像的数量，获得背景项/>；
每帧散斑图像分别减去该背景项，获得图像细节/>，再经过离散傅里叶变换，获得成像目标自相关的一部分/>，并作为每个运算单元的输出结果；
对每个运算单元的输出结果进行叠加，获得成像目标完整的自相关；
对成像目标完整的自相关R依次进行傅里叶逆变换、去模值、开根号，获得成像目标的幅度谱；
使用相位恢复算法对成像目标的幅度谱进行计算，获得成像目标的相位谱/>；
利用成像目标的幅度谱和相位谱/>计算成像目标的复振幅信息/>，再对成像目标的复振幅信息/>进行傅里叶逆变换/>，得到重建的成像目标；其中，计算成像目标的复振幅信息/>的公式如下：
。
5.一种利用如权利要求1~4中任一项所述的用于光学探测的多帧透过散射介质成像装置实现的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：所述空间非相干光源发出空间非相干光照射所述成像目标，使携带目标信息的光束达到所述散射介质的前表面处；
S2：所述散射介质对携带目标信息的光束进行散射，形成散射光束，所述散射光束从所述散射介质的后表面射出；
S3：调节所述光阑的通光孔径，控制从所述散射介质的直径大小，调节所述CCD相机的进光量；
S4：控制所述CCD相机曝光，采集多帧连续的散斑图像数据，将多帧连续的散斑图像数据输入所述计算机；
S5：利用所述计算机的并行处理单元运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理，实现实时透过散射介质成像。
6.如权利要求5所述的成像方法，其特征在于，在步骤S3之后与步骤S4之前，还包括如下步骤：
利用窄带滤波片对经过所述光阑控制的散射光束进行过滤，缩小进入所述CCD相机的散射光束的波长范围。
7.如权利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述并行处理单元运行多帧散斑成像算法，对多帧连续的散斑图像数据进行并行处理的过程为：
每一个运算单元对接收到的所有散斑图像数据进行累加，再除以多帧散斑图像的数量，获得背景项/>；
每帧散斑图像分别减去该背景项，获得图像细节/>，再经过离散傅里叶变换，获得成像目标自相关的一部分/>，并作为每个运算单元的输出结果；
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