CN117665850A - 逐像素时域编码快速关联成像方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逐像素时域编码快速关联成像方法，该方法包括，生成时域编码序列；时域编码序列包括一组互不相关的时域波形；将时域波形一一对应加载到可控阵列光源的各光源点，对各光源点发出的光在时域上进行独立调制，生成可变照明光场照射目标物体，使用桶探测器接收回波信号，与各时域波形进行相关运算，结果即为物体对应像素点的强度，以此重构目标物体图像。本发明提供的技术方案通过独立调制阵列光源各光源点，并通过相关运算提取对应物点的回波信号，不仅提高关联成像的成像速率，而且增强了关联成像的抗干扰能力。

Description

逐像素时域编码快速关联成像方法和系统

技术领域

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及逐像素时域编码快速关联成像方法和使用该方法的系统。

背景技术

关联成像是利用光场涨落关联实现图像获取的新型成像模式，具有灵敏度高、抗干扰能力强、多维信息获取的特点。在关联成像中，采用空间非均匀光场对物体进行照明，一种照明模式即实现对物体的一次空间编码，物体对光场的反射(或透射)形成的回波信号由桶探测器进行检测。对多次不同空间照明模式及其对应的回波检测结果进行关联运算即可获得物体的图像。基于其原理，这种关联运算实际上是对多次采样(空间编码)进行系综平均。传统关联成像方法采用离散时序，每个照明模式持续一段时间(一个或多个脉冲时间)。在要求高图像信噪比或高图像分辨率的情况下，传统关联成像一般通过增加空间编码实现，这种方法要求系统采集更多次的空间编码信息，增加了重构图像的时间，造成成像低效的问题。

现有技术中，解决上述问题通常有三个途径。(1)将照明光场的模式刷新频率以及桶探测器响应频率提升，主要是使用调制频率高的空间光调制器来实现。但同时，为了保持足够的探测信噪比，系统的单帧照明光场的照明时间不能太短，由此，采用该方法所提升的成像速率非常有限，目前该方法能达到的最短成像时间大约为几十毫秒；(2)结合压缩感知算法，通过减少成像采样数来缩短总体采样时间，但由于算法数据处理非常耗时，能达到的最短成像时间通常为秒量级，且针对不同的成像场景需要对算法进行不同的参数调节；(3)利用场景的先验信息或借助深度学习方法减少成像所需的采样数，但由于不同的场景需要不同的建模，且模型训练过程需要大量的数据采集，这种方法整体上甚至消耗更多的时间，且由于普适性差，阻碍其市场应用。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种逐像素时域编码快速关联成像方法和系统，本发明实际要解决的问题是：通过时域编码序列对阵列光源进行逐像素的独立调制，并结合相关运算提取目标物体表面空间点的独立回波信号，解决了传统空间域关联成像方法造成的成像效率低的问题。

基于上述目的，本发明采用以下技术方案：一种逐像素时域编码快速关联成像方法，该方法使用计算关联成像系统对目标物体进行图像重构，所述计算关联成像系统包括由相互独立的光源点阵列排列形成的可控阵列光源，所述快速关联成像方法包括，S101:生成时域编码序列；所述时域编码序列包括一组时域波形，各所述时域波形互不相关；S102：将互不相关的所述时域波形加载到所述可控阵列光源的各光源点，所述光源点和所述时域波形一一对应，各所述时域波形对各所述光源点在时域上进行独立调制，生成可变照明光场照射目标物体；S103:所述桶探测器对所述目标物体的回波进行时域分辨探测，生成时域回波信号；S104:将各所述时域波形分别和所述时域回波信号进行相关运算，对所述目标物体进行图像重构；其中，不同的所述光源点对应照射所述目标物体不同的表面空间点。

进一步地，所述生成时域编码序列的方法还包括，根据采样数确定所述光源点数量以及所述时域波形的长度。

进一步地，所述生成时域编码序列的方法还包括，对任意波形进行延拓获取非周期的时域波形，以使所述时域波形在时域上具有不完全的周期性。

进一步地，所述光源点为脉冲光或连续光。

本发明还提供了一种计算关联成像系统，该系统使用上述的快速关联成像方法对目标物体成像，所述计算关联成像系统包括：

可控阵列光源、光学元件、桶探测器以及处理器；所述可控阵列光源，包括以阵列形式排列的光源点，各所述光源点发出的光相互独立；所述可控阵列光源用于将各所述时域波形对应加载到各所述光源点进行时域调制，生成可变照明光场，以照射所述目标物体；各所述时域波形互不相关；所述光学元件，用于使不同的所述光源点对应照射所述目标物体不同的表面空间点；所述桶探测器，用于对所述可变照明光场照射所述目标物体产生的回波进行时域分辨探测，输出时域回波信号；所述处理器，与所述桶探测器连接，用于将所述时域波形与所述时域回波信号进行相关运算，重构所述目标物体的图像。

由上可知，本发明提供的上述技术方案可产生如下有益效果：

1)本发明改变传统关联成像基于空间编码的技术手段，通过对阵列光源各光源点进行独立时域编码，并结合时域相关运算，克服了传统空间关联成像方法对单帧照明光场的时长限制，将关联成像时间缩短到微秒量级，显著提升了关联成像效率。

2)本发明的时域编码序列采用互不相关的时域波形对各光源点进行调制编码，通过相关运算提取各光源点的回波信号，不仅避免了使用深度学习等耗时的解码方式，而且利用正交性显著增强成像系统的抗干扰能力。

3)由于不需要空间调制器，本发明的技术方案简化了传统关联成像系统的结构，提高系统的集成度。

附图说明

图1为本发明实施例快速关联成像使用的成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例逐像素时域编码快速关联成像方法的流程示意图；

图3为本发明实施例的互不相关的时域波形图；

图4为本发明实施例可控阵列光源在某时刻各光源点强度分布图；

图5为本发明实施例桶探测器探测到的时域回波信号；

图6为本发明实施例相关运算的结果图；以及

图7为本发明实施例获得的目标物体重构图像和原图对比图。

图中各标号表示：

1、可控阵列光源；2、光学元件；3、桶探测器；4、处理器；5、目标物体；11、光源点；51、表面空间点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

请参阅附图1和图2，图1为本发明实施例快速关联成像使用的成像系统的结构示意图，图2为本发明实施例逐像素时域编码快速关联成像方法的流程示意图。本发明实施例的逐像素时域编码快速关联成像方法，使用如附图1所示的计算关联成像系统对目标物体5进行图像重构。请参阅附图1，计算关联成像系统包括：可控阵列光源1、光学元件2、桶探测器3以及处理器4；可控阵列光源1，包括以阵列形式排列的光源点11，各光源点11发出的光相互独立；光学元件2，用于使不同的光源点11对应照射目标物体5不同的表面空间点51；桶探测器3，用于对可变照明光场照射目标物体5产生的回波进行时域分辨探测，输出时域回波信号；处理器4，与桶探测器3连接，用于将时域编码序列与时域回波信号进行关联计算，重构目标物体5的图像。

本发明实施例中，可控阵列光源1为LED或VECSEL激光器。光源点11发出的光为连续光，或脉冲光。

由附图2可知，该快速关联成像方法包括：

S101:生成时域编码序列；时域编码序列包括一组时域波形，各时域波形互不相关。

首先，根据采样数确定光源点11数量以及时域波形的长度。为了能产生互不相关的时域波形，本发明实施例中，构成时域波形的离散序列的长度为可控阵列光源1的光源点11的总数，在本发明其他实施例中，离散序列的长度可以为光源点11数量的倍数。该离散序列的长度也为关联成像的采样数。

互不相关的时域波形生成方式有很多种，比如基于不同周期的正/余弦函数(离散序列)。生成时域编码序列的方法还包括，对任意波形进行延拓获取非周期的时域波形，以使时域波形在时域上具有不完全的周期性。比如由一定长度的随机波形(离散序列)延拓产生。比如设置基本随机波形为1，2，1，1，将其重复得到周期波形1，2，1，1，1，2，1，1，1，2，1，1，1，2，1，1，……，或者采用其他方式延拓为1，2，1，1，2，4，2，2，3，6，3，3，4，8，4，4，……。总之，这些时域波形必须是具有特定时域变化规律的波形，以便于桶探测器3对各光源点11的回波信号进行相关运算。

请参阅附图3，图3为本发明实施例的互不相关的时域波形图。在本发明实施例中，首先生成多个长度为128的随机序列，并将其分别延拓为4096的离散序列，生成成图3(a)和图3(b)两种互不相关的时域波形。不相关随机变量是一类随机变量，是指相互间没有线性关系的随机变量。可在matlab中用corr2函数计算两函数(序列)的相关系数。图3中(a)和(b)的时域波形的相关系数为-0.0086，可近似认为相关系数为零，即不相关。

S102：将时域编码序列对应加载到可控阵列光源1，确切地说，是将互不相关的时域波形加载到可控阵列光源1的各光源点11，使光源点11和时域波形一一对应，各时域波形对各光源点11在时域上进行独立调制，生成可变照明光场照射目标物体5。见附图1中所示，不同的光源点11对应照射目标物体5不同的表面空间点51。

请参阅附图4，图4为本发明实施例可控阵列光源1在某时刻各光源点11强度分布图，在本发明实施例中，可控阵列光源1的阵列大小为64×64，各光源点11加载的用于调制幅度的时域波形在时域上的分辨率大概在纳秒，在本发明其他实施例中，也可以达到皮秒或飞秒量级。

S103:桶探测器3对可变照明光场照射目标物体5的回波进行时域分辨探测，生成时域回波信号。请参阅附图5，图5为本发明实施例桶探测器3探测到的时域回波信号。由图可知，单从时域回波信号中无法获取重构图像。

S104:将各时域波形分别和时域回波信号进行相关运算，对目标物体5进行图像重构。具体地，以光源点11的回波信号强度作为目标物体5对应表面空间点51的强度，重构目标物体5的图像。请参阅附图6，图6为本发明实施例相关运算的结果图。所得结果中相关峰值记录为像面上该空间点的强度信息，将其“填补”在图像中对应点处，即完成图像重构。特别地，桶探测器3的采样频率不小于光源点11数量。

在本发明实施例中，如果使用的时域波形为周期性变化的波形，各光源点11对应调制的时域波形具有不同的周期，对桶探测器3获取的时域回波信号可直接使用傅里叶变换，将其时域上的变化情况转换到时域上观察，可直接获取各频率成分对应的光源点11的回波强度，重构目标物体5。但这种方式需要信号很强，或者各光源点11的时域波形的频率范围远离环境噪声的频率。

根据本发明实施例的快速关联成像方法对目标物体5进行图像重构，获得重构图像如附图7所示，图7为本发明实施例获得的目标物体5重构图像和原图对比图。其中，图7(a)为目标物体5的原图，图7(b)为本发明实施例获取的目标物体5的重构图像。由图可知，本发明基于逐点像素编码实现了质量较佳的快速关联成像。

本发明实施例的快速关联成像方法，通过时域调制，将目标物体5的图像信息由空间强度变化转换为回波信号在时域的强度变化。通过时域调制的可变照明光场对目标物体5进行照射，使各光源点11的回波从桶探测器3的时域回波信号当中独立获取，从而利用探测结果进行图像重构。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种逐像素时域编码快速关联成像方法，该方法使用计算关联成像系统对目标物体进行图像重构，其特征在于，所述计算关联成像系统包括由相互独立的光源点阵列排列形成的可控阵列光源，所述快速关联成像方法包括，

S101:生成时域编码序列；所述时域编码序列包括一组时域波形，各所述时域波形互不相关；

S102：将互不相关的所述时域波形加载到所述可控阵列光源的各光源点，所述光源点和所述时域波形一一对应，各所述时域波形对各所述光源点在时域上进行独立调制，生成可变照明光场照射目标物体；

S103:所述桶探测器对所述目标物体的回波进行时域分辨探测，生成时域回波信号；

S104:将各所述时域波形分别和所述时域回波信号进行相关运算，对所述目标物体进行图像重构；

其中，不同的所述光源点对应照射所述目标物体不同的表面空间点。

2.根据权利要求1所述的快速关联成像方法，其特征在于，所述生成时域编码序列的方法还包括，根据采样数确定所述光源点数量以及所述时域波形的长度。

3.根据权利要求1所述的快速关联成像方法，其特征在于，所述生成时域编码序列的方法还包括，对任意波形进行延拓获取非周期的时域波形，以使所述时域波形在时域上具有不完全的周期性。

4.根据权利要求1所述的快速关联成像方法，其特征在于，所述光源点为脉冲光或连续光。

5.一种计算关联成像系统，该系统使用权利要求1所述的快速关联成像方法对目标物体成像，其特征在于，所述计算关联成像系统包括：

可控阵列光源、光学元件、桶探测器以及处理器；

所述可控阵列光源，包括以阵列形式排列的光源点，各所述光源点发出的光相互独立；所述可控阵列光源用于将各所述时域波形对应加载到各所述光源点进行时域调制，生成可变照明光场，以照射所述目标物体；各所述时域波形互不相关；

所述光学元件，用于使不同的所述光源点对应照射所述目标物体不同的表面空间点；

所述桶探测器，用于对所述可变照明光场照射所述目标物体产生的回波进行时域分辨探测，输出时域回波信号；

所述处理器，与所述桶探测器连接，用于将所述时域波形与所述时域回波信号进行相关运算，重构所述目标物体的图像。