CN206648650U - 一种基于差分的单像素成像硬件系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于差分的单像素成像硬件系统，包括：第一单像素传感器，用于接受已经调制完毕从待复原图像反射来的待测量信号光；第二单像素传感器，用于接受环境噪声和环境光；光功率采集装置，用于实现所述第一单像素传感器和所述第二单像素传感器采集数值的差分运算，实现无延迟的硬件差分运算，并保存测量值数据；所述第一单像素传感器和第二单像素传感器为同一型号且相互靠近设置。本实用新型使用同型号的两个单像素传感器接入到具有运算功能的光功率采集装置上，实现了测量值的差分运算，减小了环境噪声造成的扰动，增强了经典单像素成像系统对环境噪声及环境光线变化的鲁棒性。

Description

一种基于差分的单像素成像硬件系统

技术领域

本实用新型涉及目标检测识别与成像领域，尤其是涉及单像素成像硬件系统。

背景技术

2006年美国RICE大学的研究人员基于压缩感知理论首次成功研制出单像素相机，从实验上证明了人们可以使用更加简单廉价的传感器设备实现高分辨率图像信号采集的可能性。RICE大学的实验硬件结构也成为了单像素成像领域的典型硬件结构，多数压缩感知理论在图像处理方面的应用都是基于该硬件结构的优化。

在经典单像素成像实验过程中，来自原始图像漫反射的光线通过透镜投影到DMD上，由DMD根据已经设定好的程序将入射光进行选择性的偏转，将一部分光线通过另一透镜反射到单像素传感器上，通过模数转换器转换成数字信号由电脑控制采样，得到一系列的测量值，经过重建算法最后重建图像。

单像素系统的信号复原过程中，测量信号采集的准确性在很大程度上决定了信号复原的质量。在重复RICE大学经典单像素实验时可以发现，进行测量值采集时，由于光源射出的光受到原始图像漫反射、DMD反射、透镜损耗等影响，到达单像素传感器时，光的能量已经较小，直接导致测量值本身较小；测量基矩阵之间相似的反射率导致不同测量值之间值的变化较小。同时由于整套系统光路较长，环境噪声和环境光线变化对于测量值的影响较大，实验环境周围的人员走动都会对测量值造成不可逆转的影响，实验结果经常不稳定。该典型硬件结构本身对噪声和环境光线变化的不鲁棒直接限制了单像素系统的应用场景和复原效果。

实用新型内容

本实用新型为克服上述情况不足，提供了一种对环境噪声及环境光线变化具备很强的棒性的基于差分的单像素成像硬件系统，包括：

第一单像素传感器，用于接受已经调制完毕从待复原图像反射来的待测量信号光；

第二单像素传感器，用于接受环境噪声和环境光；

光功率采集装置，用于实现所述第一单像素传感器和所述第二单像素传感器采集数值的差分运算，并保存测量值数据；

所述第一单像素传感器和第二单像素传感器为同一型号且相互靠近设置。

优选的，还包括：LED光源，用于提供光源；DMD芯片，用于直接接收LED光源发出的入射光并反射入射光照在待复原图像上。

优选的，还包括第一透镜，用于汇聚从待复原图像反射来的待测量信号光。

本实用新型使用同型号的两个单像素传感器接入到具有运算功能的光功率采集装置上。其中第一单像素传感器正常接收来待复原图像反射过来的已调制好的光线，第二单像素传感器安置在旁边，接收环境的变化光线，环境噪声。具有运算功能的光功率采集装置内部将两个传感器传来的值进行相减，在不消耗系统计算资源的情况下一方面抵消环境变化和环境噪声带来的扰动，另一方面抵消机器自身的DC偏置，相减之后的值更加贴近于测量值的真实值，提高了信号精度。精确度更高的测量值向量使系统原始信号复原效果更好。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型所设计的一种基于差分的单像素成像硬件系统沿着光路径包括LED光源1、第一凸透镜2、DMD芯片3、第二凸透镜4、待复原图像5、第三凸透镜6、第一单像素传感器7、第二单像素传感器9、光功率采集装置8、PC机10。

LED光源1，用于提供光源。

DMD芯片3，用于直接接收LED光源1发出的入射光并反射入射光照在待复原图像5上。DMD是美国德州仪器公司(Ti)开发的一种反射型空间光调制器，它是由一系列可驱动的微小镜面组成，每个小镜面悬浮于一个单独的SRAM单元之上，可围绕一个固定铰链进行旋转。使用时可由随机数字发生器(RNG)控制每个微镜的方向，可在水平面上相对法线做+12°或-12°方向的偏转，可以设定+12°方向的偏转将入射光反射到单像素传感器上，-12°方向的偏转将入射光反射到整套系统之外，不参与系统工作。LED光源1所发出的光直接照射在DMD芯片3然后反射在待复原图像5上，相对原经典系统LED光源1所发出的光直接照射在待复原图像5经漫反射后再照在DMD芯片3上，光损耗大大降低，进而有效提高了图像复原的效果。

第一单像素传感器7，用于接受已经调制完毕从待复原图像5反射来的待测量信号光。

第二单像素传感器9，用于接受环境噪声和环境光的变化。

光功率采集装置8，用于实现所述第一单像素传感器7和所述第二单像素传感器9采集数值的差分运算，并保存测量值数据；

所述第一单像素传感器7和第二单像素传感器9为同一型号且相互靠近设置，目的是有效消除系统误差。

使用同型号的第一单像素传感器7和第二单像素传感器9接入到具有运算功能的光功率采集装置8上。其中第一单像素传感器7正常接收来待复原图像反射过来的已调制好的光线，第二单像素传感器9安置在旁边，接收环境的变化光线和环境噪声。具有运算功能的光功率采集装置8内部将两个传感器传来的值进行相减，在不消耗系统计算资源的情况下一方面抵消环境变化和环境噪声带来的扰动，另一方面抵消机器自身的DC偏置，相减之后的值更加贴近于测量值的真实值，提高了信号精度，增强了经典单像素成像系统对环境噪声及环境光线变化的鲁棒性。精确度更高的测量值向量使系统原始信号复原效果更好。

所述LED光源1和所述DMD芯片3之间设有第一凸透镜2，所述DMD芯片3和待复原图像5之间设有第二凸透镜4，待复原图像5和第一单像素传感器7设有第三凸透镜6，凸透镜的作用均是有效汇聚光，从而降低光损耗。相对于原经典实验创造性地增加了第三凸透镜6，进一步汇聚光，进而有效提高了图像复原的效果。

PC机10，用于将设计好的所述测量基矩阵上传至所述DMD芯片3。

该基于差分的单像素成像硬件系统的具体实现方法及步骤如下：

按照图1的放置方式放置各个硬件设备，调整光路使DMD芯片3其中一个反射角度的光线射向待复原图像5，另外一个反射角度的光线射向系统外。调整第一凸透镜2、第二凸透镜4和第三凸透镜6，使得由待复原图像5反射的光线可以聚焦到第一单像素传感器8平面上。将第一单像素传感器7和第二单像素传感器9分别接入光功率采集装置8。通过同轴线连接DMD芯片3和光功率采集装置8，将DMD芯片3设置为内部时钟触发，向外发送触发脉冲信号模式，将光功率采集装置8设置为外部触发方式，设置完成后测试两个硬件设备之间的同步情况。根据所需要复原图像的分辨率及采样率生成一系列测量基矩阵，将测量基矩阵通过USB线缆上传至DMD芯片3内的内存区域内。光功率采集装置8中设置结果存入机器自带缓存区域，等待结束后将差分好的测量值导入U盘。通过PC机10控制DMD芯片3开始整个实验，等待实验完成。将已经做完差分运算的测量值通过U盘拷出，从而可以进行PC机10的原始信号复原实验。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种基于差分的单像素成像硬件系统，其特征在于，包括：

第一单像素传感器，用于接受已经调制完毕从待复原图像反射来的待测量信号光；

第二单像素传感器，用于接受环境噪声和环境光的变化；

光功率采集装置，用于实现所述第一单像素传感器和所述第二单像素传感器采集数值的差分运算，并保存测量值数据；

所述第一单像素传感器和第二单像素传感器为同一型号且相互靠近设置。

2.根据权利要求1所述的基于差分的单像素成像硬件系统，其特征在于，还包括：

LED光源，用于提供光源；

DMD芯片，用于直接接收LED光源发出的入射光并反射入射光照在待复原图像上。

3.根据权利要求2所述的基于差分的单像素成像硬件系统，其特征在于，还包括第三透镜，用于汇聚从待复原图像反射来的待测量信号光。