KR102686707B1 - Ghost Image Acquisition Method and Electronic Device Using The Same - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이미지 획득 방법은 광원으로부터 나와 물체와 반응(통과 또는 반사)한 빛을 순차적으로 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 복수의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제1 고스트 이미지를 획득하는 단계, 상기 획득한 제1 고스트 이미지로부터 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 노이즈를 제거하는 단계, 상기 광원으로부터 나와 물체와 반응한 빛을 순차적으로 더 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 복수의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제2 고스트 이미지를 획득하는 단계, 및 상기 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하는 단계를 포함하고, 상기 광원의 빔 패턴은 상기 광 센서를 통해 빛의 세기를 측정하는 시점의 빔 패턴일 수 있다.The image acquisition method according to the present invention uses a ghost image acquisition method to generate a plurality of correlation data pairs consisting of the intensity of light sequentially measured by light coming from a light source and reacting (passing or reflecting) with an object and the beam pattern of the light source. 1 Obtaining a ghost image, removing noise from the acquired first ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model, and sequentially measuring the light intensity of the light coming out of the light source and reacting with the object and acquiring a second ghost image using a ghost image acquisition method on a plurality of correlation data pairs composed of the beam pattern of the light source, and Markov random field-based Bayesian noise using the first ghost image from which the noise has been removed as prior information. Removing noise from the second ghost image using a removal model, wherein the beam pattern of the light source may be a beam pattern at the time of measuring the intensity of light through the optical sensor.

Description

고스트 이미지 획득 방법 및 이를 이용한 전자 장치 { Ghost Image Acquisition Method and Electronic Device Using The Same }Ghost Image Acquisition Method and Electronic Device Using The Same }

본 발명은 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용한 고스트 이미지 획득 방법 및 이를 이용한 전자 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method of acquiring a ghost image using a Bayesian noise removal model and an electronic device using the same.

이미지(혹은 영상)은 일반적으로 물체와 반응한 빛을 2차원 광 센서로 수집해서 전기적 신호로 변환하는 과정을 통해 획득된다. 이와 달리 물체와 직접 반응하지 않은 빛으로도 이미지를 획득할 수 있는 방법이 비교적 최근 소개되었다. 존재하지 않는 물체를 촬영할 수 있다는 측면에서 이를 고스트 이미지(ghost image)라 부르며 그것을 획득하는 시스템, 처리 과정 등을 고스트 이미징(ghost imaging)이라고 일컫는다.Images (or videos) are generally obtained through the process of collecting light that reacts with an object with a two-dimensional optical sensor and converting it into an electrical signal. In contrast, a method that can acquire images even with light that does not directly react with the object was introduced relatively recently. In terms of being able to photograph non-existent objects, this is called a ghost image, and the system and processing process for acquiring it are called ghost imaging.

전통적인 고스트 이미징은 많은 양의 데이터를 처리해야 고품질의 이미지를 획득할 수 있다. 이에, 적은 양의 데이터로도 고품질의 고스트 이미지를 획득하기 위한 많은 연구들이 이루어졌다. 예를 들어, 물체의 크기가 배경에 비해 극도로 작은 경우 고스트 이미지의 SNR(signal to noise ratio) 향상을 위한 differential ghost imaging(DGI), normalized ghost imaging(NGI)을 고스트 이미지 획득 수식으로 이용하거나, 빛의 세기가 균일하지 않은 빔 패턴이 유발하는 노이즈를 보정해주기 위한 uniformly weighted ghost imaging(UWGI), uniformly weighted differential ghost imaging(UWDGI)을 고스트 이미지 획득 수식으로 이용하는 연구들이 이루어졌다. Traditional ghost imaging requires processing large amounts of data to obtain high-quality images. Accordingly, much research has been conducted to obtain high-quality ghost images even with a small amount of data. For example, if the size of the object is extremely small compared to the background, differential ghost imaging (DGI) or normalized ghost imaging (NGI) can be used as a ghost image acquisition formula to improve the SNR (signal to noise ratio) of the ghost image, or Studies have been conducted using uniformly weighted ghost imaging (UWGI) and uniformly weighted differential ghost imaging (UWDGI) as ghost image acquisition formulas to correct noise caused by beam patterns with uneven light intensity.

그 외에도 딥 러닝 기반의 고스트 이미징이 연구되고 있으나 딥 러닝의 특성상 학습되지 않은 물체에 대한 영상 획득이 어렵다는 한계가 있다.In addition, deep learning-based ghost imaging is being researched, but due to the nature of deep learning, there is a limitation that it is difficult to acquire images of untrained objects.

상관관계에 놓여 있는 두 빔을 이용한 고스트 이미징은 악조건에서 기존 이미징보다 높은 SNR 영상을 획득할 수 있다는 강점이 있다. 하지만, 높은 SNR 고스트 이미지 획득하기 위해서는 많은 양의 데이터를 필요로 하고, 이를 누적시켜야 해 많은 시간이 필요하다는 단점이 있다. Ghost imaging using two correlated beams has the advantage of being able to obtain higher SNR images than conventional imaging under adverse conditions. However, there is a disadvantage in that acquiring a high SNR ghost image requires a large amount of data and requires a lot of time to accumulate it.

본 발명에 따른 이미지 획득 방법은 광원으로부터 나와 물체와 반응(통과 또는 반사)한 빛을 순차적으로 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 복수의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제1 고스트 이미지를 획득하는 단계, 상기 획득한 제1 고스트 이미지로부터 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 노이즈를 제거하는 단계, 상기 광원으로부터 나와 물체와 반응한 빛을 순차적으로 더 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 복수의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제2 고스트 이미지를 획득하는 단계, 및 상기 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하는 단계를 포함하고, 상기 광원의 빔 패턴은 상기 광 센서를 통해 빛의 세기를 측정하는 시점의 빔 패턴일 수 있다. The image acquisition method according to the present invention uses a ghost image acquisition method to generate a plurality of correlation data pairs consisting of the intensity of light sequentially measured by light coming from a light source and reacting (passing or reflecting) with an object and the beam pattern of the light source. 1 Obtaining a ghost image, removing noise from the obtained first ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model, and sequentially measuring the light intensity of the light coming out of the light source and reacting with the object and acquiring a second ghost image using a ghost image acquisition method on a plurality of correlation data pairs composed of the beam pattern of the light source, and Markov random field-based Bayesian noise using the first ghost image from which the noise has been removed as prior information. Removing noise from the second ghost image using a removal model, wherein the beam pattern of the light source may be a beam pattern at the time of measuring the intensity of light through the optical sensor.

본 발명에 따른 이미지 획득 장치는 빛의 세기를 측정하는 광 센서, 및 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 광원으로부터 나와 물체와 반응(통과 또는 반사)한 빛을 상기 광 센서를 통해 순차적으로 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 복수의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제1 고스트 이미지를 획득하고, 상기 획득한 제1 고스트 이미지로부터 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 노이즈를 제거하고, 상기 광원으로부터 나와 물체와 반응한 빛을 상기 광 센서를 통해 순차적으로 더 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 복수의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제2 고스트 이미지를 획득하고, 및 상기 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하고, 상기 광원의 빔 패턴은 상기 광 센서를 통해 빛의 세기를 측정하는 시점의 빔 패턴일 수 있다.The image acquisition device according to the present invention includes an optical sensor that measures the intensity of light, and a processor, and the processor sequentially measures light that comes from a light source and reacts (passes or reflects) with an object through the optical sensor. A first ghost image is acquired using a ghost image acquisition method on a plurality of correlated data pairs consisting of the light intensity and the beam pattern of the light source, and noise is removed from the obtained first ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model. Remove the light coming out of the light source and reacting with the object, sequentially measuring the light intensity through the optical sensor and using a ghost image acquisition method to obtain a second ghost using a plurality of correlation data pairs consisting of the beam pattern of the light source. An image is acquired, and noise is removed from the second ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model using the noise-removed first ghost image as prior information, and the beam pattern of the light source is set to the optical sensor. It may be a beam pattern at the time of measuring the intensity of light.

본 발명에 따르면, 비교적 적은 양의 데이터로도 SNR이 높은 이미지를 획득할 수 있다. According to the present invention, an image with high SNR can be obtained even with a relatively small amount of data.

본 발명에 따르면, SNR이 높은 이미지를 짧은 시간 내에 획득할 수 있다. According to the present invention, images with high SNR can be acquired in a short time.

본 발명은 준열광원과 Hanbury-Brown and Twiss 간섭계 구조의 특성을 갖는 고전 고스트 이미징뿐 아니라 디지털 미소 반사 표시기 (Digital micromirror device) 또는 공간 광변조 장치(Spatial light module)를 이용한 컴퓨팅 고스트 이미징 (Computational ghost imaging)에도 적용될 수 있다. 그 외, 방사선을 이용한 비파괴검사 등과 같이 시간에 따른 픽셀 별 누적된 데이터를 이용해 영상을 획득하는 기존의 이미징 기술 분야에도 적용될 수 있다. The present invention provides not only classical ghost imaging with the characteristics of a quasi-thermal light source and a Hanbury-Brown and Twiss interferometer structure, but also computational ghost imaging using a digital micromirror device or spatial light module. ) can also be applied. In addition, it can be applied to existing imaging technology fields that acquire images using accumulated data for each pixel over time, such as non-destructive testing using radiation.

본 발명은 악조건 상황에서의 높은 품질의 영상 획득을 요구로 하는 군사용 라이다(LiDAR), 자율 주행자동차, 바이오 이미징, 우주 망원경 등의 다양한 분야에서 활용될 수 있다. The present invention can be used in various fields such as military LiDAR, self-driving cars, bio-imaging, and space telescopes that require high-quality image acquisition in adverse conditions.

도 1은 고스트 이미징 시스템(100)의 일 예를 나타낸 것이다.
도 2a는 이미지 처리 장치(180)가 수행하는 순서도의 일 예를 나타낸 것이고, 도 2b는 도 2a의 각 단계에서 도출된 이미지의 일 예를 나타낸 것이다.
도 3은 일 예로 MRF의 다양한 구조 중 은닉 마르코프 랜덤 필드(Hidden MRF, HMRF)를 나타낸 것이다.
도 4는 유사열광원을 이용해 실제 측정한 랜덤 빔 패턴을 기반으로 고스트 이미지를 획득하는 시뮬레이션의 과정을 나타낸 것이다.
도 5 내지 7은 누적 데이터 수에 따른 TGI, DGI, UWDGI, CGI 및 본 발명에서 제안하는 방법(BDGI)을 통해 획득한 바이너리 고스트 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 각 물체에 대한 최대 신호 대 잡음 비(peak signal-to-noised ratio, PSNR)와 structural similarity index measure(SSIM)을 나타낸 것이다.
도 9 및 10은 누적 데이터 수에 따른 TGI, DGI, UWDGI, CGI 및 본 발명으로 제안한 방법(BDGI)을 통해 획득한 흑백 스케일의 고스트 이미지를 나타낸 것이다.
도 11은 도 9 및 10에서 보여진 결과에 대한 정량적인 분석 결과를 나타낸 것이다.
Figure 1 shows an example of a ghost imaging system 100.
FIG. 2A shows an example of a flow chart performed by the image processing device 180, and FIG. 2B shows an example of an image derived from each step of FIG. 2A.
Figure 3 shows a hidden Markov random field (Hidden MRF, HMRF) among various structures of MRF as an example.
Figure 4 shows the simulation process of acquiring a ghost image based on a random beam pattern actually measured using a pseudo-thermal light source.
5 to 7 show binary ghost images obtained through TGI, DGI, UWDGI, CGI, and the method proposed by the present invention (BDGI) according to the accumulated data number.
Figure 8 shows the peak signal-to-noise ratio (PSNR) and structural similarity index measure (SSIM) for each object.
Figures 9 and 10 show black-and-white scale ghost images obtained through TGI, DGI, UWDGI, CGI, and the method proposed by the present invention (BDGI) according to the accumulated data number.
Figure 11 shows quantitative analysis results for the results shown in Figures 9 and 10.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are for descriptive purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the embodiments belong. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense unless explicitly defined in the present application. No.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, the following examples only illustrate the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.

도 1은 고스트 이미징 시스템(100)의 일 예를 나타낸 것이다.Figure 1 shows an example of a ghost imaging system 100.

도 1을 참조하면, 고스트 이미징 시스템(100)은 두 개의 광 센서(130, 140) 및 이미지 처리 장치(180)를 포함할 수 있다. 광원부(110)에서 나온 빛은 빔 스플릿터(120)를 지나 정해진 비율(예: 50:50)로 그 세기가 나뉘어 각 빔 경로에 위치한 광 센서(130, 140)로 입사할 수 있다. 빔 경로는 물체(150)가 놓여있는 경로(160)와 물체가 존재하지 않는 경로(170)로 구별될 수 있다. 물체(150)가 놓여있는 경로(160)는 objective arm으로 칭해질 수 있으며, objective arm(160)에 위치한 광 센서(140)는 물체와 반응한 빛의 세기를 측정할 수 있는 센서로, 예를 들어, 버켓 디텍터, 포토 다이오드 기반의 광 센서, 화소 기반의 카메라(pixelized camera) 중 적어도 하나일 수 있다. 물체가 존재하지 않는 경로(170)는 reference arm으로 칭해질 수 있으며, reference arm(170)에 위치한 광 센서(130)는 수신된 빛의 빔 패턴을 측정할 수 있는 센서로, 예를 들어, CCD(charge couple device) 카메라, CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 카메라, 화소 기반의 카메라 중 적어도 하나일 수 있다. 이미지 처리 장치(180)는 프로세서를 포함하며, objective arm(160)과 reference arm(170)을 통해 수신된 빛을 처리할 수 있다. 이미지 처리 장치(180)는 이하에서 설명하는 동작을 처리할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the ghost imaging system 100 may include two optical sensors 130 and 140 and an image processing device 180. Light emitted from the light source unit 110 may pass through the beam splitter 120, have its intensity divided by a predetermined ratio (e.g., 50:50), and enter the optical sensors 130 and 140 located in each beam path. The beam path can be divided into a path 160 where the object 150 is placed and a path 170 where the object does not exist. The path 160 along which the object 150 is placed may be referred to as an objective arm, and the optical sensor 140 located on the objective arm 160 is a sensor that can measure the intensity of light reacting with the object, for example. For example, it may be at least one of a bucket detector, a photodiode-based optical sensor, and a pixelized camera. The path 170 where no object exists may be referred to as a reference arm, and the optical sensor 130 located on the reference arm 170 is a sensor capable of measuring the beam pattern of received light, for example, a CCD It may be at least one of a (charge couple device) camera, a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) camera, and a pixel-based camera. The image processing device 180 includes a processor and can process light received through the objective arm 160 and the reference arm 170. The image processing device 180 can process operations described below.

일 실시예에 따르면, 디지털 미소 반사 표시기 또는 공간 광변조 장치를 이용한 컴퓨팅 고스트 이미징 시스템에서는 광원에 대한 정보를 미리 알 수 있어 reference arm(170)을 통한 빔 패턴을 측정하지 않을 수 있다. 따라서, 빔 스플릿터(120) 및/또는 광 센서(130)가 생략될 수 있다.According to one embodiment, in a computing ghost imaging system using a digital micro-reflective indicator or a spatial light modulation device, information about the light source can be known in advance, so the beam pattern through the reference arm 170 may not be measured. Accordingly, the beam splitter 120 and/or the optical sensor 130 may be omitted.

이하에서 빔 스플릿터(120)에 의해 빛의 세기가 50:50으로 나뉜다고 가정한다.Hereinafter, it is assumed that the light intensity is divided 50:50 by the beam splitter 120.

동일한 시점 t에서 각 빔 경로(160, 170) 내 빔 패턴()은 빔 스플릿터(120)에서 50:50으로 세기가 나뉘고, 동일한 거리(Z1 = Z2)에 2D 카메라(130) 및 물체(150)가 위치할 때 각 빔 패턴은 서로 동일하다. 빔 패턴은 물체와 반응한 이후의 빛의 세기 신호를 의미하고, 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다. The beam pattern ( ) is divided in intensity 50:50 in the beam splitter 120, and when the 2D camera 130 and the object 150 are located at the same distance (Z 1 = Z 2 ), each beam pattern is the same. The beam pattern refers to the light intensity signal after reacting with an object, and can be expressed as [Equation 1] below.

[수학식 1][Equation 1]

= d = d

여기서, 은 각각 광 센서(130) 및 물체(150)의 위치를 가리킨다. 은 빔 패턴과 물체의 반응 함수(투과(transmission) 또는 반사(reflection))를 나타내고, 적분은 2차원 평면 형태의 광원 모두에서의 반응들을 단일 픽셀 버켓 디텍터(140)로 수집하는 과정을 나타낸 것이다. here, and indicates the positions of the optical sensor 130 and the object 150, respectively. represents the response function (transmission or reflection) of the beam pattern and the object, and integration represents the process of collecting responses from all two-dimensional planar light sources with the single pixel bucket detector 140.

빔 패턴은 objective arm(160)을 통해 버켓 디텍터(140)로 수신될 수 있고, 동일한 빔 패턴은 reference arm(170)을 통해 광 센서(130)로 수신될 수 있다. 버켓 디텍터(140)로 수신된 신호는 스칼라 신호(B)일 수 있고, 광 센서(130)로 수신된 신호는 빔 패턴()일 수 있다. 고스트 이미지는 빔 스플릿터(120)에서 50:50의 세기로 나뉘어 동일 시점 t에 얻은 두 신호 B, 의 공간 상관 관계를 이용하여 구할 수 있다. 고스트 이미지는 [수학식 2]와 같이 두 광 센서(130, 140)로부터 획득한 스칼라 값(B)와 빔 패턴(의 공분산으로 구할 수 있으며, reference arm(170)의 빔 패턴()을 objective arm(160)의 빛 세기 신호(B)로 가중시킨 것의 누적된 영상이다.The beam pattern may be received by the bucket detector 140 through the objective arm 160, and the same beam pattern may be received by the optical sensor 130 through the reference arm 170. The signal received by the bucket detector 140 may be a scalar signal (B), and the signal received by the optical sensor 130 may be a beam pattern ( ) can be. The ghost image is divided into two signals B, obtained at the same time point t, divided by the intensity of 50:50 in the beam splitter 120, It can be obtained using the spatial correlation of . The ghost image is a scalar value (B) and a beam pattern (B) obtained from the two optical sensors (130, 140) as shown in [Equation 2] It can be obtained by the covariance of , and the beam pattern of the reference arm (170) ( ) is an accumulated image weighted by the light intensity signal (B) of the objective arm (160).

[수학식 2][Equation 2]

= =

where , N is the number of measurementswhere , N is the number of measurements

상술한 바와 같이, 고스트 이미징은 빛 세기의 상관 관계를 이용하여 물체와 직접 반응하지 않은 빛 패턴으로부터 물체 영상을 획득해낼 수 있는 새로운 이미징 방법이다. 높은 신호 대 잡음 비의 영상 획득을 방해하는 대표적인 원인으로 빔 경로에 위치한 산란 매질(medium)로 인한 영상 흐림(image blur) 현상이 있다. 영상 흐림은 빔 경로 내에 물체 이외의 불순물로 인해 광 센서에서 물체와의 반응 함수를 정확히 획득하지 못해 영상 내 목표 물체의 경계가 명확치 않게 되는 현상이다. SNR 저하의 또 다른 원인은 물체와 반응하는 빛의 선속의 양 자체가 적은 저조도 광원이다. 이는 말그대로 물체와 반응한 빛의 양이 적어 영상 내에 물체가 드러나지 않는 것을 의미한다. 고스트 이미징은 산란 매질 및 저조도 광원으로 발생하는 영상 품질 저하에 기존 이미징 방법보다 견고성을 보이는 특성을 갖고 있다. As described above, ghost imaging is a new imaging method that can obtain an image of an object from a light pattern that does not directly react with the object using the correlation of light intensity. A typical cause that hinders the acquisition of images with a high signal-to-noise ratio is image blur caused by the scattering medium located in the beam path. Image blur is a phenomenon in which the boundary of the target object in the image becomes unclear due to the optical sensor's inability to accurately obtain a response function with the object due to impurities other than the object in the beam path. Another cause of SNR deterioration is a low-illuminance light source in which the amount of light flux reacting with the object is small. This literally means that the amount of light reacting with the object is small, so the object is not revealed in the image. Ghost imaging has the characteristic of being more robust than existing imaging methods to image quality degradation caused by scattering media and low-illuminance light sources.

이상에서는 reference arm(170)을 통한 빔 패턴을 측정하는 경우를 설명하나, 컴퓨팅 고스트 이미징 시스템과 같이 직접 광원의 빔 패턴을 측정하지 않더라도 알 수 있는 경우에도 적용될 수 있다. The above describes the case of measuring the beam pattern through the reference arm 170, but it can also be applied to cases where the beam pattern of the light source can be known even without directly measuring it, such as in a computing ghost imaging system.

도 2a는 이미지 처리 장치(180)가 수행하는 순서도의 일 예를 나타낸 것이고, 도 2b는 도 2a의 각 단계에서 도출된 이미지의 일 예를 나타낸 것이다.FIG. 2A shows an example of a flow chart performed by the image processing device 180, and FIG. 2B shows an example of an image derived from each step of FIG. 2A.

도 2a를 참조하면, 이미지 처리 장치(180)는 광원으로부터 나와 물체와 반응(통과 또는 반사)한 빛을 순차적으로 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 복수의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제1 고스트 이미지(Yi)를 획득할 수 있다(S201). 이미지 처리 장치(180)는 광원의 빔 패턴을 직접 측정할 수도 있지만, 광원의 빔 패턴을 알고 있는 경우 측정하지 않을 수 있다. 여기서, 광원으로부터 나온 빛이 물체와 반응해 광 센서로 수신되는 경로가 objective arm(160)이고, 광원으로부터 나온 빛이 물체와 반응하지 않고 광 센서로 수신되는 경로는 reference arm(170)이 될 수 있다. 구체적으로, 이미지 처리 장치(180)는 objective arm(160) 및 reference arm(170) 각각을 통해 순차적으로 데이터를 수신할 수 있다. 또는 이미지 처리 장치(180)는 광원의 빔 패턴을 아는 경우 objective arm(170)을 통해서만 순차적으로 데이터를 수신할 수 있다. 이미지 처리 장치(180)는 동시에 수신된 또는 동시에 수신된 것으로 판단되는 시점의 데이터를 상관 데이터 쌍(objective arm(160)을 통해 수신한 데이터, reference arm(170)을 통해 수신한 데이터)으로 관리(또는 처리)할 수 있다. objective arm(160)을 통해 수신한 데이터는 빛 세기이고, reference arm(170)을 통해 수신한 데이터는 빔 패턴일 수 있다. 이미지 처리 장치(180)는 복수의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제1 고스트 이미지를 획득할 수 있다. 제1 고스트 이미지는 reference arm(170)을 통해 수신한 또는 이미 아는 빔 패턴을 objective arm(160)을 통해 수신한 빔 세기로 가중시킨 것을 누적하는 고스트 이미지 획득 방법을 이용하여 획득할 수 있다. 이미지 처리 장치(180)는 예를 들어, 수신한 100개의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 하나의 고스트 이미지를 획득할 수 있다.Referring to FIG. 2A, the image processing device 180 stores a ghost image in a plurality of correlation data pairs consisting of the intensity of light sequentially measured from the light that comes out of the light source and reacts (passes or reflects) with the object and the beam pattern of the light source. The first ghost image (Y i ) can be acquired using an acquisition method (S201). The image processing device 180 may directly measure the beam pattern of the light source, but may not measure it if the beam pattern of the light source is known. Here, the path through which the light from the light source reacts with the object and is received by the light sensor is the objective arm (160), and the path through which the light from the light source does not react with the object and is received by the light sensor can be the reference arm (170). there is. Specifically, the image processing device 180 may sequentially receive data through each of the objective arm 160 and the reference arm 170. Alternatively, the image processing device 180 can sequentially receive data only through the objective arm 170 if the beam pattern of the light source is known. The image processing device 180 manages data received simultaneously or at a point in time determined to have been received simultaneously as a correlation data pair (data received through the objective arm 160, data received through the reference arm 170). or processing). Data received through the objective arm 160 may be light intensity, and data received through the reference arm 170 may be a beam pattern. The image processing device 180 may acquire a first ghost image using a ghost image acquisition method for a plurality of correlated data pairs. The first ghost image can be acquired using a ghost image acquisition method that accumulates the beam pattern received through the reference arm 170 or already known, weighted by the beam intensity received through the objective arm 160. For example, the image processing device 180 may acquire one ghost image using a ghost image acquisition method for 100 received correlation data pairs.

이미지 처리 장치(180)는 획득한 제1 고스트 이미지로부터 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 노이즈를 제거할 수 있다(S203). 구체적으로, 이미지 처리 장치(180)는 획득한 제1 고스트 이미지(Yi)를 이진화된 이미지로 초기화할 수 있다. 이미지 처리 장치(180)는 이진화된 이미지에 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용하여 노이즈를 제거한 이미지(Xi+1)를 획득할 수 있다. 노이즈가 제거된 이미지(Xi+1)는 다음 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용시 베이지안 노이즈 제거 모델의 결합 확률분포(joint probability distribution), P(x,y)을 모델링하기 위한 사전 정보(Prior)로 이용될 수 있다.The image processing device 180 may remove noise from the acquired first ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model (S203). Specifically, the image processing device 180 may initialize the acquired first ghost image Y i into a binarized image. The image processing device 180 may obtain an image (X i+1 ) from which noise has been removed from the binarized image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model. The noise-removed image (X i+1 ) is the prior information ( Prior).

이미지 처리 장치(180)는 광원으로부터 나와 물체와 반응한 빛을 순차적으로 더 측정한 빛의 세기와 광원의 빔 패턴으로 구성된 복수의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제2 고스트 이미지(Yi+1)를 획득할 수 있다(S205). 이미지 처리 장치(180)는 S201과 같은 방식으로 제2 고스트 이미지(Yi+1)를 획득할 수 있다.The image processing device 180 creates a second ghost image (Y i +1 ) can be obtained (S205). The image processing device 180 may acquire the second ghost image (Y i+1 ) in the same manner as S201.

이미지 처리 장치(180)는 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거할 수 있다(S207). 마르코프 랜덤 필드는 은닉 마르코프 랜덤 필드일 수 있다. 이미지 처리 장치(180)는 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델의 결합 확률 분포를 모델링하기 위한 사전 정보로 이용해 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거할 수 있다. The image processing device 180 may remove noise from the second ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model using the first ghost image from which the noise has been removed as prior information (S207). The Markov random field may be a hidden Markov random field. The image processing device 180 may remove noise from the second ghost image by using the first ghost image from which the noise has been removed as prior information for modeling the joint probability distribution of the Markov random field-based Bayesian noise removal model.

구체적으로, 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용한 노이즈 제거 방법은 제2 고스트 이미지를 바이너리 이미지 혹은 흑백 스케일의 이미지로 변환하고, 제1 고스트 이미지를 이용해 깁스 샘플링하고, 깁스 샘플링으로 사후 확률을 계산하여 마스크(M)를 생성하고, 생성한 마스크를 이용하여 변환된 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거할 수 있다. 도 2b는 각 단계별로 생성된 영상을 나타낸 것이다. 보다 구체적인 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델은 이하에 설명된다.Specifically, the noise removal method using the Markov random field-based Bayesian noise removal model converts the second ghost image into a binary image or a black-and-white scale image, performs Gibbs sampling using the first ghost image, and calculates the posterior probability using Gibbs sampling. Thus, a mask M can be generated, and noise can be removed from the converted second ghost image using the generated mask. Figure 2b shows images generated at each stage. A more specific Markov random field-based Bayesian noise removal model is described below.

이미지 처리 장치(180)는 광원으로부터 나와 물체와 반응(통과 또는 반사)한 빛을 순차적으로 더 측정한 빛의 세기와 광원의 빔 패턴으로 구성된 복수의 상관 데이터 쌍에 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제3 고스트 이미지를 획득하고, 노이즈가 제거된 제2 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 제3 고스트 이미지로부터 노이즈를 더 제거할 수 있다. 이미지 처리 장치(180)는 반복하여 고스트 이미지를 더 획득하고, 직전에 노이즈를 제거한 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 더 획득한 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거할 수 있다. The image processing device 180 uses a ghost image acquisition method to generate a third image using a ghost image acquisition method on a plurality of correlation data pairs consisting of the light intensity and the beam pattern of the light source, which are sequentially measured for the light that comes out of the light source and reacts (passes or reflects) with the object. A ghost image can be acquired, and noise can be further removed from the third ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model using the noise-removed second ghost image as prior information. The image processing device 180 repeatedly acquires more ghost images and removes noise from the additionally acquired ghost images using a Markov random field-based Bayesian noise removal model that uses the ghost image from which noise was just removed as prior information. .

이하에서는 상술한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델에 대해 자세히 설명한다. Below, the above-described Markov random field-based Bayesian noise removal model will be described in detail.

베이지안 추론(Bayesian inference)은 [수학식 3]으로 표현되는 베이즈 정리(Bayesian theorem)에 기반한 통계적 추론의 한 방법으로, 파라미터 X에 대한 측정 데이터 Y의 가능도(likelihood)(P(Y|X))와 추론하고자 하는 파라미터 X에 대한 사전 정보(P(X))를 통해 사후 확률(P(X|Y))을 추론하는 방법이다. Bayesian inference is a method of statistical inference based on the Bayesian theorem expressed in [Equation 3], where the likelihood of measurement data Y for parameter ))) and the posterior probability (P(X|Y)) through prior information (P(X)) about the parameter X to be inferred.

[수학식 3][Equation 3]

이미지의 노이즈 제거에 관한 모델링에 베이지안 추론을 적용하는 경우, X는 노이즈가 없는 이미지(원본 이미지), Y는 노이즈를 포함하는 이미지(획득한 이미지)로 가정할 수 있다. 자연물에 대한 이상적인 이미지는 인접한 픽셀들 간에 유사한 픽셀 값을 갖지만, 다양한 원인으로 유발되는 노이즈는 인접 픽셀 간 값에 차이를 발생시켜 영상 품질을 저해할 수 있다. 여기서, 픽셀 값은 빛의 세기(intensity)를 의미하며, 다양한 방법 및 단위로 빛의 세기를 나타낼 수 있다. 이러한 이미지 특성을 나타낼 수 있는 대표적인 확률 모델로 마르코프 랜덤 필드(Markov random field, MRF)가 있다. MRF은 그래픽 모델의 한 종류로, 상호 종속적이고 많은 양의 랜덤 변수로 구성되어져 직접적으로 계산하기 어려운 결합 확률 분포(예컨대 P(X={x1…xn}|Y))를 근사적으로 연산할 수 있는 확률론적 모델이다. 이러한 마르코프 성질에 기반한 조건부 독립 구조는 다차원 공간의 분포를 분해된 차원 공간으로 표현하게 할 수 있다.When applying Bayesian inference to modeling for image noise removal, X can be assumed to be an image without noise (original image), and Y can be assumed to be an image containing noise (acquired image). An ideal image of a natural object has similar pixel values between adjacent pixels, but noise caused by various causes can cause differences in values between adjacent pixels, deteriorating image quality. Here, the pixel value means the intensity of light, and the intensity of light can be expressed in various ways and units. A representative probability model that can represent these image characteristics is the Markov random field (MRF). MRF is a type of graphical model that approximates a joint probability distribution (e.g., P(X={x 1 It is a probabilistic model that can be done. This conditional independence structure based on Markov properties can allow the distribution of a multidimensional space to be expressed as a decomposed dimensional space.

도 3은 일 예로 MRF의 다양한 구조 중 은닉 마르코프 랜덤 필드(Hidden MRF, HMRF)를 나타낸 것이다.Figure 3 shows a hidden Markov random field (Hidden MRF, HMRF) among various structures of MRF as an example.

은닉 마르코프 랜덤 필드에서 이미지의 각 픽셀은 노드(node)라고 불리는 하나의 랜덤 변수이다. 마르코프 성질에 따르면 노이즈가 없는 이미지(X)의 하나의 픽셀(xij)(즉, 노드)은 4개의 인접 노드들(x'ij ∈ N(xij,yij))과 그에 ∈상응하는 관측치 (yij∈ N(xij,yij)) 노드에만 종속된다. 여기서, 이웃 노드들의 집합(xij mb)은 마르코프 담요(Markov blanket)로 불릴 수 있다. 예를 들어, 노이즈가 없는 이미지(X)의 하나의 픽셀(x22)(301)의 이웃 노드들의 집합(x22 mb)은 {y22(311), x12(303), x21(305), x23(307), x32(309)}이다. 반면, 나머지 노드와는 조건부 독립적인 관계(xij⊥R(xij))에 있다. 이에 따라 [수학식 3]의 사후 확률은 [수학식 4]와 같이 분해하여 나타낼 수 있다.In a hidden Markov random field, each pixel in the image is a random variable called a node. According to the Markov property, one pixel (x ij ) (i.e., node) in a noise-free image (X) has four adjacent nodes (x' ij ∈ N(x ij ,y ij )) and ∈ corresponding observations. (y ij ∈ N(x ij ,y ij )) Depends only on nodes. Here, the set of neighboring nodes (x ij mb ) may be called a Markov blanket. For example, the set of neighboring nodes (x 22 mb ) of one pixel (x 22 ) (301) in a noise-free image (X) is {y 22 (311), x 12 (303), x 21 (305) ), x 23 (307), x 32 (309)}. On the other hand, it has a conditional independent relationship with the remaining nodes (x ij ⊥R(x ij )). Accordingly, the posterior probability of [Equation 3] can be decomposed and expressed as [Equation 4].

[수학식 4][Equation 4]

여기서, 이고, h는 이미지의 높이를 픽셀로 나타낸 수, w는 이미지의 너비를 픽셀로 나타낸 수, α와 β는 하이퍼파라미터, C는 클리크(clique)이다. here, , h is the number representing the height of the image in pixels, w is the number representing the width of the image in pixels, α and β are hyperparameters, and C is the clique.

[수학식 4]에서, 은 하나의 극대 클리크 (maximal clique)에 속해 있는 모든 노드의 집합을 의미하며, 각각의 서로 다른 노드는 반드시 서로 종속 관계에 있다. 여기서 극대 클리크는 더 이상 노드를 추가할 수 없고 서로 다른 두 개의 노드가 반드시 하나의 변으로 연결된 그래프를 가리킨다. 은 두 항(, )으로 다시 표현될 수 있다. 여기서 첫 번째 항 은 노이즈를 포함하는 이미지(y) 내 어떤 픽셀 값과 노이즈를 포함하지 않는 이미지(x)의 해당 픽셀과의 관계를 나타내며 데이터 비용 함수(data cost function) 혹은 단항(unary term)으로 불릴 수 있다. 두 번째 항 은 노이즈를 포함하지 않는 이미지(x) 내 어떤 픽셀(xij)과 그 이웃 픽셀(xij')의 유사도를 나타내는 매끄러운 함수(smooth function) 혹은 이항(binary term)으로 불릴 수 있다. 두 항은 각각 베이즈 정리에서 가능도(P(Y|X))와 사전 정보(P(X))에 상응하며 하이퍼파라미터(α, β)로 그 비중을 결정할 수 있다.In [Equation 4], means a set of all nodes belonging to one maximal clique, and each different node is necessarily dependent on each other. Here, the maximum clique refers to a graph in which no more nodes can be added and two different nodes must be connected by one edge. There are two terms ( , ) can be re-expressed as Here the first term represents the relationship between a pixel value in an image (y) containing noise and a corresponding pixel in an image (x) that does not contain noise, and may be called a data cost function or unary term. second term can be called a smooth function or a binary term that represents the similarity between a pixel (x ij ) and its neighboring pixel (x ij ') in an image (x) that does not contain noise. The two terms correspond to likelihood (P(Y|

한편, 픽셀 값의 범위가 넓을수록 사후 확률 추론 계산을 위해 많은 연산을 필요로 한다. 이에 물질의 자성을 간단히 기술하는 모형으로서 제안된 이징 모형(Ising model)을 본 발명에 적용할 수 있다. 이징 모형은 주변확률(marginal probability, Z(y))을 상대적으로 간단하게 만들어 사후 확률 계산을 용이하게 해준다.Meanwhile, the wider the range of pixel values, the more operations are required to calculate the posterior probability inference. Accordingly, the Ising model, which was proposed as a model that simply describes the magnetism of materials, can be applied to the present invention. The Easing model makes the marginal probability (Z(y)) relatively simple, making it easier to calculate posterior probabilities.

본 발명은 이미지를 구성하는 각각의 픽셀 값을 -1 또는 1 을 갖는 바이너리 이미지로 가정한다. 이징 모형의 특성을 고려하여 데이터 비용 함수는 (xij,yij)=xijХyij으로, 매끄러운 함수는 (xij,x'ij)=xijХx'ij으로 설정할 때 [수학식 5]와 같은 사후 확률 모델을 만들 수 있다.The present invention assumes that each pixel constituting the image is a binary image with a value of -1 or 1. Considering the characteristics of the easing model, the data cost function is (x ij ,y ij )=x ij Хy ij and the smooth function is When setting (x ij ,x' ij )=x ij Хx' ij , a posterior probability model such as [Equation 5] can be created.

[수학식 5][Equation 5]

이때 노이즈가 없는 이미지의 한 픽셀(xij)이 1의 값을 가질 확률은 아래의 [수학식 6]과 같을 수 있다.At this time, the probability that one pixel (x ij ) in the noise-free image has a value of 1 may be equal to [Equation 6] below.

[수학식 6][Equation 6]

[수학식 6]은 마르코프체인 몬테칼로 방법의 한 종류인 깁스 샘플링(Gibbs sampling)으로, 마르코프체인 몬테칼로(Markov chain Monte Carlo, MCMC) 방법은 베이지안 추론 문제에서 사후 확률 계산을 위해 사용되어지는 대표적인 샘플링 방법이다. 깁스 샘플링은 확률 변수들 간의 조건부 확률이 주어졌을 때 전체 표본이 아닌 각 랜덤 변수 별로 샘플링하여 효과적으로 모수를 추정할 수 있다. 본 발명에서는 깁스 샘플링을 통해 추정되는 노이즈가 없는 이미지의 한 픽셀의 값이 1일 확률을 나타내는 분포 P(xij=1 | yij)를 계산할 수 있다.[Equation 6] is Gibbs sampling, a type of Markov chain Monte Carlo method, and the Markov chain Monte Carlo (MCMC) method is a representative method used to calculate posterior probabilities in Bayesian inference problems. It is a sampling method. Gibbs sampling can effectively estimate parameters by sampling each random variable rather than the entire sample when conditional probabilities between random variables are given. In the present invention, it is possible to calculate a distribution P(x ij =1 | y ij ) representing the probability that the value of one pixel in a noise-free image estimated through Gibbs sampling is 1.

이렇게 구한 사후 확률은 노이즈가 있는 이미지의 노이즈 제거를 위한 마스크로 이용될 수 있다. 이때 획득하고자 하는 이미지가 바이너리 이미지인 경우, 사후 확률에 대하여 특정 임계값 이상의 값일 때 1, 그렇지 않은 경우, -1로 각 픽셀 값을 변환하여 바이너리 디노이징 마스크(binary denoising mask) M을 획득할 수 있다. 반면, 획득하고자 하는 이미지가 0~255 사이의 값을 갖는 흑백 스케일(Gray-scale)의 이미지인 경우, 0~1 사이의 확률 값으로 이루어진 사후 확률 이미지 자체를 흑백 마스크(Gray-scale mask) M으로 활용할 수 있다. 이렇게 획득한 마스크에 가우시안 커널(Gaussian kernal)을 적용해 주변 픽셀 간의 값이 유사하도록 변형된 마스크, G(M)를 생성할 수 있다. 최종적으로 이러한 노이즈가 제거된 이미지(denoised image)를 기존의 입력 노이즈 이미지에 투영(G(M)ХY)시켜 추정 이미지(X)를 얻을 수 있다.The posterior probability obtained in this way can be used as a mask to remove noise from noisy images. At this time, if the image to be acquired is a binary image, a binary denoising mask M can be obtained by converting each pixel value to 1 if the value is above a certain threshold for the posterior probability, and -1 otherwise. there is. On the other hand, if the image to be acquired is a gray-scale image with values between 0 and 255, the posterior probability image itself, which consists of probability values between 0 and 1, is used as a gray-scale mask M. It can be used as. By applying a Gaussian kernel to the mask obtained in this way, a modified mask, G(M), can be generated so that the values between neighboring pixels are similar. Finally, the estimated image (X) can be obtained by projecting this noise-removed image (denoised image) onto the existing input noise image (G(M)ХY).

각 단계에서 구해낸 추정 원본 이미지 X는 다음 단계의 베이지안 노이즈 제거 모델의 결합 확률분포, P(x,y)을 모델링하기 위한 사전 정보로 이용될 수 있다.The estimated original image

이하에서는 본 발명에서 제시한 베이지안 노이즈 제거 구조 기반 고스트 이미징 방법을 검증하기 위한 시뮬레이션 결과를 설명한다.Hereinafter, simulation results for verifying the ghost imaging method based on the Bayesian noise removal structure presented in the present invention will be described.

도 4는 유사열광원을 이용해 실제 측정한 랜덤 빔 패턴을 기반으로 고스트 이미지를 획득하는 시뮬레이션의 과정을 나타낸 것이다. Figure 4 shows the simulation process of acquiring a ghost image based on a random beam pattern actually measured using a pseudo-thermal light source.

유사열광원에서 방출된 빔 패턴이 빔 스플릿터를 통과하면 reference arm 및 objective arm 두 경로에 동일한 빔 패턴 이 입사된다. 버켓 디텍터로 수신한 신호 는 가상의 물체와 반응한 이후의 패턴의 픽셀 값의 합으로 여길 수 있다. 상관 관계에 있는 두 신호에 대하여 TGI, DGI, NGI, UWGI, UWDGI를 이용해 상관 관계 기반 고스트 이미지를 획득하고, 본 발명에서 제안한 방법에 따라서도 압축 센싱 고스트 이미지를 얻었다.When the beam pattern emitted from a quasi-thermal light source passes through the beam splitter, the same beam pattern appears in both paths: the reference arm and the objective arm. is hired. Signal received by bucket detector can be considered the sum of the pixel values of the pattern after reacting with the virtual object. A correlation-based ghost image was obtained using TGI, DGI, NGI, UWGI, and UWDGI for the two correlated signals, and a compressed sensing ghost image was also obtained according to the method proposed in the present invention.

본 발명에서 제시한 방법을 검증하기 위해 가장 기본적인 고스트 이미지 획득 방법으로 획득한 이미지를 사전에 준비했다. 데이터 수 100개의 단위로 총 10개의 고스트 이미지 Y={y0,y1 … y9}를 각 이미지의 평균 픽셀의 값을 기준으로 한 픽셀의 값이 그 이상인 경우 1, 그 외의 경우 -1인 바이너리 이미지로 초기화했다. 하이퍼파라미터 α, β는 각각 0.5와 0.5으로 설정했다. 초기값을 MRF 기반의 베이지안 노이즈 제거 모델에 입력하고 깁스 샘플링, 사후 확률 계산 및 바이너리 이미지 획득 과정을 진행했다. 이때 바이너리 이미지 획득 과정의 임계값은 0.95로 설정했다. 가우시안 필터가 적용된 바이너리 이미지를 입력 이미지에 마스킹 시켜 해당 단계의 추정 원본 이미지(x)를 획득했다. 이전 단계(k)의 노이즈가 제거된 이미지를 다음 단계(k+1)의 노이즈 제거 모델의 사전 정보로 입력하는 것으로 위 단계를 총 10개의 고스트 이미지에 반복 적용했다.In order to verify the method proposed in the present invention, images acquired using the most basic ghost image acquisition method were prepared in advance. A total of 10 ghost images Y={y 0 ,y 1 ... in units of 100 data units. y 9 } was initialized as a binary image that was 1 if the pixel value was greater than the average pixel value of each image, and -1 otherwise. Hyperparameters α and β were set to 0.5 and 0.5, respectively. The initial value was input into the MRF-based Bayesian noise removal model, and the process of Gibbs sampling, posterior probability calculation, and binary image acquisition was performed. At this time, the threshold for the binary image acquisition process was set to 0.95. The estimated original image (x) for the corresponding step was obtained by masking the binary image to which the Gaussian filter was applied to the input image. The above steps were repeatedly applied to a total of 10 ghost images by inputting the image from which the noise was removed in the previous step (k) as prior information for the noise removal model in the next step (k+1).

도 5 내지 7은 누적 데이터 수에 따른 TGI, DGI, UWDGI, CGI 및 본 발명에서 제안하는 방법(BDGI)을 통해 획득한 바이너리 고스트 이미지를 나타낸 것이다. 5 to 7 show binary ghost images obtained through TGI, DGI, UWDGI, CGI, and the method proposed by the present invention (BDGI) according to the accumulated data number.

비교적 간단한 물체인 이중 슬릿(double slit)의 경우 기존의 방법을 통한 고스트 이미지에서도 물체가 다소 쉽게 식별이 가능하다. 하지만 보다 복잡한 물체인 'GI'와 'KR'은 약 800개 이상의 데이터가 있을 때 시각적으로 확인이 가능했지만 여전히 노이즈로 인해 그 형상이 뚜렷하지 않았다. 반면, 본 발명에서 제안하는 방법을 통해 획득된 고스트 이미지는 약 500개의 데이터만으로도 비교적 노이즈가 적은 물체를 확인할 수 있었다.In the case of a relatively simple object, a double slit, the object can be identified rather easily even from a ghost image using existing methods. However, the more complex objects 'GI' and 'KR' could be visually confirmed when there were more than about 800 pieces of data, but their shapes were still not clear due to noise. On the other hand, the ghost image obtained through the method proposed in the present invention was able to identify objects with relatively low noise with only about 500 pieces of data.

이하에서는 각 방법을 통해 획득한 고스트 이미지에 대하여 정량적인 분석을 진행했다. Below, a quantitative analysis was conducted on the ghost images obtained through each method.

도 8은 각 물체에 대한 최대 신호 대 잡음 비(peak signal-to-noised ratio, PSNR)와 structural similarity index measure(SSIM)을 나타낸 것이다. Figure 8 shows the peak signal-to-noise ratio (PSNR) and structural similarity index measure (SSIM) for each object.

PSNR은 두 이미지 픽셀의 수치적 차이에 기반한 영상 품질 지표이고, SSIM은 PSNR으로 모두 설명하기 어려운 영상 품질에 대해 밝기, 대조, 구조 3가지 측면에서 복합적으로 평가할 수 있는 지표로서 알려져 있다. 상관 관계식 기반의 고스트 이미징 기법(TGI, DGI, NGI, UWGI, UWDGI)은 모든 경우(이중 슬릿, GI, KR)에 대하여 PSNR 측면에서 좋지 않은 성능을 나타낸 반면, 본 발명으로 제안한 방법(BDGI)은 기존에 뛰어난 성능을 보이던 CGI 방법보다 모든 경우(이중 슬릿, GI, KR)에 대하여 높은 PSNR을 보였다.PSNR is an image quality index based on the numerical difference between two image pixels, and SSIM is known as an index that can comprehensively evaluate image quality in three aspects: brightness, contrast, and structure, which are difficult to explain with PSNR. While correlation-based ghost imaging techniques (TGI, DGI, NGI, UWGI, UWDGI) showed poor performance in terms of PSNR for all cases (double-slit, GI, KR), the method proposed by the present invention (BDGI) showed poor performance in terms of PSNR. It showed higher PSNR in all cases (double-slit, GI, KR) than the CGI method, which previously showed excellent performance.

또한, SSIM에 대해서도 본 발명으로 제안한 방법(BDGI)은 기존의 획득 방법보다 높은 성능을 보였다. 모든 경우(이중 슬릿, GI, KR)에 대해서 본 발명으로 제안한 방법(BDGI)은 PSNR 측면에서 각각 최대 1.89 dB, 3.44 dB, 3.54 dB, SSIM 측면에서 각각 최대 37%, 100%, 109%의 향상을 보였다.In addition, for SSIM, the method proposed by the present invention (BDGI) showed higher performance than the existing acquisition method. For all cases (double-slit, GI, KR), the method proposed by the present invention (BDGI) improves up to 1.89 dB, 3.44 dB, and 3.54 dB in PSNR, respectively, and up to 37%, 100%, and 109% in SSIM, respectively. showed.

도 9 및 10은 누적 데이터 수에 따른 TGI, DGI, UWDGI, CGI 및 본 발명으로 제안한 방법(BDGI)을 통해 획득한 흑백 스케일의 고스트 이미지를 나타낸 것이다. Figures 9 and 10 show black-and-white scale ghost images obtained through TGI, DGI, UWDGI, CGI, and the method proposed by the present invention (BDGI) according to the accumulated data number.

바이너리 이미지 획득 때와 달리, 마스크(M)을 생성할 때에 임계값을 통한 바이너리 마스크를 만들지 않고, 사후 확률 그 자체를 흑백 스케일의 마스크로서 사용했다. 하이퍼파라미터는 동일하게 모두 0.5로 설정했다. 도 9는 인위적인 화이트 가우시안 노이즈를 포함하지 않고, 도 10은 포함하는 경우를 나타낸다. 두 가지 경우 모두에서 본 발명으로 제안한 방법(BDGI)이 보다 선명하게 "cameraman" 타겟을 나타냈다. 특히, 노이즈가 있는 환경에서 기존의 방법들을 통해 획득해 낸 고스트 이미지에서는 물체를 확인할 수 없을 정도로 노이즈에 취약성을 나타낸 반면, 본 발명으로 제안한 방법(BDGI)은 노이즈 환경에서도 물체를 비교적 잘 획득해 낸 것을 확인할 수 있다.Unlike when acquiring a binary image, when generating the mask (M), a binary mask was not created through a threshold, but the posterior probability itself was used as a black-and-white scale mask. All hyperparameters were set to 0.5. Figure 9 shows a case where artificial white Gaussian noise is not included, and Figure 10 shows a case where it is included. In both cases, the method proposed by the present invention (BDGI) displayed the “cameraman” target more clearly. In particular, while ghost images obtained through existing methods in a noisy environment were vulnerable to noise to the extent that the object could not be identified, the method proposed by the present invention (BDGI) acquired the object relatively well even in a noisy environment. You can check that.

도 11은 도 9 및 10에서 보여진 결과에 대한 정량적인 분석 결과를 나타낸 것이다. Figure 11 shows quantitative analysis results for the results shown in Figures 9 and 10.

CGI 방법은 기존의 고스트 이미징 방법 중 바이너리로 나타낸 물체에 대해서 비교적 좋은 성능을 나타냈지만, 흑백 스케일의 물체에 대해서는 매우 취약했다. 본 발명으로 제안한 방법(BDGI)은 동일한 데이터 수(20,000)를 이용했을 때 기존의 방법들보다 노이즈가 없는/있는 경우 PSNR 측면에서 각각 최대 2.0 dB, 2.5 dB, SSIM 측면에서 각각 최대 14%, 65%의 향상을 보였다.Among existing ghost imaging methods, the CGI method showed relatively good performance for objects expressed in binary form, but was very weak for objects in black and white scale. When using the same number of data (20,000), the method proposed by the present invention (BDGI) is up to 2.0 dB and 2.5 dB in terms of PSNR, respectively, and up to 14% and 65% in terms of SSIM, respectively, when there is no noise compared to existing methods (20,000). showed an improvement of %.

이상으로, 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As above, specific parts of the present invention have been described in detail, and those skilled in the art will understand that these specific techniques are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present invention. It will be obvious. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

110: 광원부
120: 빔 스플릿터
130: 광 센서
140: 광 센서
150: 물체
160: objective arm
170: reference arm
180: 이미지 처리 장치
110: Light source unit
120: Beam splitter
130: optical sensor
140: optical sensor
150: object
160: objective arm
170: reference arm
180: image processing device

Claims (16)

각각 이미지 처리 장치에 의해 수행되는,
광원으로부터 나와 물체와 반응한 빛을 순차적으로 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 두 신호의 공간 상관 관계를 이용하여 고스트 이미지를 구하는 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제1 고스트 이미지를 획득하는 단계;
상기 획득한 제1 고스트 이미지로부터 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 노이즈를 제거하는 단계;
상기 광원으로부터 나와 물체와 반응한 빛을 순차적으로 더 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 두 신호의 공간 상관 관계를 이용하여 고스트 이미지를 구하는 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제2 고스트 이미지를 획득하는 단계; 및
상기 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하는 단계를 포함하고,
상기 광원의 빔 패턴은 광 센서를 통해 빛의 세기를 측정하는 시점의 빔 패턴인, 이미지 획득 방법.
Each performed by an image processing device,
Obtaining a first ghost image using a ghost image acquisition method to obtain a ghost image using the spatial correlation of the two signals consisting of the light intensity that sequentially measures the light coming out of the light source and reacting with the object and the beam pattern of the light source step;
Removing noise from the acquired first ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model;
A second ghost image is created using a ghost image acquisition method that obtains a ghost image using the spatial correlation of the two signals consisting of the light intensity that sequentially measures the light coming out of the light source and reacting with the object and the beam pattern of the light source. acquiring; and
Removing noise from the second ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model using the first ghost image from which the noise has been removed as prior information,
An image acquisition method, wherein the beam pattern of the light source is a beam pattern at the time of measuring the intensity of light through an optical sensor.
제1항에 있어서,
상기 광 센서는 버켓 디텍터, 포토 다이오드 기반의 광 센서, 및 픽셀 기반의 카메라 중 적어도 하나인, 이미지 획득 방법.
According to paragraph 1,
An image acquisition method, wherein the optical sensor is at least one of a bucket detector, a photodiode-based optical sensor, and a pixel-based camera.
제1항에 있어서,
각각 이미지 처리 장치에 의해 수행되는,
상기 광원으로부터 나와 물체와 반응한 빛을 상기 광 센서를 통해 순차적으로 더 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 두 신호의 공간 상관 관계를 이용하여 고스트 이미지를 구하는 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제3 고스트 이미지를 획득하는 단계; 및
상기 노이즈가 제거된 제2 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 상기 제3 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하는 단계를 더 포함하는, 이미지 획득 방법.
According to paragraph 1,
Each performed by an image processing device,
A ghost image acquisition method is used to obtain a ghost image using the spatial correlation of the two signals consisting of the intensity of the light that comes out of the light source and reacts with the object sequentially through the optical sensor and the beam pattern of the light source. Obtaining a third ghost image; and
An image acquisition method further comprising removing noise from the third ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model using the second ghost image from which the noise has been removed as prior information.
제1항에 있어서,
상기 마르코프 랜덤 필드는 은닉 마르코프 랜덤 필드인, 이미지 획득 방법.
According to paragraph 1,
An image acquisition method, wherein the Markov random field is a hidden Markov random field.
제1항에 있어서,
상기 고스트 이미지 획득 방법은 상기 빔 패턴을 상기 빛의 세기로 가중시킨 것을 누적하여 고스트 이미지를 획득하는 방법인, 이미지 획득 방법.
According to paragraph 1,
The ghost image acquisition method is a method of acquiring a ghost image by accumulating the beam pattern weighted by the light intensity.
제1항에 있어서, 이미지 처리 장치에 의해 수행되는, 상기 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하는 단계는,
이미지 처리 장치에 의해 수행되는, 상기 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 상기 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델의 결합 확률 분포를 모델링하기 위한 사전 정보로 이용해 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하는 단계인, 이미지 획득 방법.
The method of claim 1, wherein the step of removing noise from the second ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model using the first ghost image from which the noise has been removed as prior information is performed by an image processing device. ,
Removing noise from the second ghost image by using the first ghost image from which the noise has been removed, performed by an image processing device, as prior information for modeling a joint probability distribution of the Markov random field-based Bayesian noise removal model. In,method of image acquisition.
제1항에 있어서, 이미지 처리 장치에 의해 수행되는, 상기 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하는 단계는,
각각 이미지 처리 장치에 의해 수행되는,
상기 제2 고스트 이미지를 바이너리 이미지 혹은 흑백 스케일의 이미지로 변환하는 단계;
상기 제1 고스트 이미지를 이용해 깁스 샘플링하는 단계;
상기 깁스 샘플링으로 사후 확률을 계산하여 마스크를 생성하는 단계;
상기 생성한 마스크를 이용하여 바이너리 이미지 혹은 흑백 스케일의 이미지로 변환된 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하는 단계를 포함하는, 이미지 획득 방법.
The method of claim 1, wherein the step of removing noise from the second ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model using the first ghost image from which the noise has been removed as prior information is performed by an image processing device. ,
Each performed by an image processing device,
Converting the second ghost image into a binary image or a black-and-white scale image;
Performing Gibbs sampling using the first ghost image;
generating a mask by calculating a posterior probability using the Gibbs sampling;
An image acquisition method comprising removing noise from the second ghost image converted to a binary image or a black-and-white scale image using the generated mask.
제1항에 있어서,
상기 광원의 빔 패턴은 다른 광 센서로 측정한 것이거나 미리 정해진 것인, 이미지 획득 방법.
According to paragraph 1,
An image acquisition method wherein the beam pattern of the light source is measured by another optical sensor or is predetermined.
빛의 세기를 측정하는 광 센서; 및
프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는,
광원으로부터 나와 물체를 통과한 빛을 상기 광 센서를 통해 순차적으로 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 두 신호의 공간 상관 관계를 이용하여 고스트 이미지를 구하는 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제1 고스트 이미지를 획득하고,
상기 획득한 제1 고스트 이미지로부터 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 노이즈를 제거하고,
상기 광원으로부터 나와 물체와 반응한 빛을 상기 광 센서를 통해 순차적으로 더 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 두 신호의 공간 상관 관계를 이용하여 고스트 이미지를 구하는 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제2 고스트 이미지를 획득하고, 및
상기 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하고,
상기 광원의 빔 패턴은 상기 광 센서를 통해 빛의 세기를 측정하는 시점의 빔 패턴인, 이미지 획득 장치.
An optical sensor that measures the intensity of light; and
Includes a processor,
The processor,
A first ghost image acquisition method is used to obtain a ghost image using the spatial correlation of two signals consisting of the intensity of light sequentially measured from the light coming from the light source and passing through the object through the optical sensor and the beam pattern of the light source. Acquire a ghost image,
Noise is removed from the obtained first ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model,
A ghost image acquisition method is used to obtain a ghost image using the spatial correlation of the two signals consisting of the intensity of the light that comes out of the light source and reacts with the object sequentially through the optical sensor and the beam pattern of the light source. Acquire a second ghost image, and
Removing noise from the second ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model using the first ghost image from which the noise was removed as prior information,
The beam pattern of the light source is a beam pattern at the time of measuring the intensity of light through the optical sensor.
제9항에 있어서,
상기 광 센서는 버켓 디텍터, 포토 다이오드 기반의 광 센서, 및 픽셀 기반의 카메라 중 적어도 하나인, 이미지 획득 장치.
According to clause 9,
The optical sensor is at least one of a bucket detector, a photodiode-based optical sensor, and a pixel-based camera.
제9항에 있어서, 상기 프로세서는,
상기 광원으로부터 나와 물체와 반응한 빛을 상기 광 센서를 통해 순차적으로 더 측정한 빛의 세기와 상기 광원의 빔 패턴으로 구성된 두 신호의 공간 상관 관계를 이용하여 고스트 이미지를 구하는 고스트 이미지 획득 방법을 이용해 제3 고스트 이미지를 획득하고,
상기 노이즈가 제거된 제2 고스트 이미지를 사전 정보로 이용한 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델을 이용해 상기 제3 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하는, 이미지 획득 장치.
The method of claim 9, wherein the processor:
A ghost image acquisition method is used to obtain a ghost image using the spatial correlation of the two signals consisting of the intensity of the light that comes out of the light source and reacts with the object sequentially through the optical sensor and the beam pattern of the light source. Acquire a third ghost image,
An image acquisition device that removes noise from the third ghost image using a Markov random field-based Bayesian noise removal model using the second ghost image from which the noise has been removed as prior information.
제9항에 있어서,
상기 마르코프 랜덤 필드는 은닉 마르코프 랜덤 필드인, 이미지 획득 장치.
According to clause 9,
The Markov random field is a hidden Markov random field.
제9항에 있어서,
상기 고스트 이미지 획득 방법은 상기 빔 패턴을 상기 빛의 세기로 가중시킨 것을 누적하여 고스트 이미지를 획득하는 방법인, 이미지 획득 장치.
According to clause 9,
The ghost image acquisition method is a method of acquiring a ghost image by accumulating the beam pattern weighted by the light intensity.
제9항에 있어서, 상기 프로세서는,
상기 노이즈가 제거된 제1 고스트 이미지를 상기 마르코프 랜덤 필드 기반 베이지안 노이즈 제거 모델의 결합 확률 분포를 모델링하기 위한 사전 정보로 이용해 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 제거하는, 이미지 획득 장치.
The method of claim 9, wherein the processor:
An image acquisition device that removes noise from the second ghost image by using the first ghost image from which the noise has been removed as prior information for modeling a joint probability distribution of the Markov random field-based Bayesian noise removal model.
제9항에 있어서, 상기 프로세서는,
상기 제2 고스트 이미지를 바이너리 이미지 혹은 흑백 스케일의 이미지로 변환하고,
상기 제1 고스트 이미지를 이용해 깁스 샘플링하고,
상기 깁스 샘플링으로 사후 확률을 계산하여 마스크를 생성하고,
상기 생성한 마스크를 이용하여 바이너리 이미지 혹은 흑백 스케일의 이미지로 변환된 상기 제2 고스트 이미지로부터 노이즈를 더 제거하는, 이미지 획득 장치.
The method of claim 9, wherein the processor:
Converting the second ghost image into a binary image or a black-and-white scale image,
Perform Gibbs sampling using the first ghost image,
A mask is generated by calculating the posterior probability using the Gibbs sampling,
An image acquisition device that further removes noise from the second ghost image converted to a binary image or a black-and-white scale image using the generated mask.
제9항에 있어서,
상기 광원의 빔 패턴은 다른 광 센서로 측정한 것이거나 미리 정해진 것인, 이미지 획득 장치.
According to clause 9,
An image acquisition device wherein the beam pattern of the light source is measured by another optical sensor or is predetermined.
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