一种利用散射光对目标物体进行成像的方法与流程

本发明属于图像处理、计算成像技术领域，设计了一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案。

背景技术：

从动物的眼睛到日常使用的照相机，其成像的关键都在于来自目标物体的且有空间分布的光场信息，并由空间分布的大量传感器探测。然而，若光线经过严重的随机散射，则其空间分布信息将被破坏，似乎失去了用于成像的价值。这样的情况出现在许多的应用场景中，如被恶劣天候(风、雨、雪、雹、雾等)、严重空气污染(烟、霾、沙尘等)、混浊液体、云层等透射型散射介质隔绝情况下的成像，又如来自目标物体的光线经过纸张、建筑物墙壁、粗糙器物等表面漫反射条件下的成像。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对现有成像系统无法利用散射光成像的问题，提出了一种利用散射光对目标物体进行成像的方法，能够在多种特殊场合满足高速、高质量的成像需求。

本发明解决技术的方案是：一种利用散射光对目标物体进行成像的方法，涉及的部件包括光源、空间光调制器、光强探测器、数字采集装置和工控机，包括如下步骤：

步骤s1，从预设的一套编码方案中选取一张调制图案，使光源经过调制器后，变成带有该调制图案的空间调制光；

步骤s2，令空间调制光照射到目标物体上，然后在目标物体表面反射或透过目标物体；

步骤s3，从来自目标物体的反射光或透射光中任选一路，经散射进入光强探测器，被转化为光强信息；

步骤s4，将光强信号转化为数字信号，由数字采集装置收集，传入工控机；

步骤s5，重复步骤s1-s4，在工控机内存储一系列光强信息；

步骤s6，在工控机内利用采集的光强序列，根据编码方案通过反解算法重构出目标物体的一帧图像；

步骤s7，重复s1-s6，重构出目标物体的下一帧图像，完成对目标物体实时成像。

所述空间光调制器采用led或光栅或微镜阵列或毛玻璃。

所述编码方案采用正交基组一类的编码方案，包括hadamard、dct、fft、小波变换正交基组。

所述编码方案具体为：将正交基组中的每一个正交基向量排列为二维图案，并将图案按一定顺序排列，得到编码方案。

所述步骤s3中，在极弱光条件下，采用单光子雪崩二极管作为光强探测器。

通过一系列有序的调制光照射和信号采集，获取成像所需的完整或大部分信息。

通过反解算法，根据采集到的光强度序列，重构得到目标物体的图像。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)改变了传统成像系统中引用反射光成像的原理，通过对光源的处理，使整个系统应用散射光来进行成像，保证当来自目标物体的光线被严重散射后，仍能对目标物体进行成像；

2)采用无空间分辨率的单点探测器，工业复杂度低，成本低；

3)基于第2点，单点探测器的灵敏度和精度往往远高于阵列探测器，因此本发明提出的技术方案在弱光乃至极弱光条件下仍能够完成成像，克服了反射光成像的技术瓶颈。

4)本发明中提出的系统方案能够适用于透过散射介质成像、或者经过粗糙表面漫反射成像等特殊应用场景，完成对目标物体的快速、高质量成像。

附图说明

图1是本发明实施例中一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案的示意图；

图2是本实施例中发明实施例中一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案的流程图；

图3是本发明实施例中hadamard测量基图案的一种排序。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明公开了一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案，可以适用于透过散射介质成像、或者经过粗糙表面漫反射成像等特殊应用场景，实现上述场景中对目标物体的快速、高质量成像。

参照图1，示出了本发明实施例中一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案的示意图。

参照图2，示出了在本发明实施例中一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案的流程图，包括：

步骤s1，从预设的一套编码方案中选取一张调制图案，使光从光源经过调制器，变成带有上述图案的空间调制光；

步骤s2，空间调制光照射到目标物体上，然后在目标物体表面反射，或透过目标物体；

步骤s3，从来自目标物体的反射光或透射光任选一路，经散射进入光强探测器，被转化为光强信息；

步骤s4，将光强信号转化为数字信号，由数字采集装置收集，传入工控机；

步骤s5，重复步骤s1-s4(步骤s1中根据预设编码方案更换下一张调制图案)，在工控机内存储一系列光强信息；

步骤s6，在工控机内利用采集的光强序列，通过反解算法重构出目标物体的一帧图像；

步骤s7，重复s1-s6，重构出目标物体的下一帧图像。

实施例

(1)从预设的编码方案中选定一张调制图案，使光从光源经过调制器，变成带有上述图案的空间调制光。具体地：

(i)空间光调制器可采用led、光栅、微镜阵列(dmd)、毛玻璃等。

(ii)可用的编码方案有无穷多，根据空间光调制器的能力来确定，推荐采用正交基组一类的编码方案，如hadamard、dct、fft正交基组等。将正交基组中的每一个正交基向量排列为二维图案，并将图案按某种顺序排列，即可得到一套编码方案。下面以hadamard为例说明编码方案，设待成像的图案尺寸为m×m，m为2的正整数次幂，则需构建的hadamard矩阵有m²行m²列，记为构建hadamard矩阵具体实施过程可简单举例说明，例如产生2×2的hadamard矩阵，如公式(2)所示，

更大的hadamard矩阵则需要用到公式(3)，

第二项中的表示直积。例如当生成m＝4的hadamard矩阵h4，则按公式(3)的原则，将n＝2带入

此处令m＝4只是便于说明问题，若要生成更大的hadamard矩阵，按公式(2)依次类推即可得到任意2ⁿ阶，其中n＝3,4,...,中的任意一个整数；当n＝4时，m＝16，直积方法可生成的256×256的hadamard矩阵。

抽取的行(或列)向量，按顺序重新排列成m行m列的方阵pm，共可获得m²个方阵pm，即完备的测量基组。例如m＝16，则h256的每一行都可重排16行16列的方阵，共256个方阵，即完备的测量基组包括256个测量基。图3示意了这256个测量基的一种排序，可作为一套候选编码方案。

(2)令空间调制光照射到目标物体上，然后在目标物体表面反射，或透过目标物体。

(3)从来自目标物体的反射光或透射光任选一路，经散射进入光强探测器，被转化为光强信息。光强探测器根据应用场景和成像需求确定：可选用一般的光电探测器；高速成像时可选用高速、高带宽的光电探测器；若光源射出的光线在特定波段，可采用对应波段的探测器；在极弱光条件下，可采用单光子雪崩二极管(spad)作为光强探测器。此处以光电倍增管(pmt)为例。

(4)将光强信号转化为数字信号，由数字采集装置收集，传入工控机。数字采集装置通常采用数字采集卡，其性能指标应与光强探测器匹配。工控机应可编程，此处采用通用计算机。

(5)根据预设编码方案更换调制图案，重复(1)-(4)，在工控机内存储一系列光强信息。此处以hadamard编码方案为例，从图3中依次选取图案进行调制、投射、采集和存储，得到光强序列y256×1。

(6)在工控机内利用采集的光强序列，通过反解算法重构出目标物体的一帧图像。调制后的光场投射到目标物体上，收集到的光强信息正比于光场与目标物体的卷积，因此一连串的投射和和测量形成了一组线性方程，若16×16的目标物体图像向量化后记为x256×1，则方程组为h'256x256×1＝y256×1，h'256代表h256原矩阵或行重排后的矩阵。由于hadamard矩阵(或行重排后的矩阵)有类似正交矩阵的性质，即h^th＝m²i，因此x256×1＝h'256y256×1/m²。将x256×1恢复为二维方阵x16，并进行必要的亮度、对比度调整后，即获得了目标物体的一帧图像。

(7)重复(1)-(6)，重构出目标物体的下一帧图像。本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。