一种基于视场耦合约束的直接光照与全局光照分离方法

本发明涉及一种基于视场耦合约束的直接光照与全局光照分离方法，当存在各种全局光照条件下，可实现直接光照和全局光照分量的分离，属于光学成像领域。

背景技术：

光学成像系统对场景反射光的强度进行探测，从而获取场景信息。场景的反射光是包含有直接光照分量和全局光照分量的混合量，且二者分别反映场景的不同信息。例如，直接光照分量反映物点处材质的反射特性，全局光照分量反映了由物体几何形状产生的复杂光学相互作用。然而，传统光学成像系统中每个像素探测的是二者合成后的结果，因此使用传统成像系统实现二者的分离是一个具有挑战性的难题。

单像素成像(single-pixelimaging)方法是一种全新的成像方式，它利用空间光调制器(如投射器)向场景投射一系列基模式图案，同时使用不具有空间分辨率的光电探测器对叠加了基图案模式的场景进行拍摄。这种成像方法通过单像素成像的图像重构算法对采集到的数据进行解算，重构得到空间光调制器视角下的图像。单像素探测器采集到的信号具有能量大，信噪比高的特点，特别适合于能量较弱的弱光信号探测。同时，基于这种成像机理，由于光电探测器所接收的空间光调制器不同像素位置处的光被基图案模式编码，使得不同像素位置的出射光具有不同的编码模式，从而为实现直接光照和全局光照的分离提供了基础。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于视场耦合约束的直接光照与全局光照分离方法，可在存在各种全局光照条件下，分离直接和全局光照分量。为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。

实现本发明提出的一种基于视场耦合约束的直接光照与全局光照分离方法主要需要空间光调制器与像素阵列探测器以及分束器。在成像过程中，首先，通过单像素成像方法，解算得到像素阵列探测器每个像素对应于空间光调制器视角的光传输系数；然后，根据视场耦合约束，得到每个像素光传输系数中的直接光照分量，光传输系数的其余部分即为全局光照分量，从而实现在光传输层面的直接光和全局光的分离目标；最后，通过光照耦合重构算法可分别获得像素阵列视角下直接光照分量和全局光照分量成像结果。

本发明的基于视场耦合约束抑制全局光照的成像系统的成像过程包括以下步骤：

(1)先将空间光调制器和像素阵列探测器面向目标场景放置，空间光调制器的投射区域应与像素阵列探测器采用共轴光路成像方式；

(2)通过单像素成像方法获得每个像素对应于空间光调制器的光传输系数；

(3)根据视场耦合约束，得到每个像素光传输系数中的直接光照分量，光传输系数的其余部分即为全局光照分量；

(4)通过光照耦合重构算法分别获得直接光照分量和全局光照分量成像结果，光照耦合重构算法将全部像素阵列探测器像素光传输系数中的直接光照分量与全局光照分量分别求和，得到分离的直接光照和全局光照成像结果。

2、根据权利要求1所述的一种基于视场耦合约束的抑制全局光照的成像系统，其特征在于：所述步骤(3)中的视场耦合约束为像素阵列探测器中每个像素能够通过场景的直接光照而观测到的空间光调制器像素位置，视场耦合约束可表达为：

ω(m,n；u0,v0)＝{(m,n)|(m0-lp)≤m<(m0+lp+1),[(n0-lp)≤n<(n0+lp+1)]∩(0≤m<m,0≤n<n)}

其中，(u0,v0)代表像素阵列探测器上一个像素的中心坐标位置，取值范围是0≤u0≤u,0≤v0≤v，u和v为像素阵列探测器的横向和纵向尺寸；ω(m,n；u0,v0)代表像素(u0,v0)在空间光调制器平面由视场耦合约束所确定的直接光照区域；(m0,n0)为像素(u0,v0)在空间光调制器平面对应的中心像素，计算公式为：m和n为空间光调制器对应的视场范围的横向和纵向尺寸；lp为空间光调制器的视场耦合尺寸，计算公式为：w为像素阵列探测器中的像素个数。

3、根据权利要求1所述的一种基于视场耦合约束的抑制全局光照的成像系统，其特征在于：所述步骤(3)中的根据视场耦合约束，得到每个像素光传输系数中的直接光照分量，光传输系数的其余部分即为全局光照分量，可通过公式表达为：

hd(m,n；u0,v0)＝h(m,n；u0,v0)×mω(m,n；u0,v0)

hg(m,n；u0,v0)＝h(m,n；u0,v0)×[1-mω(m,n；u0,v0)]

其中，hd(m,n；u0,v0)和hg(m,n；u0,v0)为像素位置(u0,v0)处光传输系数的直接光照和全局光照分量；h(m,n；u0,v0)为像素位置(u0,v0)处由步骤(2)中单像素成像方法所获得每个像素对应于空间光调制器的光传输系数；mω(m,n；u0,v0)为像素位置(u0,v0)处由视场耦合约束所确定的掩码矩阵。

4、根据权利要求1所述的一种基于视场耦合约束的抑制全局光照的成像系统，其特征在于：所述步骤(4)中的光照耦合重构算法为将光传输系数中的直接光照分量与全局光照分量分别求和，表达式为：

其中，hd(m,n；u0,v0)和hg(m,n；u0,v0)分别为像素位置(u0,v0)处光传输系数的直接光照和全局光照分量,id(u0,v0)和ig(u0,v0)分别为像素阵列视角下直接光照分量和全局光照分量图。

附图说明

图1为本发明的基于耦合视场约束抑制全局光照成像系统的原理示意图。该图中，1为空间光调制器，2为空间光调制器的像素，3为像素阵列探测器，4为像素阵列探测器上的像素，5为分束器，6为待成像场景，7为空间光调制器的出射光，8为直接光照，9为全局光照；

图2为本发明的成像流程图；

图3为通过计算鬼成像方法获得每个像素对应于空间光调制器的光传输系数的示意图。该图中，1为空间光调制器，3为像素阵列探测器，4为像素阵列探测器上的像素，6为待成像场景，10为散斑场，11为通过单像素成像方法获得某个像素对应于空间光调制器的光传输系数；

图4为根据视场耦合约束得到每个像素光传输系数中的直接光照分量的示意图。该图中，3为像素阵列探测器，11为通过单像素成像方法获得某个像素对应于空间光调制器的光传输系数，12为像素阵列探测器像素的二维示意图，13为由视场耦合约束所确定的直接光照掩码矩阵，14为某像素光传输系数中的直接光照分量；

图5为根据视场耦合约束得到每个像素光传输系数中的全局光照分量的示意图。该图中，3为像素阵列探测器，11为通过单像素成像方法获得某个像素对应于空间光调制器的光传输系数，12为像素阵列探测器像素的二维示意图，15为由视场耦合约束所确定的全局光照掩码矩阵，16为某像素光传输系数中的全局光照分量；

图6为使用本发明的方法对实现的直接光照和全局光照成像图。该图中，17为叶片待测物体的传统成像结果，18为叶片待测物体的直接光照分量成像结果，19为叶片待测物体的全局光照分量成像结果，20为陶瓷小碟待测物体的传统成像结果，21为陶瓷小碟待测物体的直接光照分量成像结果，22为陶瓷小碟待测物体的全局光照分量成像结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明提出的一种基于视场耦合约束的抑制全局光照的成像系统主要由空间光调制器与像素阵列探测器以及分束器组成。在具体实施中，空间光调制器可采用光纤激光相控阵列，像素阵列探测器可采用低像素雪崩二极管阵列(avalanchephotodiodearrays,apdarrays)。本发明首先利用单像素成像方法获得像素阵列探测器每个像素对应于空间光调制器视角的光传输系数。在具体实施中，用于获得像素阵列探测器每个像素对应于空间光调制器视角的光传输系数的单像素成像方法可采用计算鬼成像(computationalghostimaging)方法。然后，根据视场耦合约束，得到每个像素光传输系数中的直接光照分量，光传输系数的其余部分即为全局光照分量。当存在各种全局光照条件下，可实现直接光照和全局光照分量的分离。最后，通过光照耦合重构算法可分别获得直接光照分量和全局光照分量成像结果，从而实现抑制全局光照的成像目标。本发明的成像流程图如图2所示。具体操作如下：

1、将空间光调制器和像素阵列探测器面向目标场景放置，空间光调制器的投射区域应与像素阵列探测器采用共轴光路成像方式。

在具体实施中，空间光调制器可采用光纤激光相控阵列，像素阵列探测器可采用低像素雪崩二极管阵列，并使用偏振分束器实现共轴光路成像方式，如图1所示。

2、通过单像素成像方法获得每个像素对应于空间光调制器的光传输系数。

在具体实施中，可采用计算鬼成像方法获得每个像素对应于空间光调制器的光传输系数，如图3所示。单根光纤末端光强采用如下公式生成：

其中，t代表光纤编号，p代表投射次数编号，(ξ,η)为光纤末端处待计算位置坐标，(ξt,ηt)为编号为t的光纤中心位置坐标。ω0为光纤尺寸，at为投射振幅，φi,t为编号为t的光纤的初始相位，φt,p为编号为t的光纤的第p次投射时的随机相位。

在被测物体处所形成的散斑场由如下公式计算：

其中，d为观测距离，k＝2π/λ为空间波数，λ为光纤激光相控阵列投射光波长；z为光纤激光相控阵列中光纤数量，t，q为遍历全部光纤束的索引指标；m，n分别为待计算散斑场在距离为d处的截面处横向和纵向坐标。

经过p次随机投射，且每次投射中采用低像素雪崩二极管阵列对反射光进行采集，通过压缩感知(compressivesensing,cs)方法，解算获得每个雪崩二极管对应于光纤激光相控阵列视角下的光传输系数。具体而言，可采用基于全变分正则化的压缩感知重构方法：

其中，(u0,v0)代表低像素雪崩二极管阵列上一个像素的中心坐标位置，取值范围是0≤u0≤u,0≤v0≤v，u和v为像素阵列探测器的横向和纵向尺寸；b(u0,v0；p)为对应雪崩二极管在第p次投射时所采集到的光能量；为像素位置(u0,v0)处的实际光传输系数；h(m,n；u0,v0)为像素位置(u0,v0)处的光传输系数计算值；tv(·)为全变分算子，ρ为正则化参数。

3、根据视场耦合约束，得到每个像素光传输系数中的直接光照分量，光传输系数的其余部分即为全局光照分量。

由于空间光调制器的投射区域与像素阵列探测器采用共轴配置方式，故像素阵列探测器上某像素接收的直接光照应满足视场耦合约束，即直接光照应是来自于空间光调制器中对应于所研究像素在像素阵列探测器上相同位置的光线，如图4所示。视场耦合约束可表达为：

其中，(u0,v0)代表像素阵列探测器上一个像素的中心坐标位置，取值范围是0≤u0≤u,0≤v0≤v，u和v为像素阵列探测器的横向和纵向尺寸；ω(m,n；u0,v0)代表像素(u0,v0)在空间光调制器平面由视场耦合约束所确定的直接光照区域；(m0,n0)为像素(u0,v0)在空间光调制器平面对应的中心像素，计算公式为：m和n为空间光调制器对应的视场范围的横向和纵向尺寸；lp为空间光调制器的视场耦合尺寸，计算公式为：w为像素阵列探测器中的像素个数。

根据视场耦合约束和单像素成像结果，即结合式(4)和式(3)，得到每个像素光传输系数中的直接光照分量，光传输系数的其余部分即为全局光照分量，如图5所示。通过公式表达为：

hd(m,n；u0,v0)＝h(m,n；u0,v0)×mω(m,n；u0,v0)(5)

hg(m,n；u0,v0)＝h(m,n；u0,v0)×[1-mω(m,n；u0,v0)](6)

其中，hd(m,n；u0,v0)和hg(m,n；u0,v0)为像素位置(u0,v0)处光传输系数的直接光照和全局光照分量；h(m,n；u0,v0)为像素位置(u0,v0)处由步骤(2)中单像素成像方法所获得的像素位置(u0,v0)处对应于空间光调制器的光传输系数；mω(m,n；u0,v0)为像素位置(u0,v0)处由视场耦合约束所确定的掩码矩阵，其表达式为：

4、通过光照耦合重构算法分别获得直接光照分量和全局光照分量成像结果；光照耦合重构算法的特征在于将全部像素阵列探测器像素光传输系数中的直接光照分量与全局光照分量分别求和，得到分离的直接光照和全局光照成像结果。

根据分离得到的每个像素位置(u0,v0)处光传输系数的直接光照和全局光照分量hd(m,n；u0,v0)和hg(m,n；u0,v0)，可以通过光照耦合重构算法，以获得像素阵列视角下直接光照分量和全局光照分量成像结果id(u0,v0)和ig(u0,v0)，如图6所示。光照耦合重构算法具体表达式为：

同时，可以根据自定义照明函数ψ(m,n)定义当空间光调制器处于任意投射模式下的直接光照和全局光照图像。若将直接光照分量与全局光照分量按自定义照明函数ψ(m,n)比例分别相加，则得到自定义光照条件下直接光照和全局光照图像。设hd(m,n；u0,v0)和hg(m,n；u0,v0)为像素位置(u0,v0)处光传输系数的直接光照和全局光照分量，则得到自定义光照条件下分离的直接光照和全局光照图像的计算公式为：

其中，ψ(m,n)为位置(m,n)处的相对亮度权重值。

依照上述各步骤，可实现在存在各种全局光照的条件下，分离直接光照和全局光照分量，并实现对全局光照抑制的成像目标。