一种基于离散余弦变换的单像素快速主动成像系统的制作方法

文档序号:9275154阅读:541来源:国知局
一种基于离散余弦变换的单像素快速主动成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及单像素主动成像领域,具体地,涉及使用基于离散余弦变换的单像素 快速主动成像系统。
【背景技术】
[0002] 在成像系统中,根据有无照明光源,分为主动成像和被动成像两种成像方式。被动 成像的主要特征在于成像系统本身不具备光源,成像系统收集目标物体本身的辐射光或其 反射的环境光进行成像。主动成像是指采用人造光学辐射源对目标物体进行照明,并利用 成像系统采集来自目标物体的部分辐射光进行成像。
[0003] 单像素相机于2006年由美国RICE大学的研宄人员提出(参见文献1,Duarte M F,Davenport M A,Takhar D,et al.Single-pixel imaging via compressive sampling[J] ? IEEE Signal Processing Magazine,2008, 25 (2) : 83.),是一种与传统成像 技术有着本质不同的新型成像方法,有可能突破经典成像模型在一些特殊成像领域的局限 性。它最大的特点是不需要大面积的CCD阵列,在接收系统仅具有一个像素的情况下即可 成像。由于接收系统较为简单,单像素成像技术能够大大降低成像系统的规模、成本和复杂 度,同时还适用于传统方法无法拍摄的非可见光领域,可见单像素相机是一种具有较大应 用潜力新型成像技术。
[0004] 单像素成像技术是压缩感知技术(参见文献2、3、4,[2]Donoho D L. Compressed sensing[J]. Information Theory, IEEE Transactions on, 2006,52 (4):1289-1306.; [3]Candes E J. Compressive sampling[C] ? Proceedings of the international congress of mathematicians. 2006, 3:1433-1452. ; [4]Candes E J,Romberg J, Tao T. Robust uncertainty principles:Exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information[J].Information Theory,IEEE Transactions on, 2006, 52(2) :489-509.)在成像领域的重要应用。利用压缩采样原理,只需要单个像素 的探测器就可以实现整幅图像的获取,大大降低了图像的存储和传输数据量,提高了成像 灵活性。压缩感知的本质是对有用信息进行采集而抛弃无用信息,使得信号的采集效率更 高,克服了奈奎斯特定律的限制,把信号压缩与采样合并进行,所要求的信号投影测量数据 量远远小于传统采样方法所获的数据量。
[0005] 尽管对单像素成像技术的研宄已经有近十年的研宄,但其成像效果仍然不能尽如 人意,远远低于目前传统光学成像系统的水平。传统的基于热光源的经典关联特性的单像 素鬼成像技术利用激光束通过毛玻璃产生随机散斑光场,最近几年发展起来的单像素计算 鬼成像技术利用计算机输入随机矩阵到数字微镜器件(DMD)产生随机散斑光场,但这两种 方法产生的光场都不能用确定的数学函数解析表达,其图像重建算法基于相关统计数学模 型上,而不具有严格解析表达的数学模型基础。这两种方法在重建具有较高质量的图像时 需要对目标物体进行多达几万次以上的测量,测量次数多,成像时间长。
[0006] 基于以上背景,本发明提出一种能够进行快速高质量成像的基于单像素探测器的 快速主动成像系统。

【发明内容】

[0007] 为了解决现有技术存在的上述问题,本发明提供了一种能够进行高质量成像的基 于离散余弦变换的单像素快速主动成像系统,结构简单,无需任何扫描,能够避免成像环境 中背景光的干扰,所利用的数据仅仅为被调制目标的光强信号,成像速度快,且能够在采集 少量光强信号的情况下进行单像素成像。
[0008] 本发明的技术方案如下:基于离散余弦变换的单像素快速主动成像系统,包括光 场生成模块(1)、光场投射器(2)、被探测目标物(3)、单像素探测器(4)、图像重建模块(5); 其中:
[0009] 光场生成模块(1):生成两组光场信号,并输出到光场投射器,每一空间频率在两 组光场信号中都有一个光场与之对应,即每一空间频率对应两个光场信号;
[0010] 光场投射器(2):根据接收到的两组光场信号将相应的两组光场投射到被探测目 标物上;
[0011] 单像素探测器(4):接收被探测目标物的反射光信号,将光信号转换为电信号,得 到对应每一空间频率的两个电信号,并将电信号输出到图像重建模块(5);
[0012] 图像重建模块(5):根据接收到的电信号重建图像,具体为:将对应同一空间频率 的两个电信号相减,得到对应该空间频率的二维离散余弦变换的系数,对全部系数进行二 维离散余弦逆变换,从而得到重建的图像。
[0013] 本发明的原理:通过光场投射器向被探测目标物投射两组光场,其光场的独特之 处是由光场生成模块产生的基于二维离散余弦变换的二维余弦正交结构光场,利用单像素 探测器采集由该光场调制被探测目标物后发出的光强信号来获得二维离散余弦变换频谱 系数,在图像重建模块中利用二维离散余弦逆变换算法对目标物的像进行重建。
[0014] 将被探测目标物的像用一个大小为MXN像素的二维图像f(x,y)表示,利用光场 投射器分别向被探测目标物投射两组二维余弦正交结构光场,两组光场分别可以被表示 为:
[0017] 式中,
,c(u)、C(v)是分别随 u、v 变化的系数,下同;x、y是空间坐标,x取0~M-1之间的整数、y取0~N-1之间的整数;a 是光场的平均光强、b是对比度,a、b取正;u、v分别表示光场横向、纵向的空间频率,其中u 为0~M-1之间的整数、v为0~N-1之间的整数。
[0018] 每一组空间频率(u,v)对应于两个余弦正交结构光场匕(11,0 *F2(u,v),分别 照射目标物体,用单像素探测器依次分别接收这两个来自目标物体的光强信号Di (u,v)、 D2 (u,V),则F(u,V)=Di(u,V)-D2 (u,V)即为被探测目标物对应于空间频率(u,V)下的二维 离散余弦变换系数。由于成像环境中有背景光的干扰,将其视为加性噪声,并且在成像过 程中为一常数6,则光强信号〇 1(11^)、〇2(11,0中均含有背景光干扰6,经过公式?(11^)= 处理后,背景光干扰e被减去,所以本发明能够避免成像环境中背景光的 干扰。由于单像素探测器无需任何扫描,能够大大提高采集信号的速度,也相应的节省了整 个成像时间。
[0019] 将以上公式表示各个空间频率的光场依次照射目标物体,并依次采集记录单像素 探测器的响应值,即可根据其响应值获得被探测目标物的离散余弦变换谱F(u,v),通过相 应的算法依据公式:
[0020]
[0021] 对F(u,v)进行二维离散余弦逆变换,重建目标物体的图像I(x,y)。重建目标物体 所使用的数据仅仅为单像素探测器采集到的光强信号,因此本发明能够大大减少实验数据 的存储量,减轻了系统的存储、传输压力。
[0022] 本发明的理论依据如下:
[0023] 大小为MXN的二维图像的离散余弦变换和离散余弦逆变换分别由如下两式表 示:
[0024]
[0026] 式中,
,C(u)、C(v)是分别随 u、v 变化的系数,下同;x、y是空间坐标,x取0~M-1之间的整数、y取0~N-1之间的整数;u、 v是光场横向、纵向的空间频率,其中u为0~M-1之间的整数、v为0~N-1之间的整数。 其中,f(x,y)是被变换的二维图像,F(u,v)是对应于频率(u,v)的二维离散余弦变换系数, I(x,y)是经过二维离散余弦逆变换恢复出的图像。
[0027] 在二维离散余弦
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