基于结构光照明和单像素成像的边界提取方法和系统与流程

本发明公开了一种基于结构光照明和单像素成像的边界提取方法和系统，属于光学信息处理领域。

背景技术：

单像素成像作为一种新型的成像方式，因其新颖的物理内涵，独特的成像能力，潜在的广泛应用，逐渐获得了越来越多的关注。作为单像素成像的典型代表，关联成像近年来也取得了长足的发展。在传统的赝热光关联成像中，一束光与目标(或样本)作用后被一个无空间分辨能力的单像素(或“桶”)探测器接收，作为信号路；另一束光，不与目标相互作用，直接被扫描针孔探测器或高分辨率阵列探测器接收，作为参考路。单像素成像技术的奇妙之处在于单独其中任何一条光路均无法恢复出目标图像：信号光路与目标发生作用，可是其探测器却没有空间分辨能力；参考光路探测器具有空间分辨能力，但是该光路却没有与物体发生作用。然而，对两个探测器接收的信号进行关联运算，便能够重建出目标图像。

由于具备了如此奇特的性质，关联成像提供了一种新型的强大的成像方式。近年来，对关联成像的研究热点已经逐渐从物理机制和基础理论研究转移到实际应用中的探讨。关联成像的强抗噪声特性以及在散射介质中良好成像能力使得关联成像能够从诸如生物组织，浑浊液体中恢复目标信息，在生物医学成像中具有巨大潜在应用。同时，结合数字微镜器件以及关联成像的优势，使得关联成像在荧光成像、遥感和生物医学成像等领域均具有重要应用。

关联成像是上个世纪九十年代逐渐发展起来的一种新型成像方式，是量子光学成像方面的新兴领域，与量子纠缠概念的提出和发展有着密不可分的关系。1995年，史砚华等人利用晶体自发参量下转换过程制备的双光子纠缠态第一次完成了关联成像实验，实验中他们在并未放置待测物体的光路上再现出来了该物体的像，这种奇特的现象引发了当时人们极大的研究热情。此后一段时间内，人们一度认为关联成像的这种奇妙特性是量子纠缠所特有的，是经典物理所不能制备和完成的。然而在2002年boyd等人创造性地使用he-ne激光器所产生的激光照射随机旋转的反射镜得到的经典光源进行关联成像，得到了与纠缠双光子源关联成像相类似的结果。这个实验的问世否认了经典光源不能完成关联成像的理论，也引发了当时人们强烈的研究兴趣。大量的理论和实验都表明了热光可以作为一种新型的光源模仿参量下转换产生的纠缠光源用以实现关联成像。

国内，韩申生等人利用统计光学理论分析了经典热光关联成像，并提出了利用x光源实现无透镜傅里叶变换关联成像的应用方案。汪凯戈等人从几何光学角度对量子纠缠关联成像和经典关联成像进行了比较，研究了关联成像和亚波长干涉效应。朱诗尧等人也从量子纠缠、干涉和关联成像的角度出发，分析了相干光源和非相干光源的异同点。吴令安等人利用铷空心阴极电子管作为真热光源实现了关联成像和关联干涉的一系列实验。

最近几年，关于热光源强度关联成像的研究已成为量子光学领域的前沿和热点，使热光强度关联成像从理论到实验，进而不断朝着实用化方向发展。如shapiro从理论、bromberg等人从实验上先后提出了计算关联成像系统，只利用一个单像素探测器，通过一定的计算即能高分辨地呈现物体的像。白岩峰等人探讨了热光源高阶关联成像方案，分析了二阶关联成像和高阶关联成像的异同点。meyers等人阐明了反射式关联成像理论，与传统透射式关联成像不同，反射式关联成像系统更适合在实际场景中应用。随后，人们对热光关联成像及其对比度、可见度、信噪比、分辨率等方面进行了更加深入的理论探索与实验研究。

边界信息是物体的重要特征之一。在物体的强度关联成像中，通过大量的随机相位板照射物体，通过多次探测，进而实现统计关联成像的。因此，如何通过相位板的设计，使得物体的成像更多的呈现物体的纹理特征，将为目标物体的识别带来便利。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于结构光照明和单像素成像的边界提取方法和系统，即利用光学成像的方法对被测物体或图像进行边界提取，通过一次成像即可提取任意方向的边界信息，将提高边界提取的速度和效率。该方法和系统将为图像分割、特征提取、目标识别等带来方便。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于结构光照明和单像素成像的边界提取系统，由依次排列的激光器、第一凸透镜和第一分束镜构成，在第一分束镜后面设置有两个反射镜，两个反射镜分别对应一个空间光调制器，两个空间光调制器出来的光汇聚于第二分束镜，第二分束镜的后面依次设置第二凸透镜和单像素探测器，物体或图像放置在第二分束镜与第二凸透镜之间，其中单像素探测器和空间光调制器分别与微处理器连接，通过微处理器对空间光调制器进行控制,单像素探测器探测的光强输入到微处理器。

上述基于结构光照明和单像素成像的边界提取系统，所述空间光调制器是液晶空间光调制器。

上述基于结构光照明和单像素成像的边界提取系统，利用光学干涉系统生成结构光，对物体或图像平面进行照射；利用单像素探测器接收第二凸透镜的光强，探测的光强信号输入到微处理器，与生成结构光光强的随机模板进行关联运算，获得物体或图像的边界信息；所述光学干涉系统由依次排列的激光器、第一凸透镜和第一分束镜构成，在第一分束镜后面设置有两个反射镜，两个反射镜分别对应一个空间光调制器，两个空间光调制器出来的光汇聚于第二分束镜，第二分束镜的后面依次设置第二凸透镜和单像素探测器，物体或图像放置在第二透镜和单像素探测器之间，单像素探测器和空间光调制器分别与微处理器连接。

上述基于结构光照明和单像素成像的边界提取系统，所述光学干涉系统生成结构光包括以下步骤：从两个反射镜出来的两束相干光分别经空间光调制器生成的相位板和调制后，进行相干叠加，即

其中，i为具有水平或垂直梯度的结构光光强，r为任意选取的随机相位函数，*表示卷积运算，h(ξ,η；l)为菲涅耳衍射的点脉冲函数，即

式中，(ξ,η)为空间域坐标，l为相位板到物体或图像平面的衍射距离，λ为入射光的波长。

上述基于结构光照明和单像素成像的边界提取系统，所述的相位板和是依据公式(1)计算获取的，其计算方法在于

式中

和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，arg(·)表示取辐角，abs(·)表示取模运算。

上述基于结构光照明和单像素成像的边界提取系统，所述具有水平或垂直梯度的结构光光强i，

其中，ir为任意选取的随机模板，其值均匀分布在0～1之间，和分别为ir在其水平和垂直梯度方向上的结构光光强。

上述基于结构光照明和单像素成像的边界提取系统，所述利用光学干涉系统生成结构光，对物体或图像平面进行照射，利用单像素探测器接收第二凸透镜的光强，是指具有水平或垂直梯度的结构光光强和对物体或图像t(x,y)进行调制后，经凸透镜汇聚于单像素探测器，即

式中，t(x,y)为被探测物体或图像，和分别为利用水平和垂直梯度的结构光光强照射物体或图像时单像素探测器接收的光强。

上述基于结构光照明和单像素成像的边界提取系统，所述单像素探测器探测的光强信号输入到微处理器，与生成结构光光强的随机模板进行关联运算，是指将单像素探测器探测的数据和和预先选定的随机模板ir进行关联运算，即可获得物体或图像的边界信息，即

式中，m为测量次数，<·>表示对所有探测量取平均值，和利用水平和垂直梯度的结构光提取的物体或图像的边界信息；物体或图像的边界信息即为

|·|表示取绝对值。

本发明的有益效果在于：利用光学成像系统进行边界提取，能够在对被测物体或者图像进行光学探测时直接提取物体或者图像的边界或纹理信息，将为后续对被测物体或者图像进行特征提取和目标识别带来方便。

附图说明

图1为本发明作为实施例采用的一幅随机模板ir。

图2和图3为由图1计算获取的水平和垂直梯度方向上的光强，即和

图4为本发明所采用的边界提取系统示意图。

图5为本发明作为实施例采用的二值图像，含有128*128个像素。

图6为利用本发明提供的方法对图8的边界提取效果，测量次数m＝20000。

图7为本发明作为实施例采用的灰度图像，含有178*178个像素。

图8为利用本发明提供的方法对图7的边界提取效果，测量次数m＝50000。

具体实施方式

如图4所示的一种基于结构光照明和单像素成像的边界提取系统，由依次排列的激光器1、第一凸透镜2和第一分束镜3构成，在第一分束镜3后面设置有两个反射镜4、6，两个反射镜分别对应一个空间光调制器5、7，两个空间光调制器出来的光汇聚于第二分束镜8，第二分束镜的后面依次设置第二凸透镜10和单像素探测器11，物体或图像9放置在第二分束镜与第二凸透镜之间，其中单像素探测器11和空间光调制5、7器分别与微处理器连接通过微处理器对空间光调制器进行控制。

本发明的空间光调制器是液晶空间光调制器，本发明具体实施例中微处理器用的是计算机。

一种基于结构光照明和单像素成像的边界提取方法，包括以下步骤：

1.任意选取一幅随机模板ir，如图1所示，其值均匀分布在0～1之间。根据如下公式(1)和(2)，分别计算其水平和垂直梯度方向上的光强，即和如图2和图3所示。

2.依据光的干涉原理和系统，如图8所示，计算能够获得结构光光强和的相位板

根据光的干涉原理，式中

和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换；arg(·)表示取辐角，abs(·)表示取模运算；i表示具有水平(或垂直)梯度的结构光光强，即或r为任意选取的随机相位函数，其值均匀分布在0～2π之间；h(ξ,η；l)为菲涅耳衍射的点脉冲函数，即

式中，(ξ,η)为空间域坐标，λ为激光器1产生的入射光的波长，λ＝632.8nm，l为液晶空间光调制器5和7到物体或图像10的平面衍射距离，l＝0.5m。

3.如图8所示，激光器1发出一束相干光，经第一凸透镜2准直，然后由第一分束镜3分为两束，两束光分别经反射镜4和6反射，生成两束相干光。通过微处理器控制液晶空间光调制器5和7，在干涉系统的两光路中分别产生步骤2中计算获取的相位板和对光场进行调制，调制之后的光场经分束镜8进行相互干涉，可用数学公式表述为

两空间光调制器5和7到物体或图像的平面衍射距离同为l＝0.5m。这样，在物体或图像平面9上即可得到具有水平(或垂直)梯度的结构光光强或

4.具有水平(或垂直)梯度的结构光光强和对物体或图像t(x,y)9进行调制后，经凸透镜11会聚于单像素探测器11，即

式中，和分别为利用水平和垂直梯度的结构光光强照射物体或图像时单像素探测器12接收的光强。

5.将单像素探测器12探测的数据和和预先选定的随机模板ir进行关联运算，即可获得物体或图像的边界信息，即

式中，m为测量次数，<·>表示对所有探测量取平均值，和利用水平和垂直梯度的结构光提取的物体或图像的边界信息。物体或图像的边界信息即为

|·|表示取绝对值。