CN107462932B - 一种基于光计算的可视化计算鬼成像***及成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于光计算的可视化计算鬼成像***及成像方法，成像***包括结构光斑发射源，结构光斑发射源发出的光经过分束器分为两束，其中，光束I照射到待成像物体后被桶探测器接收，光束II经过外调制器和用于带通滤波像增强处理的光学信息处理***成像到低速感光物体上。桶探测器的信号输出端通过双掷开关选择性连接内调制器或外调制器，其中，信号经过内调制器加载在结构光斑发射源的控制单元上；或者，信号经过外调制器直接加载在光束II上。本发明通过内调制与外调制过程，将光计算引入鬼成像，替代计算机处理；利用低速感光物体在观察时会自动进行时间积分计算，替代传统鬼成像计算机系综平均运算，能够高速地得到待成像物体的可视化鬼成像。

Description

一种基于光计算的可视化计算鬼成像***及成像方法
技术领域
本发明涉及成像探测领域，具体为一种基于光计算的可视化计算鬼成像***及成像方法。
背景技术
光学鬼成像技术是通过双路光信号符合探测恢复待测物体空间信息实现的。其特点是包含物体信息的信号光(signal beam)被无空间分辨能力的桶探测器探测；只包含光源强度分布信息的闲置光(idler beam)不通过物体，直接被具有空间分辨能力的面阵探测器进行探测，如CCD等。因此，通过双光路对应的两个探测器中任意一路信号都不能得到物体的像，但是通过对两路信号进行符合后即能够得到物体的像。
现有的鬼成像技术均需要前端进行大量的数据采集以及后端计算机的处理，十分占用资源，且成像速度慢，***复杂。从采集到成像往往需要一定的处理时间，同时不能做到直接可视化，需要经过先光电转化再电光转化的过程。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于光计算的可视化计算鬼成像***及成像方法，运用光计算替代经典计算鬼成像中的计算机关联运算，运用低速感光物体的视觉暂留效应替代经典计算鬼成像中计算机系综平均处理过程，成像速度快，分辨率高。
为了实现上述目的，本发明基于光计算的可视化计算鬼成像***：
包括结构光斑发射源，结构光斑发射源发出的光经过分束器分为两束，其中，光束I照射到待成像物体后被桶探测器接收，光束II经过外调制器成像到低速感光物体上。所述桶探测器的信号输出端通过双掷开关选择性连接内调制器或外调制器，其中，信号经过内调制器加载在结构光斑发射源的控制单元上；或者，信号经过外调制器直接加载在光束II上。
所述外调制器与低速感光物体之间设置有用于带通滤波像增强处理的光学信息处理***。
所述的光学信息处理***与低速感光物体之间设置有反射屏。
所述的低速感光物体选用人眼、荧光粉、胶片或者CCD相机。
本发明基于光计算的可视化计算鬼成像***的成像方法，包括以下步骤：
1)结构光斑发射源发出的光经过光分束器分为光束I和光束II，其中光束I直接照射到待成像物体上，经过反射后被桶探测器接收；
2)桶探测器测量得到的光强信号通过双掷开关选择性连接内调制器或外调制器；
被调制前光束II的光强为：I1(x1,y1,t)＝E*(x1,y1,t)E(x1,y1,t)；
在上式中，E(x1,y1,t)是光束II在t时刻坐标点(x1,y1)处被调制前的场强，E*(x1,y1,t)是E(x1,y1,t)的共轭项，I1(x1,y1,t)是光束II在t时刻坐标点(x1,y1)处被调制前的光强；
桶探测器在t时刻探测到的总光强值为：
I2(t)＝<E*(x2,y2,t)E(x2,y2,t)>＝∫obj|E(xs,ys,t)h(xs,ys,x2,y2)T(x2,y2,t)|2dx2dy2；
在上式中，(xs,ys)代表光源上的一点，(x2,y2)代表待成像物体上的一点，E(xs,ys,t)是在t时刻光源坐标点(xs,ys)处的场强，E(x2,y2,t)是光束I在t时刻坐标点(x2,y2)处的场强，E*(x2,y2,t)是E(x2,y2,t)的共轭项，h(xs,ys,x2,y2)是光波从光源到桶探测器传播过程中的脉冲响应函数，T(x2,y2,t)是待成像物体的孔径函数，I2(t)是桶探测器(4)在t时刻探测到的总光强值；
3)内调制器把桶探测器的输出信号加载在结构光斑发射源的控制单元上实现对光束II的强度调制，或者，外调制器在得到桶探测器获取的输出信号后用于实现对光束II的强度调制，光束II被内调制器或者外调制器调制后，完成光的乘法计算(I1(x1,y1,t)×I2(t))，之后传输至光学信息处理***进行带通滤波增强处理后传输至低速感光物体；
4)低速感光物体(10)自动进行时间积分计算，按下式实现系综平均计算：
Figure BDA0001370929370000021
在上式中，I1(x1,y1,t)代表光束II上t时刻坐标点(x1,y1)的光强，I2(t)代表t时刻桶探测器上探测到的总光强值，T代表低速感光物体视觉暂留时间。
所述的光学信息处理***采用4f***实现带通滤波去除图像的背底以及图像的增强。
所述的结构光斑发射源利用Matlab软件控制产生Hadamard结构散斑，并通过数字微镜阵列设备DMD进行投射。
与现有技术相比，本发明的成像***具有如下的有益效果：通过分束器将结构光斑发射源发出的光分为两束，光束I照射到待成像物体后被桶探测器接收，光束II经过外调制器成像到低速感光物体上，桶探测器的信号输出端通过双掷开关选择性连接内调制器或外调制器，该成像***同时结合了信号的内调制与外调制过程，将光计算引入鬼成像，替代计算机处理，能够直接实现可视化鬼成像，低速感光物体在观察时会自动进行时间积分计算，替代传统鬼成像计算机系综平均运算，能够高速地得到待成像物体的可视化鬼成像。
与现有技术相比，本发明的成像方法具有如下的有益效果：将光计算引入鬼成像，替代计算机处理，实现了新的鬼成像计算处理方法，能够直接实现可视化鬼成像，低速感光物体在观察时会自动进行时间积分计算，替代传统鬼成像计算机系综平均运算，高速地得到待成像物体的可视化鬼成像。本发明的成像***及成像方法不易受环境温度、湿度变化的影响，具有良好的抗扰动特性，用单路调制实现了无限多的阵列调制。本发明的成像速度快，分辨率高，与已有的各种计算鬼成像的成像方法相比，该成像***能够更加精确更加快地呈现待成像物体的像，同时结构的复杂度和成像速度不会随着分辨率的提高而变化，本发明的成像质量高，与已有的各种鬼成像方法相比，能够实现近距离和远距离目标较高质量的成像。
附图说明
图1本发明基于光计算的可视化计算鬼成像***结构原理图；
图2数字微镜阵列设备(DMD)投射的结构散斑示例图；
图3CCD相机作为低速感光物体得到的物体图像；
附图中：1-结构光斑发射源；2-分束器；3-待成像物体；4-桶探测器；5-双掷开关；6-内调制器；7-外调制器；8-光学信息处理***；9-反射屏；10-低速感光物体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的成像过程可以表述为：两束光波分别对应一个桶探测器和一个调制器，通过反馈共同作用，达到光计算的关联运算。低速感光物体捕捉到被调制后的光强度信号后，实现光计算的积分运算，完成了两束光波的光强的符合测量。二阶关联函数中包含物体的信息，即物体的孔径函数，可以通过光计算，最终在低速感光物体中呈现出待成像物体的像。
本发明基于光计算的可视化计算鬼成像***及成像方法创新之处体现在：
一是运用光计算替代了经典计算鬼成像中计算机关联运算；二是运用低速感光物体(如人眼)视觉暂留效应替代经典计算鬼成像中计算机系综平均处理过程；三是直接成像，以可视化替代了计算机呈现；四是可以用单路调制实现无限多的阵列调制。
参见图1，本发明基于光计算的可视化计算鬼成像***，包括结构光斑发射源1，结构光斑发射源1发出的光经过分束器2分为两束，其中，光束I照射到待成像物体3后被桶探测器4接收，光束II经过外调制器7成像到低速感光物体10上。桶探测器4的信号输出端通过双掷开关5选择性连接内调制器6或外调制器7，其中，信号经过内调制器6加载在结构光斑发射源1的控制单元上；或者，信号经过外调制器7直接加载在光束II上。光学信息处理***8与低速感光物体10之间设置有反射屏9。低速感光物体10为人眼或者CCD相机。
(1)经典计算鬼成像技术方案；
被调制前某一点的光强分布，即闲置光(idler beam)为：
I1(x1,y1,t)＝E*(x1,y1,t)E(x1,y1,t)；
桶探测器上探测到的总光强为：
I2(t)＝<E*(x2,y2,t)E(x2,y2,t)>＝∫obj|E(xs,ys,t)h(xs,ys,x2,y2)T(x2,y2,t)|2dx2dy2；
在上式中，(xs,ys)代表光源上的一点，(x2,y2)代表待成像物体上的一点，E(xs,ys,t)是光束I在t时刻坐标点(xs,ys)处被调制前的场强，E(x2,y2,t)是光束I在t时刻坐标点(x2,y2)处被调制前的场强，E*(x2,y2,t)是E(x2,y2,t)的共轭项，h(xs,ys,x2,y2)是光波从光源到桶探测器传播过程中的脉冲响应函数，T(x2,y2,t)是待成像物体的孔径函数，I2(t)是桶探测器(4)在t时刻探测到的总光强值。经过符合测量得到物体的像，即通过如下关联运算：
G(2)(x1,y1)＝<I1(x1,y1,t)I2(t)〉
以上经典的计算鬼成像过程可以概况为：每次计算得到的物体表面处光强分布I1，与相应每次桶探测器测量得到的光强信号I2，通过计算机做关联运算，经过系综平均(时间平均)后，得到物体的像。其特点是在获取成像所需的数据后，成像的所有过程都由计算机完成。成像的快慢取决于计算机对数据的获取快慢和处理能力强弱。
(2)本发明所述的基于光计算的可视化计算鬼成像方法；
本发明引入光计算替代上述过程中计算机完成的关联运算，利用视觉残留效应完成计算机的系综平均运算，利用低速感光物体替代计算机呈现物体的像，具体的技术方案如下：
将桶探测器4测量得到的光强信号I2，反馈到内调制器6或外调制器7上，实现光计算(乘法)，即两个光强的关联运算：I1(x1,y1)×I2；
光束II被调制后作用在低速感光物体上，由于视觉暂留现象，光对低速感光物体产生的视觉在光停止作用后，仍保留一段时间。即光像一旦在低速感光物体上形成，将会对这个光像的感觉维持一个有限的时间，对于中等亮度的光刺激，如人眼视觉暂留时间约为0.1-0.4秒。
在该可视化计算鬼成像方法中，光强是随时间而改变的，所以上式系综平均可改写为对时间的积分，实现光计算(积分或累加)，即：
Figure BDA0001370929370000051
其中，T代表低速感光物体视觉暂留时间。
利用Matlab软件控制产生Hadamard结构散斑，通过数字微镜阵列设备(DMD)投射，结构光斑如图2所示。结构光斑发射源1发出光经过分束器2分成两束：光束I经过待成像物体3(本实施例中物体为8×8像素的字母F)反射的光波被桶探测器4接收；双掷开关5选择连通外调制器7，桶探测器4的电信号反馈作用到外调制器7上，实现对光束II的外调制，完成光计算。反射屏9用于显示调制后的散斑，经过光学信息处理***8带通滤波的像增强处理。人眼(低速感光物体10)在观察时会自动进行二阶关联函数计算，得到物体3的像。用CCD模拟人眼可以得到物体的像如图3所示，分辨率能够无限高。

Claims (7)

1.一种基于光计算的可视化计算鬼成像***，其特征在于：包括结构光斑发射源(1)，结构光斑发射源(1)发出的光经过分束器(2)分为两束，其中，光束I照射到待成像物体(3)后被桶探测器(4)接收，光束II经过外调制器(7)成像到低速感光物体(10)上；
所述桶探测器(4)的信号输出端通过双掷开关(5)选择性连接内调制器(6)或外调制器(7)，其中，信号经过内调制器(6)加载在结构光斑发射源(1)的控制单元上；或者，信号经过外调制器(7)直接加载在光束II上；光束I和光束II通过反馈共同作用，达到光计算的关联运算；低速感光物体(10)捕捉到被调制后的光强度信号后，实现光计算的积分运算，完成了两束光波的光强的符合测量，最终在低速感光物体(10)中呈现出待成像物体的像。
2.根据权利要求1所述基于光计算的可视化计算鬼成像***，其特征在于：所述的外调制器(7)与低速感光物体(10)之间设置有用于带通滤波像增强处理的光学信息处理***(8)。
3.根据权利要求2所述基于光计算的可视化计算鬼成像***，其特征在于：所述的光学信息处理***(8)与低速感光物体(10)之间设置有反射屏(9)。
4.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述基于光计算的可视化计算鬼成像***，其特征在于：所述的低速感光物体(10)选用人眼、荧光粉、胶片或者CCD相机。
5.一种如权利要求1所述基于光计算的可视化计算鬼成像***的成像方法，其特征在于：
1)结构光斑发射源(1)发出的光经过光分束器(2)分为光束I和光束II，其中光束I直接照射到待成像物体(3)上，经过反射后被桶探测器(4)接收；
2)桶探测器(4)测量得到的光强信号通过双掷开关(5)选择性连接内调制器(6)或外调制器(7)；
被调制前光束II的光强为：I1(x1，y1，t)＝E*(x1，y1，t)E(x1，y1，t)；
在上式中，E(x1，y1，t)是光束II在t时刻坐标点(x1，y1)处被调制前的场强，E*(x1，y1，t)是E(x1，y1，t)的共轭项，I1(x1，y1，t)是光束II在t时刻坐标点(x1，y1)处被调制前的光强；
桶探测器(4)在t时刻探测到的总光强值为：
I2(t)＝<E*(x2，y2，t)E(x2，y2，t)>＝∫obj|E(xs，ys，t)h(xs，ys，x2，y2)T(x2，y2，t)|2dx2dy2；
在上式中，(xs，ys)代表光源上的一点，(x2，y2)代表待成像物体上的一点，E(xs，ys，t)是在t时刻光源坐标点(xs，ys)处的场强，E(x2，y2，t)是光束I在t时刻坐标点(x2，y2)处的场强，E*(x2，y2，t)是E(x2，y2，t)的共轭项，h(xs，ys，x2，y2)是光波从光源到桶探测器传播过程中的脉冲响应函数，T(x2，y2，t)是待成像物体的孔径函数，I2(t)是桶探测器(4)在t时刻探测到的总光强值；
3)内调制器(6)把桶探测器(4)的输出信号加载在结构光斑发射源(1)的控制单元上实现对光束II的强度调制，或者，外调制器(7)在得到桶探测器(4)获取的输出信号后用于实现对光束II的强度调制，光束II被内调制器(6)或者外调制器(7)调制后，完成光的乘法计算I1(x1，y1，t)×I2(t)，之后传输至光学信息处理***(8)进行带通滤波增强处理后传输至低速感光物体(10)；
4)低速感光物体(10)自动进行时间积分计算，按下式实现系综平均计算：
Figure FDA0002188586900000021
在上式中，I1(x1，y1，t)是光束II在t时刻坐标点(x1，y1)处被调制前的光强，I2(t)代表t时刻桶探测器(4)上探测到的总光强值，T代表低速感光物体视觉暂留时间。
6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于：所述的光学信息处理***(8)采用4f***实现带通滤波去除图像的背底以及图像的增强。
7.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于：所述的结构光斑发射源(1)利用Matlab软件控制产生Hadamard结构散斑，并通过数字微镜阵列设备DMD进行投射。
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