CN111707413B - 一种基于单像素探测器的质心探测方法 - Google Patents

一种基于单像素探测器的质心探测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于单像素探测器的质心探测方法，包括以下步骤：S1、建立光电探测采集***，生成三个二维阵列矩阵A、B、C；S2、令矩阵A每列的元素值等于所在列对应的列数，B矩阵每行的元素值等于所在行对应的行数，C矩阵的元素值恒为1，生成具有A、B、C矩阵分布的二维调制信息；S3、照明光按照二维调制信息模式调制后照射目标物体或者对目标物体所成的图像按照二维调制信息模式进行调制；S4、利用光电探测采集***中的数据采集单元获取关于目标反射光的强度值，代入到质心求解算法中，解算目标质心位置参数。本发明通过融合单像素成像方法和质心探测技术，能够实现高准确度探测目标质心的位置参数，为质心探测领域提供了一种新方法。

Description

一种基于单像素探测器的质心探测方法
技术领域
本发明涉及计算成像领域，尤其涉及一种基于单像素探测器的质心探测方法。
背景技术
质心探测技术一般用在追踪运动的目标物体和Shack-Hartman传感器中，在追踪快速运动的目标物体时，利用质心探测方法可以捕捉到目标物体质心的位置变化，从而勾勒出目标物体的运动轨迹。而在Shack-Hartman传感器中，主要是通过微透镜阵列和CCD图像传感器来获取光斑质心的位置。CCD图像传感器获取目标图像的信噪比就决定了获取目标质心位置的准确度。而在某些情况下，例如信号光比较弱并且有强背景光的干扰，传统的CCD图像传感器获取目标图像的信噪比就会大大降低，从而影响目标质心的探测准确度。近几年来，一种新兴的成像方法单像素成像技术越来越受到研究学者们的重视。单像素成像的方法使用时空变换的光场照射物体，通过仅有一个像素的探测器来进行物理信息的采样，最后利用相应的算法获得目标信息。由于单像素探测器具有较强的光敏感度和较宽的光谱响应范围，因此单像素成像在微弱光成像、不可见光成像等领域有着很大的应用前景。但如何利用单像素成像的方法直接探测目标物体的质心位置，截至目前为止，未见相关研究报道。
发明内容
为了实现利用单像素成像来探测目标质心位置，本发明提供一种基于单像素探测器的质心探测方法。本发明采用以下技术方案：
一种基于单像素探测器的质心探测方法，包括以下步骤：
S1、建立光电探测采集***，所述光电探测采集***包括光产生组件、数字微镜DMD、透镜、光电探测器、数据采集单元，所述光电探测采集***中的光产生组件生成三个二维阵列矩阵A、B、C，所述光电探测器为单像素探测器；
S2、令矩阵A每列的元素值等于所在列对应的列数，B矩阵每行的元素值等于所在行对应的行数，C矩阵的元素值恒为1，生成具有A、B、C矩阵分布的二维调制信息；
S3、照明光按照二维调制信息模式调制后照射目标物体或者对目标物体所成的图像按照二维调制信息模式进行调制；
S4、利用光电探测采集***中的数据采集单元获取关于目标反射光的强度值，代入到质心求解算法中，解算目标质心位置参数。
所述光电探测采集***的第一种方案为：光电探测采集***包括光产生组件、数字微镜DMD、透镜、光电探测器、数据采集单元，所述光产生组件的光束照射到数字微镜DMD上，经过数字微镜DMD调制的光经过透镜后对目标物体进行照射，目标物体反射后的光信号由光电探测器转换成电信号，所述电信号发送到数据采集单元中。
所述光电探测采集***的第二种方案为：光电探测采集***包括光产生组件、数字微镜DMD、透镜、光电探测器、数据采集单元，所述光产生组件的光束照射到目标物体上，然后目标物体反射后的光经过透镜照射到数字微镜DMD上，经过数字微镜DMD调制的光信号由光电探测器转换成电信号，所述电信号发送到数据采集单元中。
具体地说，步骤S2中，令二维调制信息中关于矩阵A、B、C的元素值分别满足以下表达式：S1(x,y)＝x，S2(x,y)＝y，S3(x,y)＝1，式中函数S(x,y)表示二维矩阵中对应着坐标(x,y)处的元素值。
具体地说，步骤S4中具体包括以下步骤：
S41、所述数据采集单元获取关于目标物体反射光的强度值由以下表达式得到：
Figure GDA0003279494940000021
其中f(x,y)为目标物体或目标物体所成的图像的二维分布函数，I1，I2和I3为通过数据采集单元所获取的强度值；
S42、得到强度值之后，代入到质心算法中，得到目标物体的质心位置表达式为：xc＝I1/I3，yc＝I2/I3，式中(xc,yc)为目标质心的位置坐标。
本发明的优点在于：本发明通过融合单像素成像方法和质心探测技术，能够实现探测目标质心的位置参数，为质心探测领域提供了一种新方法。尤其是在某些面阵探测器无法响应或者造价昂贵的波段，对质心探测的实际应用有着推动作用。
附图说明
图1为利用单像素成像方法探测质心的流程图。
图2为根据本发明的一个具体实施案例而生成的二维投影图案。
图3为利用单像素成像的方法探测目标质心位置误差仿真结果图。
图4为利用单像素成像的方法探测目标质心位置误差仿真曲线图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于单像素探测器的质心探测方法，包括以下步骤：
S1、建立光电探测采集***，所述光电探测采集***包括光产生组件、数字微镜DMD、透镜、光电探测器、数据采集单元，所述光电探测采集***中的光产生组件生成三个二维阵列矩阵A、B、C，所述光电探测器为单像素探测器。
所述光电探测采集***包括两种方案：
第一种方案为：
所述光电探测采集***包括光产生组件、数字微镜DMD、透镜、光电探测器、数据采集单元，所述光产生组件的光束照射到数字微镜DMD上，经过数字微镜DMD调制的光经过透镜后对目标物体进行照射，目标物体反射后的光信号由光电探测器转换成电信号，所述电信号发送到数据采集单元中。
第二种方案为：
所述光电探测采集***包括光产生组件、数字微镜DMD、透镜、光电探测器、数据采集单元，所述光产生组件的光束照射到目标物体上，然后目标物体反射后的光经过透镜照射到数字微镜DMD上，经过数字微镜DMD调制的光信号由光电探测器转换成电信号，所述电信号发送到数据采集单元中。
S2、令矩阵A每列的元素值等于所在列对应的列数，B矩阵每行的元素值等于所在行对应的行数，C矩阵的元素值恒为1，生成具有A、B、C矩阵分布的二维调制信息；其中三张二维投影图案如图3所示，具体地说，令二维矩阵A、B、C的元素值分别满足以下表达式：S1(x,y)＝x，S2(x,y)＝y，S3(x,y)＝1，式中函数S(x,y)表示二维矩阵中对应着坐标(x,y)处的元素值。
S3、当使用光电探测采集***的第一种方案时，照明光按照二维调制信息模式调制后照射目标物体，当使用光电探测采集***的第二种方案时，目标物体所成的图像按照二维调制信息模式进行调制。
S4、利用光电探测采集***中的数据采集单元获取关于目标反射光的强度值，代入到质心求解算法中，解算目标质心位置参数。具体包括以下步骤：
S41、所述数据采集单元获取目标物体反射光的强度值由以下表达式得到：
Figure GDA0003279494940000041
其中f(x,y)为目标物体二维分布函数，I1，I2和I3为通过光电探测采集***所获取的强度值；
S42、得到强度值之后，代入到质心算法中，可以得到目标物体的质心位置表达式为：xc＝I1/I3，yc＝I2/I3，式中(xc,yc)为目标质心的位置坐标。
为了获取目标质心的位置参数，目标质心的算法表示如下：
Figure GDA0003279494940000042
Figure GDA0003279494940000043
其中，(xc,yc)为目标物体质心的位置坐标。
从上述计算过程可以看出，利用单像素成像的方法可以直接求出目标物体的质心位置，不需要先重建目标物体的图像。
在本发明实施案例中，以一个M×N的目标图像为例，利用质心位置误差和峰值信噪比之间的关系对本发明提出的方法的准确性进行评估。质心位置误差CEE和峰值信噪比PSNR分别利用以下表达式进行计算：
Figure GDA0003279494940000044
Figure GDA0003279494940000045
Figure GDA0003279494940000046
其中MAX为目标图像中灰度的最大值，MSE为均方误差，x0和y0为仿真中物体真实质心位置。图3显示了不同信噪比下质心位置误差的变化。根据多组数据获得图4的线形图，从图4可以看出，使用单像素成像的方法即使在低信噪比情况下，质心位置误差依然能稳定在1个像素以内，随着峰值信噪比的增大，质心的位置误差慢慢减小，准确度也随之提高。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于单像素探测器的质心探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立光电探测采集***，所述光电探测采集***包括光产生组件、数字微镜DMD、透镜、光电探测器、数据采集单元，所述光电探测采集***中的光产生组件生成三个二维阵列矩阵A、B、C，所述光电探测器为单像素探测器；
S2、令矩阵A每列的元素值等于所在列对应的列数，B矩阵每行的元素值等于所在行对应的行数，C矩阵的元素值恒为1，生成具有A、B、C矩阵分布的二维调制信息；
S3、照明光按照二维调制信息模式调制后照射目标物体或者对目标物体所成的图像按照二维调制信息模式进行调制；
S4、利用光电探测采集***中的数据采集单元获取关于目标反射光的强度值，代入到质心求解算法中，解算目标质心位置参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于单像素探测器的质心探测方法，其特征在于，所述光产生组件的光束照射到数字微镜DMD上，经过数字微镜DMD调制的光经过透镜后对目标物体进行照射，目标物体反射后的光信号由光电探测器转换成电信号，所述电信号发送到数据采集单元中。
3.根据权利要求1所述的一种基于单像素探测器的质心探测方法，其特征在于，所述光产生组件的光束照射到目标物体上，然后目标物体反射后的光经过透镜照射到数字微镜DMD上，经过数字微镜DMD调制的光信号由光电探测器转换成电信号，所述电信号发送到数据采集单元中。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于单像素探测器的质心探测方法，其特征在于，步骤S2中，令二维调制信息中关于矩阵A、B、C的元素值分别满足以下表达式：S1(x,y)＝x，S2(x,y)＝y，S3(x,y)＝1，式中函数S(x,y)表示二维矩阵中对应着坐标(x,y)处的元素值。
5.根据权利要求4所述的一种基于单像素探测器的质心探测方法，其特征在于，步骤S4中具体包括以下步骤：
S41、所述数据采集单元获取关于目标物体反射光的强度值由以下表达式得到：
Figure FDA0003279494930000011
其中f(x,y)为目标物体或目标物体所成的图像的二维分布函数，I1，I2和I3为通过数据采集单元所获取的强度值；
S42、得到强度值之后，代入到质心算法中，可以得到目标物体的质心位置表达式为：xc＝I1/I3，yc＝I2/I3，式中(xc,yc)为目标质心的位置坐标。
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