CN112153254B - 一种基于基图的两步相移单像素成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于基图的两步相移单像素成像方法，包括照明图案由计算机根据对应的图像生成公式计算生成；所述照明图案生成单元生成照明图案并通过投影单元将照明图案投影至物体表面，所述物体表面反射的光被所述光电转换单元转换成电信号并由图像重建单元根据重建公式处理生成所述物体的图像；所述图像生成公式包括可生成具有两种相位特征的正弦或余弦编码图部分和可生成只有一种灰度值的基图部分。本发明通过采用具有两种相位特征的正弦或余弦编码图和只有一种灰度值的基图实现了单像素的图像重建，本方法有效的减少了单像素成像过程中需要的照明图案的数量，解决了单像素成像过程中需要的照明图案数量巨大且成像速度缓慢等的问题。

Description

一种基于基图的两步相移单像素成像方法

技术领域

本发明涉及单像素计算成像技术领域，具体涉及一种基于基图的两步相移单像素成像方法。

背景技术

单像素成像(Single-pixel imaging)是通过测量场景与一系列照明图案之间的相关性来重建图像的方法。该成像技术源于“鬼成像(Ghost imaging)”，起初是通过使用由自发参数产生的量子纠缠光子实现。后来随着技术的发展，人们逐步意识到量子纠缠光子并不是实现鬼成像的必要条件。单像素成像是计算成像理论中的一种。作为一种计算成像方法，单像素成像因其成像谱段宽和超出视场角成像的优势而特别受到关注。传统的成像方式需要使用面阵型的具有空间分辨能力的CCD/CMOS图像传感器获取图像的信息，不仅成像的影响因素多、但一时间产生的数据量大而且成本也比较高，特别是在一些非可见光的谱段进行成像时，CCD/CMOS图像传感器的成本消耗往往是难以承受的。单像素成像仅仅需要一个不具有空间分辨能力的光电传感器作为接收器件，只接受同一时刻的一个光强信号，因而数据量小。且由于光电传感器的接收谱段一般情况下要远远大于CCD/CMOS图像传感器，因而单像素成像适用的范围远远大于传统的采用CCD/CMOS图像传感器的方式，并且具有成本低的优势。由于这些优点，单像素成像已经适用于许多领域，包括三维成像、太赫兹成像、多光谱成像和在某些情况下通过湍流进行成像等。

单像素成像需要使用大量的照明图案对被成像物体进行调制获取调制后的光强信号，进而计算获取图片的信息。照明图案是由计算机生成的包含编码信息的一系列图片。通常，照明图案可以分成随机图案和编码图案。随机图案需要的数量往往是巨大的，并且理论上更多的随机图案数量获得的图片的质量也越好。Hadamard和Fourier算法是产生照明图案的两种方法，可以减少所需的照明图案的数量。

公开号为CN106911893A的发明专利申请文件所公开的一种单像素计算成像方法，利用随机二值矩阵与恢复后并进行傅里叶逆变换的单像素数据流矩阵进行约束L1范数优化计算重建原始影像实现单像素计算成像。该专利使用的照明图案是通过随机二值矩阵生成的随机二值方阵并利用数据在频率域的数据稀疏性和中心对称性对该频率域数据流进行数据压缩和数据恢复。本专利使用含有不同相位的两组正弦或者余弦的照明图案以及一幅只有一个灰度值的基图直接根据傅里叶频域的性质反变换实现图像的恢复。

公开号为CN108152204A的发明专利申请文件所公开的一种基于单像素的相位成像方法及装置，使用搭建单像素成像光路对物体进行不同波长的单像素成像。该专利利用了不同波长的单像素成像的成像差，得到物体的相位。

由此可以看出，目前现有技术中存在单像素成像所需要的照明图案数量较大，因此成像时间长，过程繁琐。

发明内容

本发明提出的一种基于基图的两步相移单像素成像方法，可解决现有的单像素成像方法需要的照明图案数量巨大的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于基图的两步相移单像素成像方法，基于成像***，所述成像***包括照明图案生成单元，投影单元，光电转换单元以及图像重建单元；

照明图案由计算机根据对应的图像生成公式计算生成；

所述照明图案生成单元生成照明图案并通过投影单元将照明图案投影至物体表面，所述物体表面反射的光被所述光电转换单元转换成电信号并由图像重建单元根据重建公式处理生成所述物体的图像；

所述图像生成公式包括可生成具有两种相位特征的正弦或余弦编码图部分和可生成只有一种灰度值的基图部分。

进一步的，所述可生成具有两种相位特征的正弦或余弦编码图的生成公式为：

T₁＝nsin2π(p_xx+p_yy)+m和T₂＝ncos2π(p_x x+p_yy)+m，其中T₁和T₂代表了相位相差π/2的两张图片；n、m是常数，n和m的取值范围为[1,255]之间，并且n+m的取值范围为[2,255]；x、y为获取的图片的长、宽像素数量，p_x和p_y为离散的频率取值。

进一步的，所述可具有只有一种灰度值的基图的生成公式为T_j＝n₁，其中 T_j是灰度图的灰度值，n₁代表了常数，并且n₁＝m。

进一步的，所述图像重建单元的重建公式为：

T＝F^-1[(DT₂-DT_j)+(DT_j-DT₁)×i]，其中DT₁，DT₂，DT_j分别为T₁，T₂，T_j图片所对应的电信号值，i为虚部的符号，F^-1代表了傅里叶反变换。

进一步的，所需要的投影图片的数量为2xy+1。

由上述技术方案可知，本发明的基于基图的两步相移单像素成像方法，使用含有不同相位的两组正弦或者余弦的照明图案以及一幅只有一个灰度值的基图直接根据傅里叶频域的性质反变换实现图像的恢复，无需使用不同相位差的性质进行图像恢复。

本发明提供一种结构简单且方便快速的获取单像素成像的方法，通过采用具有两种相位特征的正弦或余弦编码图和只有一种灰度值的基图实现了单像素的图像重建，本方法有效的减少了单像素成像过程中需要的照明图案的数量，全采样情况下需要的照明图案的数量与重建图像像素数相等，此外仅需要一张基图，解决了单像素成像过程中需要的照明图案数量巨大且成像速度缓慢等的问题。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过使用具有两种相位特征的正弦或余弦编码图和只有一种灰度值的基图实现了单像素的图像重建，有效的减少了单像素成像过程中需要的照明图案的数量。

2.本发明有效的降低了需要的照明图案的数量，可以有效的提升单像素成像的速度。

3.本发明的基图只需要投影一次就可以实现获得全场的基图光强信号数据，无需增加测量所需要的次数。

附图说明

图1是本发明的的结构示意图。

图2是本发明的一种照明图案，即具有两种相位特征的正弦或余弦编码图示意图。

图3是本发明的另一种照明图案，即只有一种灰度值的基图示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于基图的两步相移单像素成像方法，包括照明图案生成单元4，将所述照明图案6投影至物体1表面的投影单元2，光电转换单元5以及图像重建单元，所述照明图案6由计算机根据对应的公式计算生成，所述投影单元2由投影设备组成，所述光电转换单元包括光电传感设备和数据采集设备3，所述的图像重建单元由所述的计算机组成；具体的是，光电传感设备为光电二极管，光电倍增管或光敏电阻。

具体的说，所述照明图案生成单元4生成照明图案6并通过投影单元2将照明图案6投影至物体1表面物体1表面反射的光被所述光电转换单元5转换成电信号并由图像重建单元处理生成所述物体1的图像。

如图1所示照明图案生成单元4由计算机组成，计算机图像生成公式计算照明图案各点的像素值，进而画出照明图案6。

其中，所述照明图案分为具有两种相位特征的正弦或余弦编码图部分和只有一种灰度值的基图部分的两个部分。

对应的生成公式，分别为：

所述的具有两种相位特征的正弦或余弦编码图的生成公式为 T₁＝nsin2π(p_xx+p_yy)+m和T₂＝ncos2π(p_x x+p_yy)+m，其中T₁和T₂代表了相位相差π/2的两张图片；n、m是常数，n和m的取值范围为[1,255]之间，并且n+m的取值范围为[2,255]；x、y为获取的图片的长、宽像素数量，p_x和p_y为离散的频率取值。

所述的只有一种灰度值的基图的生成公式为T_j＝n₁，其中n₁代表了常数，并且n₁＝m。

照明图案6分为两种类型，分别为具有两种相位特征的正弦或余弦编码图和只有一种灰度值的基图。投影单元2的作用是将照明图案生成单元4生成的照明图案6投影至物体1的表面上，因此投影单元2的作用只是投影图片，即投影仪按照特定的顺序将所述照明图案投影在所述物体表面；CRT、LCD、DLP投影仪、空间光调制器或液晶屏幕均可以作为投影仪的设备，所用的光源为可见光也可以为激光。光电转换单元5的作用是采集光强信号并将光强信号转换为电信号并进行保存，即所述光电传感器接受所述物体反射的光线并将光信号转换成电信号并由所述采集卡记录，因此数据采集卡、万用表或者单片机均可以作为光电转换单元的元件。图像重建单元的作用是将获取的电信号结合照明图案信息进行处理根据重建公式从而重建出物体1的图片信息。

所述的图像重建公式为T＝F^-1[(DT₂-DT_j)+(DT_j-DT₁)×i]，其中DT₁，DT₂，DT_j分别为T₁，T₂，T_j图片所对应的电信号值，i为虚部的符号，F^-1代表了傅里叶反变换。

在这一实施例中，照明图案生成单元4生成照明图案6，并经过投影单元2 投影至物体1表面，由于物体1表面各处的形貌和反射率各不相同，所以投影至物体1表面的照明图案6得到了调制。从物体1的表面反射的光里包含着物体1的表面形貌信息，反射的光被光电转换单元5中的光电探测器所捕获到，光电探测器可以有效的将获取的光信号转换成电信号并进行储存。因而带有物体1表面形貌信息的电信号被光电探测器储存下来。储存的电信号被传送至图像重建单元，图像重建单元中的计算机综合照明图案6的信息以及对应的电信号的值根据上述生成公式计算获得物体1的重建图像信息。由于每个像素只对应两张照明图案，根据傅里叶变换的对称性，全采样情况下需要的照明图案数量与重建图像的像素数量相等，此外还需要一张基图来提供全场的基图信号信息。

本实施例中，所需要的投影图片的数量在全采样的情况下为2xy+1，在非全采样的情况下获取的图片质量也较好。

如图2所示，是本发明实施例的一种照明图案，即具有两种相位特征的正弦或余弦编码图示意图。

如图3所示，是本发明实施例另一种照明图案，即只有一种灰度值的基图示意图。

综上所述，本发明专利通过采用具有两种相位特征的正弦或余弦编码图和只有一种灰度值的基图实现了单像素的图像重建，本方法有效的减少了单像素成像过程中需要的照明图案的数量，全采样情况下需要的照明图案的数量与重建图像像素数相等，此外仅需要一张基图，解决了单像素成像过程中需要的照明图案数量巨大且成像速度缓慢等的问题，该方法具有需要照明图案少、重建图片时间短等优点。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于基图的两步相移单像素成像方法，基于成像***，其特征在于：所述成像***包括照明图案生成单元，投影单元(2)，光电转换单元(5)以及图像重建单元；

照明图案由计算机根据对应的图像生成公式计算生成；

所述照明图案生成单元生成照明图案并通过投影单元(2)将照明图案投影至物体表面，所述物体表面反射的光被所述光电转换单元(5)转换成电信号并由图像重建单元根据重建公式处理生成所述物体的图像；

所述图像生成公式包括可生成具有两种相位特征的正弦或余弦编码图部分和可生成只有一种灰度值的基图部分；

其中，所述可生成具有两种相位特征的正弦或余弦编码图的生成公式为：

T₁＝nsin2π(p_xx+p_yy)+m和T₂＝ncos2π(p_xx+p_yy)+m，其中T₁和T₂代表了相位相差π/2的两张图片；n、m是常数，n和m的取值范围为[1,255]之间，并且n+m的取值范围为[2,255]；x、y为获取的图片的长、宽像素数量，p_x和p_y为离散的频率取值；

所述可具有只有一种灰度值的基图的生成公式为T_j＝n₁，其中T_j是灰度图的灰度值，n₁代表了常数，并且n₁＝m；

所述图像重建单元的重建公式为：

T＝F^-1[(DT₂-DT_j)+(DT_j-DT₁)×i]，其中DT₁，DT₂，DT_j分别为T₁，T₂，T_j图片所对应的电信号值，i为虚部的符号，F^-1代表了傅里叶反变换。

2.根据权利要求1所述的基于基图的两步相移单像素成像方法，其特征在于：所需要的投影图片的数量为2xy+1。

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