CN116609794B - 基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法、装置及设备。所述方法包括：设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列。根据二维强度分布矩阵序列对激光进行强度调制，输出第一激光，采用第一激光照射目标图像，生成目标图像的回波信号序列。通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心获取目标图像的不变因子。利用不变因子对目标图像进行分类，得到目标图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列进行单像素成像，得到目标图像。采用本方法能够在重构图像前提取不变因子对目标图像进行分类，提升了单像素成像***在欠采样条件下的目标识别效率和成像速度，并提高了成像的精度和准确性。
Description
技术领域
本申请涉及激光探测成像技术领域，特别是涉及一种基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法、装置及设备。
背景技术
在传统光学成像技术中，获取物体信息采用的是以硅为光敏材料的阵列探测器（CCD或CMOS等），由于硅的光谱响应范围主要在可见光波段，因此成像时响应光波段较窄。此外，采用阵列探测器成像时的成像质量受探测器接收到的光子数影响，因此对暗弱目标清晰成像能力较弱。为了解决传统成像面临的问题，单像素成像技术得以迅速发展。单像素成像技术的一般原则是利用空间光调制器产生结构化光场，并通过透镜***将结构化光场投影到物体上，最终由单像素探测器测量经过物体反射或透射后的光强。计算机根据结构光场的强度分布和单像素探测器接收的光强，采用特殊的重构算法即可重构出物体图像。近年研究发现，照明结构光场的强度分布最好是一组正交基，这样照明过程可以与某种空间变换等效，而图像重构就等效于这种空间变换的逆变换。这种基于正交光场的单像素成像技术往往能够得到极佳的成像质量。Hadamard光场、傅里叶光场等都属于这种正交光场。
由于单像素成像技术具有光束指向性好、暗弱目标成像能力强等优势，其在激光雷达探测等领域具有极高的应用价值，但受限于其成像原理，单像素成像技术也面临一些亟待解决的问题，单像素成像技术重构图像需要大量的结构光场照明物体，虽然当前学界已开发出Ghz以上光场调制频率和采样频率的单像素成像器件，但对于实时性要求很高的应用场景，在欠采样条件下很难实现高质量、高精度的图像重构。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在极端欠采样条件下，实现实时高质量的图像重构的基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法、装置及设备。
一种基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法，所述方法包括：
设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列。
根据二维强度分布矩阵序列对激光进行强度调制，输出第一激光，采用第一激光照射目标图像，生成目标图像的回波信号序列。
通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心获取目标图像的不变因子。
利用不变因子对目标图像进行分类，得到目标图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列进行单像素成像，得到目标图像。
在其中一个实施例中，还包括：根据二维径向切比雪夫图像矩设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列：
；
；
其中，为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，t p,m为径向切比雪夫多项式，n为径向切比雪夫光场的圆周最大采样率数，m为以r为半径的圆周上的像素数，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为二维径向切比雪夫光场的重复度，k为圆周采样间隔。
在其中一个实施例中，还包括：根据二维强度分布矩阵序列通过空间光调制器对激光进行强度调制，输出第一激光，将第一激光照射至目标图像，利用单像素探测器接收目标图像的回波信号，生成回波信号序列。
在其中一个实施例中，还包括：通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心所在位置调整第一激光的光斑位置，确定单像素探测器接收的回波信号的强度，根据回波信号的强度获取目标图像的不变因子。
在其中一个实施例中，不变因子包括：旋转不变因子与尺度不变因子，还包括：
根据回波信号的强度获取目标图像的旋转不变因子：
；
其中，为目标图像的旋转不变因子，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为二维径向切比雪夫光场的重复度，/>为径向切比雪夫光场的等效的回波信号的强度。
以及，根据回波信号的强度获取目标图像的尺度不变因子：
；
其中，为目标图像的尺度不变因子，/>为径向切比雪夫光场的等效的回波信号的强度，/>为阶数为0、圆周重复度为0的径向切比雪夫光场照明的等效的回波信号的强度。
在其中一个实施例中，还包括：利用不变因子对目标图像的二维径向切比雪夫图像矩进行分类处理，将二维径向切比雪夫图像矩的阶数由低到高进行排序，得到目标图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列采用单像素成像技术计算得到目标图像：
；
其中，为重构的目标图像，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，n为径向切比雪夫光场中参与目标图像成像的光场数量，/>为虚部符号。
一种基于径向切比雪夫光场的单像素成像装置，所述装置包括：
强度矩阵序列获取模块，用于设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列。
回波信号序列生成模块，用于根据二维强度分布矩阵序列对激光进行强度调制，输出第一激光，采用第一激光照射目标图像，生成目标图像的回波信号序列。
不变因子获取模块，用于通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心获取目标图像的不变因子。
重构图像模块，用于利用不变因子对目标图像进行分类，得到目标图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列进行单像素成像，得到目标图像。
在其中一个实施例中，回波信号序列生成模块，还用于根据二维强度分布矩阵序列通过空间光调制器对激光进行强度调制，输出第一激光，将第一激光照射至目标图像，利用单像素探测器接收目标图像的回波信号，生成回波信号序列。
在其中一个实施例中，不变因子获取模块，还用于通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心所在位置调整第一激光的光斑位置，确定单像素探测器接收的回波信号的强度，根据回波信号的强度获取目标图像的不变因子。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列。
根据二维强度分布矩阵序列对激光进行强度调制，输出第一激光，采用第一激光照射目标图像，生成目标图像的回波信号序列。
通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心获取目标图像的不变因子。
利用不变因子对目标图像进行分类，得到目标图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列进行单像素成像，得到目标图像。
上述基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法、装置及设备，设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列，该序列可以描述径向切比雪夫结构光场在空间中的分布特征，通过强度调制可以对激光进行控制，发射第一激光使其照射到目标图像上，获得回波信号序列，由此实现激光束的高精度控制和定向，并获取回波信号。通过几何矩光场确定目标图像的质心，进而获取目标图像的不变因子，在目标成像前就可以目标图像的细节信息，以此获得目标图像特征，实现对目标图像特征的分类，可见该方法的实时性很强。最后，利用不变因子对目标图像进行分类，得到重构目标图像的关键图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列进行单像素成像，即可得到高质量目标图像。另外，相较于现有单像素成像技术而言，在径向切比雪夫的二维结构光场里，还是可以满足在欠采样或者极端欠采样条件下，照明结构光场不足的情况下，实现实时的高精度、高质量的图像重构。
附图说明
图1为一个实施例中基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法的应用场景图；
图2为一个实施例中基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法的流程示意图；
图3为一个实施例中基于径向切比雪夫光场的单像素成像与目标分类方法的流程示意图；
图4为一个实施例中采用径向切比雪夫光场的二维强度分布矩阵示意图；
图5为一个实施例中基于旋转不变性因子的分类目标效果的示意图；
图6为一个实施例中基于尺度不变性因子的分类目标效果的示意图；
图7为一个实施例中欠采样条件下重建的目标物体图像的示意图，其中，图7（a）为径向切比雪夫光场欠采样条件下重建的目标物体图像的示意图，图7（b）为沃尔什序哈德码光场欠采样条件下重建的目标物体图像的示意图；
图8为一个实施例中基于径向切比雪夫光场的单像素成像装置的结构框图；
图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法，可以应用于如图1所示单像素成像***的应用环境中。其中，该***包括计算机PC端、DMD空间光调制器、激光发射器、目标图像、聚光透镜以及单像素探测器等，单像素探测器为单像素探测器。具体的激光成像过程为：通过DMD空间光调制器进行激光强度调制后，重新将激光光束照射在目标图像中，利用单像素探测器采集径向切比雪夫光场的数量和重构图像像素值，经计算机PC端进行数据处理后重构目标图像。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法，以该方法应用于图1中的单像素成像***为例进行说明，包括以下步骤：
步骤202，设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列。
具体的，通过单像素成像***的成像原理设计径向切比雪夫光场，将径向切比雪图像矩以切比雪夫多项式和圆谐函数的成积作为核函数，构建目标图像的径向切比雪夫图像矩：
，
其中，为径向切比雪夫图像矩，/>为目标图像，其尺寸为N×N，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为二维径向切比雪夫光场的重复度，t p,m为径向切比雪夫多项式，m=N/2为切比雪夫多项式在径向上的像素数，p≤m，/>为圆谐函数，n为径向切比雪夫光场的圆周最大采样率数，θ k =2πk/n为极角，/>为圆周半径，k为圆周采样间隔，进而将径向切比雪夫多项式转化为：
；
根据正交函数理论，以径向切比雪夫正交多项式为核函数，目标图像转化为：
；
其中，θ=2πk/n为极角，为相位项，/>为径向切比雪夫图像矩，/>为切比雪夫多项式，n为径向切比雪夫光场的圆周最大采样率数，k为圆周采样间隔。
进一步的，生成已转化的径向切比雪夫图像矩的实部与虚部：
；
，
其中，为已转化的径向切比雪夫图像矩的实部，/>为已转化的径向切比雪夫图像矩的虚部，p为二维径向切比雪夫图像矩的阶数，q为二维径向切比雪夫图像矩的重复度，/>为重构的目标图像。
进一步的，结合单像素探测器的成像重构模型，得到二维径向切比雪夫图像的重构原理表达式为：
；
其中，为径向切比雪夫结构光场的最大帧数数量，/>为第i个径向切比雪夫结构光场，由一个实部二维强度分布矩阵和一个虚部二维强度分布矩阵组合得到，/>为单像素探测器接收的第/>个切比雪夫光场的等效的回波信号的强度，由采用实部二维强度分布矩阵和虚部二维强度分布矩阵的照明回波取模计算得到。/>为基于二维径向切比雪夫光场的重构图像。
进一步的，根据单像素探测器接收到的激光强度，得到单像素成像中径向切比雪夫正交光场二维强度分布矩阵为：
；
；
其中，为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，t p,m为径向切比雪夫多项式，n为径向切比雪夫光场的圆周最大采样率数，m为以r为半径的圆周上的像素数，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为二维径向切比雪夫光场的重复度，k为圆周采样间隔。
步骤204，根据二维强度分布矩阵序列对激光进行强度调制，输出第一激光，采用第一激光照射目标图像，生成目标图像的回波信号序列。
具体的，根据二维强度分布矩阵序列利用DMD空间光调制器调制照明的激光强度，进而得到回波信号的强度即：
；
其中，为经强度调制后激光发射器输出的第一激光，/>为输入激光发射器的原始激光，/>为径向切比雪夫光场的实部或虚部强度分布矩阵，/>为/>代表实部，/>为/>代表虚部，将/>加载在DMD空间光调制器上进行强度调制，得到此强度对应的第一激光/>，通过激光发射器将第一激光照射至目标图像或者物体上，利用单像素探测器接收目标图像或者物体的激光回波信号，得到回波信号的强度/>和/>，其中，/>为采用/>照明时单像素探测器的回波信号的强度，/>为采用/>照明时单像素探测器的回波信号的强度。
步骤206，通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心获取目标图像的不变因子。
不变因子包括：旋转不变因子与尺度不变因子。
具体的，利用几何矩光场照明计算径向切比雪夫光场中目标图像的质心位置，通过聚光透镜调整单像素探测器，使得第一激光的照明光斑的中心与目标图像或者物体的质心对准，根据质心位置获取目标图像的激光回波的旋转不变因子为：
；
其中，为目标图像的旋转不变因子，/>为采用/>照明时单像素探测器的回波信号的强度，/>为采用/>照明时单像素探测器的回波信号的强度，/>为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为二维径向切比雪夫光场的重复度，/>为目标图像的旋转不变因子，/>为径向切比雪夫光场的等效回波信号的强度。
以及，根据回波信号的强度获取目标图像的尺度不变因子：
；
其中，为目标图像的尺度不变因子，/>为径向切比雪夫光场的等效的回波信号的强度，/>为阶数为0、圆周重复度为0的径向切比雪夫光场照明的等效的回波信号的强度，其数值上等于目标图像的灰度均值，且：
；
即在单像素成像中以均匀光场照明图像或者物体后的回波信号的强度，其中，n为目标图像的尺度采样率数，m为目标图像以r为半径的圆周上的像素数，A为目标图像在圆周上像素的集合。
步骤208，利用不变因子对目标图像进行分类，得到目标图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列进行单像素成像，得到目标图像。
根据二维径向切比雪夫图像矩的阶数由低到高进行排序，利用不变因子对目标图像的二维径向切比雪夫图像矩进行分类处理，将二维径向切比雪夫图像矩的阶数由低到高进行排序，得到目标图像特征，采用单像素成像技术通过计算机PC端计算程序，将目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列作为输入数据，得到重构的目标图像：
；
其中，为重构的目标图像，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，n为径向切比雪夫光场中参与目标图像成像的光场数量，/>为虚部符号，据此重构表达式可以得到目标图像。
上述基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法、装置及设备，设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列，该序列可以描述径向切比雪夫结构光场在空间中的分布特征，通过强度调制可以对激光进行控制，发射第一激光使其照射到目标图像上，获得回波信号序列，由此实现激光束的高精度控制和定向，并获取回波信号。通过几何矩光场确定目标图像的质心，进而获取目标图像的不变因子，在目标成像前就可以目标图像的细节信息，以此获得目标图像特征，实现对目标图像特征的分类，可见该方法的实时性很强。最后，利用不变因子对目标图像进行分类，得到重构目标图像的关键图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列进行单像素成像，即可得到高质量目标图像。另外，相较于现有单像素成像技术而言，在径向切比雪夫的二维结构光场里，还是可以满足在欠采样或者极端欠采样条件下，照明结构光场不足的情况下，实现实时的高精度、高质量的图像重构。
在其中一个实施例中，根据二维径向切比雪夫图像矩设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列：
；
；
其中，为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，t p,m为径向切比雪夫多项式，n为径向切比雪夫光场的圆周最大采样率数，m为以r为半径的圆周上的像素数，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为二维径向切比雪夫光场的重复度，k为圆周采样间隔。
在其中一个实施例中，根据二维强度分布矩阵序列通过空间光调制器对激光进行强度调制，输出第一激光，将第一激光照射至目标图像，利用单像素探测器接收目标图像的回波信号，生成回波信号序列。
值得说明的是，通过空间光调制器对激光进行强度调制，可以实现对目标图像的高精度照射，单像素探测器接收目标图像的回波信号，与传统的激光照射方式相比，可以实现更加精确的照射控制，以及对目标图像的高灵敏度探测，实现更快速的成像速度的同时保障成像的精度和准确性，并且适用于需要实时成像的应用场景。
在其中一个实施例中，通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心所在位置调整第一激光的光斑位置，确定单像素探测器接收的回波信号的强度，根据回波信号的强度获取目标图像的不变因子。
在其中一个实施例中，不变因子包括：旋转不变因子与尺度不变因子，根据回波信号的强度获取目标图像的旋转不变因子：
；
其中，为目标图像的旋转不变因子，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>分别为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为二维径向切比雪夫光场的重复度，/>为径向切比雪夫光场的等效的回波信号的强度。
以及，根据回波信号的强度获取目标图像的尺度不变因子：
；
其中，为目标图像的尺度不变因子，/>为径向切比雪夫光场的等效的回波信号的强度，/>为阶数为0、圆周重复度为0的径向切比雪夫光场照明的等效的回波信号的强度，其数值上等于目标图像的灰度均值。
值得说明的是，不变因子是目标图像或者物体的某种固有特征，不随环境和条件的变化而变化，将目标图像或者物体的原点平移到图像或者物体的质心即可获得平移不变性，无论图像或者物体如何平移，各阶径向切比雪夫图像矩都是不变的，在单像素成像过程中，根据计算出的质心位置调整聚光透镜，使得照明光斑的中心与目标质心对准，可以保证单像素探测器接收到的信号的强度不随目标移动而变化。另外，可以通过几何矩光场照明测量目标图像或者物体的质心位置，尤其是几何矩光场仅需要3帧照明即可确定目标图像或者物体的质心，进而通过保持平移不变性，提取目标图像或者物体的旋转和尺度不变因子，可以有效提高成像的清晰度和精度，提高了成像的稳定性和鲁棒性，并且可在重构目标图像之前提取目标的特征信息，具有极强的实时性，有效地消除成像中的误差和噪声，使得单像素探测器即使在欠采样（采样率小于1）或者极端采样（采样率小于0.1）的情况下，实现高精度、高质量的成像。
在其中一个实施例中，利用不变因子对目标图像的二维径向切比雪夫图像矩进行分类处理，将二维径向切比雪夫图像矩的阶数由低到高进行排序，得到目标图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列采用单像素成像技术计算得到目标图像：
；
其中，为重构后的目标图像，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，n为径向切比雪夫光场中参与目标图像成像的光场数量，/>为虚部符号。
值得说明的是，按照切比雪夫多项式的阶数由低到高的顺序，采用少量的径向切比雪夫正交光场照明目标也可重构得到可辨识的目标图像或者物体，通过重构图像矩，可以在重构图像或者物体前，提取目标图像或者物体特征的旋转不变特征和尺度不变特征，以此作为图像重构前的先验信息，可以直接对目标图像或者物体的图像特征进行分类和识别，再将二维强度分布矩阵序列、回波信号序列和先验信息输入至计算机PC端计算程序中，利用单像素成像技术计算得到重构的目标图像，进而根据重构图像后对识别结果进行确认，提高图像重构精度和质量。另外，在不知道先验信息时，可先根据目标图像或者物体特征的旋转不变特征和尺度不变特征两个不变因子对目标进行分类，再根据重构图像对目标进行识别。
由此可见，本方法既可在重构图像前提取目标的旋转、尺度不变性特征并对目标进行分类，也可在欠采样条件下实现目标图像重构，实现在单像素成像体制下的目标特征快速提取和极端欠采样条件下的图像重构，提升了单像素成像***的目标识别效率和成像速度。
在其中一个实施例中，如图3所示，基于径向切比雪夫光场的单像素成像与目标分类的方法步骤，具体步骤如下：
（1）根据径向切比雪夫图像矩，设计和产生径向切比雪夫光场二维强度分布矩阵序列，并将该矩阵序列加载到空间光调制器上。
（2）空间光调制器根据所述二维强度分布矩阵序列对照明激光进行强度调制，调制后的激光照射到目标物体上，以单像素探测器接收目标回波的强度信号，生成目标回波强度信号序列。
（3）采用几何矩光场照明，计算目标质心，通过将照明激光束中心对准目标质心，保证目标的平移不变性。根据单像素探测器接收信号的强度计算目标旋转和尺度不变性因子并对目标进行分类。
（4）根据径向切比雪夫光场二维强度分布矩阵序列与目标回波强度信号序列，根据目标图像重构公式重构目标图像，并根据需要对目标进行识别或确认。
在其中一个实施例中，如图1所示，目标物体离散化大小为N×N像素的矩阵，目标物体的实际大小为Ndy×Ndx的矩形，其中N为正整数，dx和dy分别为一个像素在x和y方向的几何尺寸，根据二维强度分布矩阵序列：
；
；
生成一系列径向切比雪夫光场二维强度分布矩阵和/>，其中x、y分别为x方向和y方向的像素点坐标，p和q分别为切比雪夫多项式的阶数和圆周重复度，其中有/>，q=20。将二维强度分布矩阵/>和/>依次加载在DMD空间光调制器上，DMD空间光调制器根据径向切比雪夫光场二维强度分度矩阵对照明激光进行调制，调制后的激光照射到目标物体上。采用单像素探测器探测和记录目标回波信号的强度，信号强度的存储与光场二维强度分布矩阵必须一一对应。需要注意的是，图1中采用的是透射型目标，因此探测器接收的是透过物体后的照明激光能量。目标的不变性因子计算、目标分类和识别以及重构图像等操作都在计算机PC端中执行。
在其中一个实施例中，如图4所示，为径向切比雪夫正交光场的实部，是径向切比雪夫正交光场的虚部，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为二维径向切比雪夫光场的重复度，由于/>和/>都是表示光场强度二维分布的数字矩阵，因此它们可以直接被加载到图1中所示的DMD空间光调制器上，实现对照明激光的强度调制，分别得到p=1，q=0、p=4，q=0、p=10，q=1以及p=51，q=5对应的二维强度分布矩阵示意图。
在其中一个实施例中，目标为A、B、C、D四个字母图像，其中图5所示为基于旋转不变性因子的目标分类效果，图6所示为基于尺度不变性因子的目标分类效果。
值得说明的是，在基于旋转不变性因子的目标分类中，对上述四个字母分别旋转15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、175°，并根据单像素探测器接收光强计算不同角度下四个字母的旋转不变因子。图5中采用聚类图直观说明四个字母旋转多个角度后的分类效果，聚类图以径向切比雪夫图像矩S43和S33的振幅分别作为纵坐标和横坐标，它们与同参数的径向切比雪夫光场是对应的。由图5中可以看到，相同字母(或类)、旋转角度不同的图像可以明显地归为一类。
在基于尺度不变性因子分类中，对上述四个字母分别缩小0.8 倍、0.61倍、0.41倍、0.21倍，并根据单像素探测器的回波信号的强度计算不同缩放尺度下四个字母的尺度不变性因子。图6中采用聚类图直观说明四个字母按多个尺幅缩放后的分类效果，聚类图以径向切比雪夫图像矩S21和S12的振幅作分别作为纵坐标和横坐标，它们与同参数的径向切比雪夫光场是对应的。由图6中的聚类图可以看到，相同字母、缩放尺度不同的图像可以明显地归为一类。
在其中一个实施例中，如图7所示，图像的分辨率为128×128，其中，图7（a）为径向切比雪夫光场欠采样条件下重建的目标物体图像的示意图，图7（b）为沃尔什序哈德码光场欠采样条件下重建的目标物体图像的示意图，因此采样率数n为0.012、0.024和0.305分别对应的光斑数量是200帧、400帧和5000帧，在欠采样条件下，径向切比雪夫光场仍然具有很强的目标图像重构能力，重构出的图像清晰可分辨。尤其值得注意的是，0.012和0.024在单像素成像中属于极端欠采样条件，在这种采样率下，哈德码（Hadamard）等传统的正交光场往往已经不能有效重构目标图像。图7（b）中的沃尔什序哈德码是经过优化排序的哈德码光场，具有优异的欠采样成像性能。但在上述极端欠采样条件下，沃尔什序哈德码光场也无法重构目标图像。由此可见，本方法在极端欠采样条件下具有极强的目标图像重构能力，可以应用于对目标探测和识别的实时性要求较高的场景中。
应该理解的是，虽然图1-图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-图3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图8所示，提供了一种基于径向切比雪夫光场的单像素成像装置，包括：强度矩阵序列获取模块802、回波信号序列生成模块804、不变因子获取模块806和重构图像模块808，其中：
强度矩阵序列获取模块802，用于设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列。
回波信号序列生成模块804，用于根据二维强度分布矩阵序列对激光进行强度调制，输出第一激光，采用第一激光照射目标图像，生成目标图像的回波信号序列。
不变因子获取模块806，用于通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心获取目标图像的不变因子。
重构图像模块808，用于利用不变因子对所述目标图像进行分类，得到目标图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列进行单像素成像，得到目标图像。
在其中一个实施例中，回波信号序列生成模块804，还用于根据二维强度分布矩阵序列通过空间光调制器对激光进行强度调制，输出第一激光，将第一激光照射至目标图像，利用单像素探测器接收目标图像的回波信号，生成回波信号序列。
在其中一个实施例中，不变因子获取模块806，还用于通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心所在位置调整第一激光的光斑位置，确定单像素探测器接收的回波信号的强度，根据回波信号的强度获取目标图像的不变因子。
关于基于径向切比雪夫光场的单像素成像装置的具体限定可以参见上文中对于基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法的限定，在此不再赘述。上述基于径向切比雪夫光场的单像素成像装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过***总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图7-图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列。
根据二维强度分布矩阵序列对激光进行强度调制，输出第一激光，采用第一激光照射目标图像，生成目标图像的回波信号序列。
通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心获取目标图像的不变因子。
利用不变因子对目标图像进行分类，得到目标图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列进行单像素成像，得到目标图像。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：根据二维径向切比雪夫图像矩设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列：
；
；
其中，为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，t p,m为径向切比雪夫多项式，n为径向切比雪夫光场的圆周最大采样率数，m为以r为半径的圆周上的像素数，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为二维径向切比雪夫光场的重复度，k为圆周采样间隔。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：根据二维强度分布矩阵序列通过空间光调制器对激光进行强度调制，输出第一激光，将第一激光照射至目标图像，利用单像素探测器接收目标图像的回波信号，生成回波信号序列。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：通过几何矩光场确定目标图像的质心，根据质心所在位置调整第一激光的光斑位置，确定单像素探测器接收的回波信号的强度，根据回波信号的强度获取目标图像的不变因子。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：不变因子包括：旋转不变因子与尺度不变因子，根据回波信号的强度获取目标图像的旋转不变因子：
；
其中，为目标图像的旋转不变因子，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>分别为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为二维径向切比雪夫光场的重复度，/>为径向切比雪夫光场的等效的回波信号的强度。
以及，根据回波信号的强度获取目标图像的尺度不变因子：
；
其中，为目标图像的尺度不变因子，/>为径向切比雪夫光场的等效的回波信号的强度，/>为阶数为0、圆周重复度为0的径向切比雪夫光场照明的等效的回波信号的强度。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：利用不变因子对目标图像的二维径向切比雪夫图像矩进行分类处理，将二维径向切比雪夫图像矩的阶数由低到高进行排序，得到目标图像特征，根据目标图像特征、二维强度分布矩阵序列以及回波信号序列采用单像素成像技术计算得到目标图像：
；
其中，为重构后的目标图像，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为采用/>照明时单像素探测器接收的回波信号的强度，/>为径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，n为径向切比雪夫光场中参与目标图像成像的光场数量，/>为虚部符号。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.基于径向切比雪夫光场的单像素成像方法，其特征在于，所述方法包括：
设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列；
根据所述二维强度分布矩阵序列对激光进行强度调制，输出第一激光，采用所述第一激光照射目标图像，生成所述目标图像的回波信号序列；
通过几何矩光场确定所述目标图像的质心，根据所述质心获取所述目标图像的不变因子；通过几何矩光场确定所述目标图像的质心，根据所述质心所在位置调整所述第一激光的光斑位置，确定单像素探测器接收的回波信号的强度，根据所述回波信号的强度获取所述目标图像的不变因子；
利用所述不变因子对所述目标图像进行分类，得到目标图像特征，根据所述目标图像特征、所述二维强度分布矩阵序列以及所述回波信号序列进行单像素成像，得到所述目标图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列，包括：
根据二维径向切比雪夫图像矩设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列：
；
；
其中，为所述径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为所述径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，t p,m为径向切比雪夫多项式，n为所述径向切比雪夫光场的圆周最大采样率数， m为以r为半径的圆周上的像素数，p为二维径向切比雪夫光场的阶数，q为所述二维径向切比雪夫光场的重复度， k为圆周采样间隔。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述二维强度分布矩阵序列对激光进行强度调制，输出第一激光，采用所述第一激光照射目标图像，生成所述目标图像的回波信号序列，包括：
根据所述二维强度分布矩阵序列通过空间光调制器对激光进行强度调制，输出第一激光，将所述第一激光照射至所述目标图像，利用单像素探测器接收所述目标图像的回波信号，生成回波信号序列。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述不变因子包括：旋转不变因子与尺度不变因子；
根据所述回波信号的强度获取所述目标图像的不变因子，包括：
根据所述回波信号的强度获取所述目标图像的旋转不变因子：
；
其中，为所述目标图像的旋转不变因子，/>为采用/>照明时所述单像素探测器接收的所述回波信号的强度，/>为采用/>照明时所述单像素探测器接收的所述回波信号的强度，/>为所述径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为所述径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，p为所述二维径向切比雪夫光场的阶数，q为所述二维径向切比雪夫光场的重复度，I pq为所述径向切比雪夫光场的等效的所述回波信号的强度；
以及，根据所述回波信号的强度获取所述目标图像的尺度不变因子：
；
其中，为所述目标图像的尺度不变因子，/>为所述径向切比雪夫光场的等效的所述回波信号的强度，/>为阶数为0、圆周重复度为0的所述径向切比雪夫光场照明的等效的所述回波信号的强度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用所述不变因子对所述目标图像进行分类，得到目标图像特征，根据所述目标图像特征、所述二维强度分布矩阵序列以及所述回波信号序列进行单像素成像，得到所述目标图像，包括：
利用所述不变因子对所述目标图像的二维径向切比雪夫图像矩进行分类处理，将所述二维径向切比雪夫图像矩的阶数由低到高进行排序，得到目标图像特征，根据所述目标图像特征、所述二维强度分布矩阵序列以及所述回波信号序列采用单像素成像技术计算得到所述目标图像：
；
其中，为重构的所述目标图像，/>为采用/>照明时所述单像素探测器接收的所述回波信号的强度，/>为采用/>照明时所述单像素探测器接收的所述回波信号的强度，/>为所述径向切比雪夫光场的实数部分强度分布矩阵，/>为所述径向切比雪夫光场的虚数部分强度分布矩阵，n为所述径向切比雪夫光场中参与所述目标图像成像的光场数量，/>为虚部符号，θ为极角，/>为圆周半径。
6.基于径向切比雪夫光场的单像素成像装置，其特征在于，所述装置包括：
强度矩阵序列获取模块，用于设计径向切比雪夫光场，得到二维强度分布矩阵序列；
回波信号序列生成模块，用于根据所述二维强度分布矩阵序列对激光进行强度调制，输出第一激光，采用所述第一激光照射目标图像，生成所述目标图像的回波信号序列；
不变因子获取模块，用于通过几何矩光场确定所述目标图像的质心，根据所述质心获取所述目标图像的不变因子；通过几何矩光场确定所述目标图像的质心，根据所述质心所在位置调整所述第一激光的光斑位置，确定单像素探测器接收的回波信号的强度，根据所述回波信号的强度获取所述目标图像的不变因子；
重构图像模块，用于利用所述不变因子对所述目标图像进行分类，得到目标图像特征，根据所述目标图像特征、所述二维强度分布矩阵序列以及所述回波信号序列进行单像素成像，得到所述目标图像。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述回波信号序列生成模块，还用于根据所述二维强度分布矩阵序列通过空间光调制器对激光进行强度调制，输出第一激光，将所述第一激光照射至所述目标图像，利用单像素探测器接收所述目标图像的回波信号，生成回波信号序列。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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