本發明專利技術提供了一種能夠進行高質量成像的基于離散余弦變換的單像素快速主動成像系統，其技術核心為光場生成模塊產生的基于二維離散余弦變換的二維余弦正交結構光場；并將這種正交結構光場通過光場投射器投向被探測目標，將目標的像調制；再利用單像素探測器采集調制后的光場光強信號；在圖像重建模塊中利用光場光強信號和二維離散余弦逆變換算法對目標物體圖像進行重建。本發明專利技術的優點是結構簡單，無需任何掃描，能夠避免成像環境中背景光的干擾，所利用的數據僅僅為被調制目標的光強信號，成像速度快，且能夠在采集少量光強信號的情況下進行單像素成像。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及單像素主動成像領域，具體地，涉及使用基于離散余弦變換的單像素 快速主動成像系統。
技術介紹
在成像系統中，根據有無照明光源，分為主動成像和被動成像兩種成像方式。被動 成像的主要特征在于成像系統本身不具備光源，成像系統收集目標物體本身的輻射光或其 反射的環境光進行成像。主動成像是指采用人造光學輻射源對目標物體進行照明，并利用 成像系統采集來自目標物體的部分輻射光進行成像。 單像素相機于2006年由美國RICE大學的研宄人員提出（參見文獻1，Duarte M F,Davenport M A，Takhar D，et al.Single-pixel imaging via compressive sampling ? IEEE Signal Processing Magazine，2008, 25 (2) : 83.)，是一種與傳統成像 技術有著本質不同的新型成像方法，有可能突破經典成像模型在一些特殊成像領域的局限 性。它最大的特點是不需要大面積的CCD陣列，在接收系統僅具有一個像素的情況下即可 成像。由于接收系統較為簡單，單像素成像技術能夠大大降低成像系統的規模、成本和復雜 度，同時還適用于傳統方法無法拍攝的非可見光領域，可見單像素相機是一種具有較大應 用潛力新型成像技術。 單像素成像技術是壓縮感知技術（參見文獻2、3、4，Donoho D L. Compressed sensing. Information Theory, IEEE Transactions on, 2006,52 (4):1289-1306.； Candes E J. Compressive sampling ? Proceedings of the international congress of mathematicians. 2006, 3:1433-1452. ； Candes E J,Romberg J, Tao T. Robust uncertainty principles:Exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information.Information Theory,IEEE Transactions on, 2006, 52(2) :489-509.)在成像領域的重要應用。利用壓縮采樣原理，只需要單個像素 的探測器就可以實現整幅圖像的獲取，大大降低了圖像的存儲和傳輸數據量，提高了成像 靈活性。壓縮感知的本質是對有用信息進行采集而拋棄無用信息，使得信號的采集效率更 高，克服了奈奎斯特定律的限制，把信號壓縮與采樣合并進行，所要求的信號投影測量數據 量遠遠小于傳統采樣方法所獲的數據量。 盡管對單像素成像技術的研宄已經有近十年的研宄，但其成像效果仍然不能盡如 人意，遠遠低于目前傳統光學成像系統的水平。傳統的基于熱光源的經典關聯特性的單像 素鬼成像技術利用激光束通過毛玻璃產生隨機散斑光場，最近幾年發展起來的單像素計算 鬼成像技術利用計算機輸入隨機矩陣到數字微鏡器件（DMD)產生隨機散斑光場，但這兩種 方法產生的光場都不能用確定的數學函數解析表達，其圖像重建算法基于相關統計數學模 型上，而不具有嚴格解析表達的數學模型基礎。這兩種方法在重建具有較高質量的圖像時 需要對目標物體進行多達幾萬次以上的測量，測量次數多，成像時間長。 基于以上背景，本專利技術提出一種能夠進行快速高質量成像的基于單像素探測器的 快速主動成像系統。
技術實現思路
為了解決現有技術存在的上述問題，本專利技術提供了一種能夠進行高質量成像的基 于離散余弦變換的單像素快速主動成像系統，結構簡單，無需任何掃描，能夠避免成像環境 中背景光的干擾，所利用的數據僅僅為被調制目標的光強信號，成像速度快，且能夠在采集 少量光強信號的情況下進行單像素成像。 本專利技術的技術方案如下：基于離散余弦變換的單像素快速主動成像系統，包括光 場生成模塊（1)、光場投射器（2)、被探測目標物（3)、單像素探測器（4)、圖像重建模塊（5); 其中： 光場生成模塊（1):生成兩組光場信號，并輸出到光場投射器，每一空間頻率在兩 組光場信號中都有一個光場與之對應，即每一空間頻率對應兩個光場信號； 光場投射器（2):根據接收到的兩組光場信號將相應的兩組光場投射到被探測目 標物上； 單像素探測器（4):接收被探測目標物的反射光信號，將光信號轉換為電信號，得 到對應每一空間頻率的兩個電信號，并將電信號輸出到圖像重建模塊（5); 圖像重建模塊（5):根據接收到的電信號重建圖像，具體為：將對應同一空間頻率 的兩個電信號相減，得到對應該空間頻率的二維離散余弦變換的系數，對全部系數進行二 維離散余弦逆變換，從而得到重建的圖像。 本專利技術的原理：通過光場投射器向被探測目標物投射兩組光場，其光場的獨特之 處是由光場生成模塊產生的基于二維離散余弦變換的二維余弦正交結構光場，利用單像素 探測器采集由該光場調制被探測目標物后發出的光強信號來獲得二維離散余弦變換頻譜 系數，在圖像重建模塊中利用二維離散余弦逆變換算法對目標物的像進行重建。 將被探測目標物的像用一個大小為MXN像素的二維圖像f(x，y)表示，利用光場 投射器分別向被探測目標物投射兩組二維余弦正交結構光場，兩組光場分別可以被表示 為： 式中，，c(u)、C(v)是分別隨 u、v 變化的系數，下同；x、y是空間坐標，x取0~M-1之間的整數、y取0~N-1之間的整數；a 是光場的平均光強、b是對比度，a、b取正；u、v分別表示光場橫向、縱向的空間頻率，其中u 為0~M-1之間的整數、v為0~N-1之間的整數。 每一組空間頻率（u，v)對應于兩個余弦正交結構光場匕(11，0 *F2(u，v)，分別 照射目標物體，用單像素探測器依次分別接收這兩個來自目標物體的光強信號Di (u，v)、 D2 (u,V)，則F(u,V)=Di(u,V)-D2 (u,V)即為被探測目標物對應于空間頻率（u,V)下的二維 離散余弦變換系數。由于成像環境中有背景光的干擾，將其視為加性噪聲，并且在成像過 程中為一常數6，則光強信號〇 1(11^)、〇2(11，0中均含有背景光干擾6，經過公式？(11^)= 處理后，背景光干擾e被減去，所以本專利技術能夠避免成像環境中背景光的 干擾。由于單像素探測器無需任何掃描，能夠大大提高采集信號的速度，也相應的節省了整 個成像時間。 將以上公式表示各個空間頻率的光場依次照射目標物體，并依次采集記錄單像素 探測器的響應值，即可根據其響應值獲得被探測目標物的離散余弦變換譜F(u，v)，通過相 應的算法依據公式： 對F(u，v)進行二維離散余弦逆變換，重建目標物體的圖像I(x，y)。重建目標物體 所使用的數據僅僅為單像素探測器采集到的光強信號，因此本專利技術能夠大大減少實驗數據 的存儲量，減輕了系統的存儲、傳輸壓力。 本專利技術的理論依據如下： 大小為MXN的二維圖像的離散余弦變換和離散余弦逆變換分別由如下兩式表 示： 式中，，C(u)、C(v)是分別隨 u、v 變化的系數，下同；x、y是空間坐標，x取0~M-1之間的整數、y取0~N-1之間的整數；u、 v是光場橫向本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于離散余弦變換的單像素快速主動成像系統，其特征在于，包括光場生成模塊(1)、光場投射器(2)、被探測目標物(3)、單像素探測器(4)、圖像重建模塊(5)；其中：光場生成模塊(1)：生成兩組光場信號，并輸出到光場投射器，每一空間頻率在兩組光場信號中都有一個光場與之對應，即每一空間頻率對應兩個光場信號；光場投射器(2)：根據接收到的兩組光場信號將相應的兩組光場投射到被探測目標物上；單像素探測器(4)：接收被探測目標物的反射光信號，將光信號轉換為電信號，得到對應每一空間頻率的兩個電信號，并將電信號輸出到圖像重建模塊(5)；圖像重建模塊(5)：根據接收到的電信號重建圖像，具體為：將對應同一空間頻率的兩個電信號相減，得到對應該空間頻率的二維離散余弦變換的系數，對全部系數進行二維離散余弦逆變換，從而得到重建的圖像。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊照華，劉保磊，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11
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