一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法、存储介质和终端技术

本发明专利技术公开了一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法、存储介质和终端，方法包括以下步骤：将原始图像数据叠加虚拟菲涅尔光圈，形成莫尔直条纹；所述真实菲涅尔光圈和所述虚拟菲涅尔光圈参数相同且具有一定偏差；所述原始图像数据为目标物体发出的红外光线经过真实菲涅尔光圈照射到红外焦平面探测器上得到的图像数据；采用条纹相位扫描法提取莫尔直条纹的信号分量，得到目标物体的包括振幅和相位的信息；进行二维离散傅里叶变换和零频点调整，重建出目标物体图像。本发明专利技术采用了基于莫尔条纹的条纹相位扫描法来重建被测光的相位信息，实现了基于菲涅尔光圈的无镜头红外成像，有利于红外焦平面探测器的无镜头成像。

A Lensless Infrared Image Processing Method, Storage Media and Terminal Based on Fresnel Aperture

【技术实现步骤摘要】
一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法、存储介质和终端
本专利技术涉及图像成像领域，尤其一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法、存储介质和终端。
技术介绍
相机中镜头的主要任务是对入射光波前进行成形，以便在传感器上形成聚焦图像，而无镜头成像技术是直接利用电荷耦合元件(CCD)或互补金属半导体氧化物芯片(CMOS)等光探测器进行成像的技术。在没有镜头的情况下，传感器只会记录整个场景的平均光强度，这时不会形成图像，当成像系统设计恰当时，可以借助无镜头成像算法从传感器测量值中恢复图像。因此，无镜头成像系统中最重要的就是辅助光学元件设计和图像重建算法设计。很一段时间以来，相机的设计一直保持不变，为了获取图像，需要使用镜头将来自目标场景的光聚焦到光敏表面上。随着技术的发展，光敏表面已经从照相胶片变成了数字传感器阵列，但是镜头仍然是现代成像系统的重要组成部分。不幸的是，镜头也给成像系统带来了一些限制。首先，尽管探测器通常较薄，但由于镜头复杂性以及镜头和传感器之间所需的较大距离以实现聚焦，所以相机最终变厚。例如，当今最薄的移动摄像机厚度约为5毫米，随着镜头光圈尺寸的增大，厚度也会增加；其次，虽然可见光镜头可以用廉价材料如玻璃和塑料制造，但是用于波长更远的红外和紫外光谱的镜头要么非常昂贵，要么是不可行的；另外，基于镜头的相机总是需要制造后装配，导致制造效率低下。为了避免镜头带来的这些问题，就有了无镜头成像技术的发展。无镜头成像技术的主要优点是替换了光学镜头，具有可扩展制造、外形小巧、成本低、光通量大等优秀特点。这项技术未来在物联网、天文学、生物医学、军事等领域都有巨大应用潜力。基于菲涅尔光圈的红外成像系统使用同心圆环状的掩模提高光效，作为无镜头照相机，他的目标的是同时记录光束的位置和方向。传感器测量结果是每个孔径形成的图像的叠加，计算算法的任务是重新组织测量以恢复图像。但是同时，无镜头相机捕获到的图像在进行处理时也会给计算机带来一定的计算负担。虽然目前应用在无镜头成像方面的方法有很多，主要有编码孔径相机技术、通过阴影和衍射的无透镜显微镜成像、无透镜压缩成像技术、多光谱成像技术、以及深度学习实现无透镜成像等等。但是针对红外领域的无透镜成像技术却是目前研究的弱侧，主要是因为红外图像对比度差、图像噪声明显、分辨率不高等原因。所以目前的研究方向是开发更高效的红外图像重建算法，科研人员们正在朝着这个方向努力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法、存储介质和终端，提高红外焦平面探测器的无镜头成像效果。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术的第一方面，提供一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法，包括以下步骤：将原始图像数据叠加虚拟菲涅尔光圈，形成莫尔直条纹；所述真实菲涅尔光圈和所述虚拟菲涅尔光圈参数相同且具有一定偏差；所述原始图像数据为目标物体发出的红外光线经过真实菲涅尔光圈照射到红外焦平面探测器上得到的图像数据；采用条纹相位扫描法提取莫尔直条纹的信号分量，得到目标物体的包括振幅和相位的信息；进行二维离散傅里叶变换和零频点调整，重建出目标物体图像。进一步地，所述的菲涅尔光圈的强度透射率模型为：其中T代表透射率，β是与塞德尔像差系数W20相关的间距分布的常数，r是菲涅尔光圈中的径向坐标，是菲涅尔光圈的初始相位。进一步地，所述将所述原始图像数据叠加虚拟菲涅尔光圈，为原始图像数据乘以一个虚拟菲涅尔光圈图案，得到的强度分布为：其中，N是数字源点的数量；Ik是第k个点源的强度；xk和yk是探测器上的第k个阴影的偏差，依赖于第k个点源的位置；分别是真实菲涅尔光圈和虚拟菲涅尔光圈的初始相位。进一步地，所述采用条纹相位扫描法提取莫尔直条纹的信号分量，为通过扫描受到干扰的参考光束的相位来重建待测光的相位分布，经过条纹扫描法得到的信号分量为：进一步地，所述采用条纹相位扫描法提取莫尔直条纹的信号分量，采用一次重建或者二次重建的方式；所述一次重建为将形成莫尔直条纹的叠加图像数据上的每一个像素点进行分离，单独进行条纹相位扫描，最后合成一幅完整的图像；所述二次重建为先对真实菲涅尔光圈进行条纹相位扫描，扫描结果代替探测器的原始图像数据用于与所述虚拟菲涅尔光圈进行叠加；之后再对形成莫尔直条纹的叠加图像数据的每一个点进行条纹相位扫描，最后将这些点的扫描结果组合起来形成完整的重建图像。进一步地，所述进行二维离散傅里叶变换和零频点调整，重建出目标物体图像还包括：进行二维离散傅里叶变换和零频点调整；使用几何均值滤波去噪；进行直方图均衡化增强；重建出目标物体图像。进一步地，所述二维离散傅里叶变换的公式为：其中，x＝0,1,...，M-1；y＝0,1,...，N-1；u＝0,1,...，M-1；v＝0,1,...，N-1。进一步地，所述的几何均值滤波的公式为：其中，在坐标点(x,y)处，大小为m×n的矩形窗口表示为Sxy，几何平均值是窗口Sxy中被干扰图像g(x,y)的平均值。本专利技术的第二方面，提供一种存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行所述的一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法的步骤。本专利技术的第三方面，提供一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行所述的一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法的步骤。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的方法采取的的主要理论是基于莫尔条纹的条纹相位扫描法，入射光经过菲涅尔光圈编码后在阵列探测器上形成阴影图像，乘上图像处理器中带有一定偏移的虚拟菲涅尔光圈就会形成莫尔直条纹。干涉条纹的每个像素强度是周期性地变化到参考相位中的，因此可以根据一个周期内四个相位的强度变化来计算正弦和余弦系数，然后取反正切来重构相位分布即可提取出莫尔条纹的信号分量。同时本专利技术的方法就是省去了厚重镜头的使用，比传统的红外成像系统更加方便，这也是本专利技术方法最大的创新点。对应的存储介质和终端也具有相同优点。(2)本专利技术的示例性实施例中，采用一次重建或者二次重建，实现条纹相位扫描，其中一次重建优点是每个点只使用一次条纹相位扫描法，因此成像速度快；而二次重建是考虑物体上每一点分别对菲涅尔光圈投射的阴影有不同程度的贡献，因此在一次重建的基础上还要叠加一次对真实菲涅尔光圈的扫描，这样可以大幅度提高成像质量。附图说明图1是本专利技术的方法流程图；图2是菲涅尔光圈成像模型的示意图；图3是菲涅尔光圈四种典型初始相位的设计图；图4是条件下的菲涅尔光圈，10°、20°偏移以及真实菲涅尔光圈与偏移后的虚拟菲涅尔光圈分别乘积后形成的莫尔条纹图；图5是两个菲涅尔光圈形成的莫尔条纹图以及条纹扫描算法提取的莫尔条纹图；图6是一次重建(a)和二次重建(b)的方法示意图；图7是红外镜头成像图与菲涅尔光圈成像方法处理后的无镜头成像图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法，其特征在于：包括以下步骤：将原始图像数据叠加虚拟菲涅尔光圈，形成莫尔直条纹；所述真实菲涅尔光圈和所述虚拟菲涅尔光圈参数相同且具有一定偏差；所述原始图像数据为目标物体发出的红外光线经过真实菲涅尔光圈照射到红外焦平面探测器上得到的图像数据；采用条纹相位扫描法提取莫尔直条纹的信号分量，得到目标物体的包括振幅和相位的信息；进行二维离散傅里叶变换和零频点调整，重建出目标物体图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法，其特征在于：包括以下步骤：将原始图像数据叠加虚拟菲涅尔光圈，形成莫尔直条纹；所述真实菲涅尔光圈和所述虚拟菲涅尔光圈参数相同且具有一定偏差；所述原始图像数据为目标物体发出的红外光线经过真实菲涅尔光圈照射到红外焦平面探测器上得到的图像数据；采用条纹相位扫描法提取莫尔直条纹的信号分量，得到目标物体的包括振幅和相位的信息；进行二维离散傅里叶变换和零频点调整，重建出目标物体图像。2.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法，其特征在于：所述的菲涅尔光圈的强度透射率模型为：其中T代表透射率，β是与塞德尔像差系数W20相关的间距分布的常数，r是菲涅尔光圈中的径向坐标，是菲涅尔光圈的初始相位。3.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法，其特征在于：所述将所述原始图像数据叠加虚拟菲涅尔光圈，为原始图像数据乘以一个虚拟菲涅尔光圈图案，得到的强度分布为：其中，N是数字源点的数量；Ik是第k个点源的强度；xk和yk是探测器上的第k个阴影的偏差，依赖于第k个点源的位置；分别是真实菲涅尔光圈和虚拟菲涅尔光圈的初始相位。4.根据权利要求3所述的一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法，其特征在于：所述采用条纹相位扫描法提取莫尔直条纹的信号分量，为通过扫描受到干扰的参考光束的相位来重建待测光的相位分布，经过条纹扫描法得到的信号分量为：5.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔光圈的无镜头红外图像处理方法，其特征在于：所述采用条纹相位扫描法提取莫尔直条纹的信号分量，采用一次重建或者二次重建的方式；所述一次重建为将形成莫尔直...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，刘德幸，张云逵，史佳欣，蔡明，牛青辰，崔官豪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51