基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统及方法，所述成像系统包括结构光投影系统、光子接收系统、同步控制及信号处理系统，采用了单像素光子探测器和数字微镜器件组合的单光子相机结构对目标场景进行成像。根据多分辨率小波逼近原理，从初始分辨率图像开始，逐渐获取目标场景由低分辨率到高分辨率的细节信息，用于重构最终分辨率三维图像。本发明专利技术有效减少了采样次数，缩短了成像时间，适用于高分辨率三维成像应用；同时，避免了CS算法所需的计算开销，减少了重构所需的时间；利用单像素光子探测器和DMD组合的单光子相机结构，减小了系统尺寸，简化了系统结构，具有结构简单、可靠性高、成本低的特点。

Single pixel photon counting three-dimensional imaging system and method based on multi-resolution wavelet approximation

The invention discloses a 3D imaging system of single photon counting pixel approximation and wavelet multiresolution method based on the imaging system includes a structure light projection system, optical receiving system, synchronous control and signal processing system using single photon camera pixel structure of single photon detector and a digital micromirror device combination for imaging target scene. According to the multi-resolution wavelet approximation principle, from the initial resolution image, the detail information of the target scene from low resolution to high resolution is gradually obtained, which is used to reconstruct the final resolution 3D image. The invention can effectively reduce the number of sampling, shorten the imaging time, suitable for high resolution 3D imaging applications; at the same time, to avoid the computational overhead required for the CS algorithm, reduce the reconstruction time; using single photon camera pixel structure of single photon detector and DMD combination, reduce system size, simplifies the system structure that has the characteristics of simple structure, high reliability and low cost.

【技术实现步骤摘要】
基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统及方法
本专利技术属于光子计数三维成像
，特别是一种使用单像素探测器的光子计数三维成像系统，以及应用于该系统的基于多分辨率小波逼近的光子计数三维成像方法。
技术介绍
光子计数三维成像具有探测灵敏度高、距离分辨率高的特点，可在极暗光照条件下获得目标场景反射率和三维结构信息，受到广泛关注。在光子计数三维成像中，系统通过测量光子从发射到经目标场景反射被单光子探测器接收的飞行时间获得距离信息。目前，传统的光子计数三维成像系统可以达到亚毫米级的距离了分辨率，但是由于受限于其单点扫描成像机制，获得高空间分辨率需要很长的成像时间([1]卡塞格林式激光雷达结构，CN201320519712.[2]一种时间分辨光子计数成像系统及方法，CN201110152839.3)。目前，为解决上述问题，已知有两种技术途径。一种方法仍然采用单点扫描成像机制，在成像所需测量次数不变的情况下，通过优化测量过程，减少单点的测量时间，从而减少成像时间。例如，AhmedKirmani等人提出的首光子成像方法([3]Ahmedkirmani,etal,First-PhotonImaging,Science,2014,vol.343,pp:58-61.)，通过建立单光子探测过程的概率统计模型，结合目标相邻像素的空间相关性，利用第一个探测到的回波光子信息，获取目标的三维信息。另一种方法使用单像素相机架构，其中点探测器选用具有单光子灵敏度的盖革模式雪崩二极管(Geiger-modeavalanchephotoelectricdiodes,GM-APD)或光电倍增管(photomultipliertube,PMT)。这种方法利用目标场景强度图像的稀疏性，通过压缩感知(CompressedSensing，CS)算法获取目标空间信息，极大地减少了成像所需测量次数。例如，Howland等人([4]G.A.Howland,P.B.Dixon,andJ.C.Howell,Photon-countingcompressivesensinglaserradarfor3Dimaging,Appl.Opt.50,5917-5920,2011.)通过将CS算法和单像素探测器相结合获取目标场景空间信息，并使用距离门控获取距离信息。此外，中国科学院上海技术物理研究所的马彦鹏等人研制了基于压缩感知的激光雷达成像系统([5]一种基于压缩感知的激光雷达成像系统CN201410403458.1)。第一种方法在目标场景的低反射区域，特别是边缘细节部分成像不准确，容易出现平滑现象。这两种技术途径均需要较复杂的后续算法处理，尤其是第二种基于CS的方法需要迭代计算解最优化问题重构图像，计算开销巨大，重构时间随着成像分辨率而成指数增长，成像速度缓慢，不适用于实时应用场景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种快速、准确、高分辨率的基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统及方法，解决传统光子计数三维成像方法受限于空间分辨率、成像时间长的问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统及其方法，由结构光投影系统、光子接收系统、同步控制及信号处理系统构成三维成像系统，所述结构光投影系统包括激光光源、扩束镜、数字微镜器件DMD以及投影透镜；光子接收系统包括窄带滤光片、成像透镜以及光电倍增管PMT；同步控制及信号处理系统包括信号发生器、时间相关单光子模块TCSPC以及计算机PC；所述信号发生器生成同步脉冲，驱动激光光源发出脉冲激光，经扩束镜扩束，照亮DMD微镜平面；根据PC生成的调制图案，DMD对脉冲激光进行空间调制，经投影透镜照射目标场景；目标场景反射光子经窄带滤光片滤除杂散光后，经成像透镜收集，由PMT测量得到光子探测信号；TCSPC将信号发生器输出的激光器发射信号与PMT光子探测信号相关联得到该脉冲的光子飞行时间TOF。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)与传统光子计数三维成像方法相比，本专利技术采用的多分辨率小波逼近方法自适应采集目标场景重要信息，有效减少了测量次数，缩短了成像时间，适用于高分辨率三维成像应用。(2)与现有的基于CS的光子计数三维成像方法相比，本专利技术避免了CS算法所需的计算开销，减少了重构所需的时间。(3)本专利技术减小了系统尺寸，简化了系统结构，具有结构简单、可靠性高、成本低的特点。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是本专利技术基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统示意图，包括超短脉冲激光光源(图1(a))、扩束镜(图1(b))、数字微镜器件(图1(c))、投影透镜的投影镜头(图1(d))、窄带滤光片(图1(e))、成像透镜(图1(f))、光电倍增管(图1(g))、信号发生器(图1(h))、时间相关单光子模块(图1(i))以及计算机(图1(j))。图2是扩展小波树的结构示意图，数字64、128、256/512代表四个分辨率，箭头表示小波系数相关性。扩展小波树结构是一种小波分解提供的一种多分辨率的数据组织结构，不同分辨率对应相同空间区域的小波系数之间具有相关性。本专利技术所述基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像方法利用了扩展小波树结构，由以获取的上一分辨率重要系数位置估计当前分辨率所需采样的重要系数位置，从而生成所需的DMD调制图案。图3是本专利技术基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像方法中某一分辨率的流程图，其中，图3(a)是结构光投影脉冲，图3(b)是目标场景反射光子，图3(c)是光子计数直方图，图3(d)是小波系数立方，图3(e)是图像立方，图3(f)是像素飞行时间直方图，图3(g)和图3(h)分别是当前分辨率深度图像和强度图像。图3描述了由已获取的上一分辨率深度图像小波系数估计当前重要小波系数位置，生成DMD调制图案，得到当前分辨率深度图像与强度图像，并估计下一分辨重要小波系数位置的多分辨率小波逼近过程。图4是本专利技术基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统及方法的成像结果，以及与文献[4]方法得到的结果的比较图。图4(a)是目标场景照片，图4(b)和图4(c)分别是采样率为5％时使用本专利技术所述的系统和方法得到的强度图像和深度图像，图4(d)和图4(e)是文献[4]方法得当的强度图像和深度图像。具体实施方式如图1所示，本专利技术基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统由结构光投影系统、光子接收系统、同步控制及信号处理系统构成，所述结构光投影系统包括激光光源(图1(a))、扩束镜(图1(b))、数字微镜器件(digitalmicromirrordevice,DMD)(图1(c))以及投影透镜(图1(d))，其中脉冲激光经扩束后由DMD进行空间调制，实现结构光投影。光子接收系统包括窄带滤光片(图1(e))、成像透镜(图1(f))以及单像素光子计数型的光电倍增管(photomultipliertube，PMT)(图1(g))，其中回波光子由PMT测量，得到光子探测信号，窄带滤光片的作用是阻挡杂散光，提高接收信噪比。同步控制及信号处理系统包括信号发生器(图1(h))、时间相关单光子模块(time-correctedsingle-pho本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统，其特征在于由结构光投影系统、光子接收系统、同步控制及信号处理系统构成三维成像系统，所述结构光投影系统包括激光光源、扩束镜、数字微镜器件DMD以及投影透镜；光子接收系统包括窄带滤光片、成像透镜以及光电倍增管PMT；同步控制及信号处理系统包括信号发生器、时间相关单光子模块TCSPC以及计算机PC；所述信号发生器生成同步脉冲，驱动激光光源发出脉冲激光，经扩束镜扩束，照亮DMD微镜平面；根据PC生成的调制图案，DMD对脉冲激光进行空间调制，经投影透镜照射目标场景；目标场景反射光子经窄带滤光片滤除杂散光后，经成像透镜收集，由PMT测量得到光子探测信号；TCSPC将信号发生器输出的激光器发射信号与PMT光子探测信号相关联得到该脉冲的光子飞行时间TOF。

【技术特征摘要】
1.一种基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统，其特征在于由结构光投影系统、光子接收系统、同步控制及信号处理系统构成三维成像系统，所述结构光投影系统包括激光光源、扩束镜、数字微镜器件DMD以及投影透镜；光子接收系统包括窄带滤光片、成像透镜以及光电倍增管PMT；同步控制及信号处理系统包括信号发生器、时间相关单光子模块TCSPC以及计算机PC；所述信号发生器生成同步脉冲，驱动激光光源发出脉冲激光，经扩束镜扩束，照亮DMD微镜平面；根据PC生成的调制图案，DMD对脉冲激光进行空间调制，经投影透镜照射目标场景；目标场景反射光子经窄带滤光片滤除杂散光后，经成像透镜收集，由PMT测量得到光子探测信号；TCSPC将信号发生器输出的激光器发射信号与PMT光子探测信号相关联得到该脉冲的光子飞行时间TOF。2.一种利用权利要求1所述的基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统进行成像方法，其特征在于过程如下：对于一次测量，信号发生器生成同步脉冲，驱动激光光源发出脉冲激光，经扩束镜扩束，照亮DMD微镜平面；根据PC生成的调制图案，DMD对脉冲激光进行空间调制，经投影透镜照射目标场景；目标场景反射光子经窄带滤光片滤除杂散光后，经成像透镜收集，由PMT测量得到光子探测信号；TCSPC将信号发生器输出的激光器发射信号与PMT光子探测信号相关联得到该脉冲的光子飞行时间TOF；上述测量过程持续一段时间构成积分时间，得到多个脉冲的TOF，PC将积分时间内的TOF累计得到本次测量的光子计数直方图，对目标场景的测量由多次测量组成，根据这些测量结果，重建目标场景三维信息。3.根据权利要求2所述的成像方法，其特征在于具体步骤如下：第一步，DMD使用扫描调制图案，对目标场景进行逐点扫描，根据逐点扫描机制原理，扫描所需DMD调制图案个数与初始分辨率图像像素数相同，并且每个DMD调制图案积分时间光子计数直方图记录了到达该像素的光子的飞行时间，该像素的深度值即为光子计数直方图最大值位置对应深度，强度值即为光子计数直方图的平均值，从而得到初始分辨率深度图像和强度图像；第二步，将上一分辨率的深度图像作为当前分辨率重要小波系数位置估计的依据，即首先对上一分辨率深度图像进行单层小波分解，得到其小波系数矩阵；然后，根据扩展小波树结构中相邻分辨率对应相同空间位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾国华，王成，戴慧东，何伟基，叶凌，冒添逸，陈钱，姜睿妍，俞媛媛，葛雨涵，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32