一种高速单像素成像方法技术

本发明专利技术公开了一种高速单像素成像方法，产生一系列二值化傅里叶基图案，用于近似表示多灰度级的傅里叶基图案,再根据这些二值化傅里叶基图案利用高速空间波场调制器，调制波源发出的波场，生成一系列在空间被调制的不同波场；将这些波场根据不同的频率和不同的初位相，依次通过投影系统照射到目标物体，照射波和目标物体将形成相互作用，产生相互作用信号，单像素探测器同步依次测量这些相互作用信号；利用探测器对同一频率的不同初位相的多个波场的测量值，计算该频率的傅里叶变换谱系数，从而得到一系列的傅里叶变换谱系数；最后对所有频率或部分频率傅里叶变换谱系数构成的傅里叶变换谱，进行逆傅里叶变换，即获得目标物体图像。

A high speed single pixel imaging method

The invention discloses a high speed single pixel imaging method to produce a series of binarization Fourier based pattern for approximate Fourier based multi gray level pattern, then according to the binarization pattern by Fourier based high speed modulator modulation wave field, wave field emitted by the source, to generate a series of modulated in the space of different wave field; the wave field according to different frequency and different initial phase, followed by the projection system exposure to the target object, and the object wave irradiation will form the interaction, interaction of signal detection for synchronous measurement of the interaction signal pixel; measuring multiple wave field utilization the detector of the same frequency with different initial phase values of the Fourier transform to calculate the frequency spectrum of Fourier transform coefficient, so as to obtain a series of spectral coefficients; finally the frequency The Fourier transform spectrum composed of the partial Fourier transform coefficients or the partial frequency Fourier transform is used to obtain the target image by inverse Fourier transform.

【技术实现步骤摘要】
一种高速单像素成像方法
本专利技术涉及成像领域，特别涉及高速单像素成像的方法。
技术介绍
单像素成像技术通过使用没有空间分辨能力的探测器(例如光电二极管)进行时间上的多次采样，从而完成图像信息的获取。目前被广泛使用的二维阵列型硅光探测器(例如CCD和CMOS)只适合在可见光波段进行探测。然而，生物医学和工业等某些领域必须使用非可见光波段(如红外、太赫兹波段)的光波，或者声波等进行成像，而这些非可见光波或声波的二维阵列探测器难于制作，由此催生了单像素成像技术的需求，这正是单像素成像技术在近十年来成为热门研究的原因。对于二维成像，已公开发表的单像素的解决方案包括了鬼成像技术[Pittman,T.B.,“Opticalimagingbymeansoftwo-photonquantumentanglement,”Phys.Rev.A52,R3429(1995).]、单像素计算成像技术[Duarte,M.F.etal.,“Single-pixelimagingviacompressivesampling,”IEEESignalProcessingMagazine25,83(2008).]、哈达玛变换技术[J.Gourlay,etal.,“Time-multiplexedopticalHadamardimagetransformswithferroelectric-liquid-crystal-over-siliconspatiallightmodulators,”Opt.Lett.20,1745-1747(1993).]和利用获取傅里叶谱的单像素成像技术[ZibangZhang,XiaoMa,JingangZhong,“Single-pixelimagingbymeansofFourierspectrumacquisition,”NatureCommunications6,6225(2015).]及[专利技术专利：一种使用单像素探测器的光学成像方法,专利号201410367541.8]等。其中，利用获取傅里叶谱的单像素成像技术已被实验证明能够重建出高质量的二维图像。然而，实时的单像素成像依然是一个重大的挑战。由于单像素成像技术使用仅有一个像素的探测器来进行物理信号的采样，需要使用大量在空间上进行了调制的不同波场，按时间先后顺序投射到目标物体，以获取空间分辨，故需要大量的采样次数才能重建出像素点数多且质量高的图像。可见，单像素成像技术是一种以牺牲时间分辨率来换取空间分辨率的成像方案。采样次数越多，则获取图像信息的时间则越长。采样速率既受到单像素探测器的响应频率限制，也受到空间波场调制器对波场的调制速率限制。由于调制器对波场的调制频率往往远低于单像素探测器的响应频率，因此调制器对波场的调制速率是限制单像素成像采样速率的主要因素。数字微镜器件(digitalmicro-mirrordevice，DMD)[ZhouJ,WuR.“Digitalmicromirrordevice,”ChinJLiqCrystDisplays18(6),445-449(2003).],[Duarte,MarcoF.,etal.,“Single-pixelimagingviacompressivesampling.”IEEESignalProcessingMagazine25(2),83(2008).]是目前被广泛使用的空间光波场调制器，因其具有对比度高、速率高、精度高、廉价等特点。目前数字微镜器件对波场的二值化调制频率可达20000Hz,，即每秒可生成20000幅不同花样的二值化图案。但如果产生256灰度级的图案，数字微镜器件每秒只能生成大约250幅，也就是，按照250Hz的采样率来计算，按文献[ZibangZhang,XiaoMa,JingangZhong,“Single-pixelimagingbymeansofFourierspectrumacquisition,”NatureCommunications6,6225(2015).]提出的四步相移算法重建一幅256×256像素图像需耗费约524秒。获取傅里叶谱的单像素成像技术，利用多灰度级的傅里叶基图案控制空间波场调制器生成一系列不同频率、不同相位的余弦分布的傅里叶基波场，其中(x,y)表示二维空间坐标，(fx,fy)表示二维空间频率，a、b是实常数，是初位相。因此，由于作为空间波场调制器的数字微镜器件，无法高速生成具有多灰度级的一系列不同频率、不同相位的余弦分布的傅里叶基波场，从而导致单像素成像测量时间过长，成像速度过慢，无法实现实时成像。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种高速单像素成像方法，利用高速空间波场调制器，高速生成一系列按要求在空间上被调制的不同波场，提高单像素成像速度，解决目前单像素成像技术成像时间长的现状，实现实时成像。如果使用算法产生的一系列二值化图案近似表示二维傅里叶基图案，再利用这些二值化的傅里叶基图案控制数字空间波场调制器，就可高速生成一系列在空间被调制的波场。本专利技术的技术方案如下：一种高速单像素成像方法，包括以下步骤：(1)产生一系列二值化傅里叶基图案，用于近似表示多灰度级的傅里叶基图案；(2)根据这些二值化傅里叶基图案利用高速空间波场调制器，调制波源发出的波场，生成一系列在空间被调制的不同波场；(3)将这些波场根据不同的频率和不同的初位相，依次通过投影系统照射到目标物体，照射波和目标物体将形成相互作用，产生相互作用信号，单像素探测器同步依次测量这些相互作用信号；(4)利用单像素探测器对同一频率的不同初位相的多个波场的测量值，计算该频率的傅里叶变换谱系数，从而得到一系列的傅里叶变换谱系数；(5)对所有频率或部分频率傅里叶变换谱系数构成的傅里叶变换谱，进行逆傅里叶变换，即可获得目标物体图像。对部分频率傅里叶变换谱系数构成的傅里叶变换谱进行逆傅里叶变换得到的目标物体图像与对所有频率傅里叶变换谱系数构成的傅里叶变换谱进行逆傅里叶变换得到的目标物体图像相比，图像的质量会有一些劣化，但是能够节约时间成本。进一步地，在上述步骤(1)中，先将n×m个像素大小的傅里叶基图案中的每个像素进行插值扩展成k×k个像素，再对插值后的kn×km个像素大小的傅里叶基图案进行二值化处理得到二值化傅里叶基图案，其中k、n、m都是正整数，k≥2，n、m不同时为1。若n为1，则为一维图案，如条形码。进一步地，在上述步骤(1)中，利用基于误差扩散的二值化算法产生近似表示傅里叶基图案的二值化傅里叶基图案。误差扩散的二值化算法中，对右、左下、下、右下四个邻近像素点的扩散系数可分别设为7/16、3/16、5/16、1/16。进一步地，照射波和目标物体产生的相互作用信号，为目标物体被照射波照射后产生的反射波、透射波、荧光信号、超声波信号或电信号等各种可测量的信号。本专利技术的理论依据如下：本专利技术的单像素成像技术采用的图像重建方法和文献[ZibangZhang,XiaoMa,JingangZhong,“Single-pixelimagingbymeansofFourierspectrumacquisition,”NatureCommunications6,6225(2015).]，及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速单像素成像方法，包括以下步骤：（1）产生一系列二值化傅里叶基图案，用于近似表示多灰度级的傅里叶基图案；（2）根据这些二值化傅里叶基图案,利用高速空间波场调制器，调制波源发出的波场，生成一系列在空间被调制的不同波场；（3）将这些波场根据不同的频率和不同的初位相，依次通过投影系统照射到目标物体，照射波和目标物体将形成相互作用，产生相互作用信号，单像素探测器同步依次测量这些相互作用信号；（4）利用探测器对同一频率的不同初位相的多个波场的测量值，计算该频率的傅里叶变换谱系数，从而得到一系列的傅里叶变换谱系数；（5）对所有频率或部分频率傅里叶变换谱系数构成的傅里叶变换谱，进行逆傅里叶变换，即获得目标物体图像。

【技术特征摘要】
1.一种高速单像素成像方法，包括以下步骤：（1）产生一系列二值化傅里叶基图案，用于近似表示多灰度级的傅里叶基图案；（2）根据这些二值化傅里叶基图案,利用高速空间波场调制器，调制波源发出的波场，生成一系列在空间被调制的不同波场；（3）将这些波场根据不同的频率和不同的初位相，依次通过投影系统照射到目标物体，照射波和目标物体将形成相互作用，产生相互作用信号，单像素探测器同步依次测量这些相互作用信号；（4）利用探测器对同一频率的不同初位相的多个波场的测量值，计算该频率的傅里叶变换谱系数，从而得到一系列的傅里叶变换谱系数；（5）对所有频率或部分频率傅里叶变换谱系数构成的傅里叶变换谱，进行逆傅里叶变换，即获得目标物体图像。2.根据权利要求1所述的高速单像素成像方法，其特征在于步骤（1）中：先将n×...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟金钢，张子邦，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44