一种基于单像素探测器的彩色成像方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单像素探测器的彩色成像方法，包括：利用计算机生成一系列不同频率、不同相位的傅里叶基底灰度图案；然后将此灰度图案乘以拜尔滤波模板得到傅里叶基底彩色图案；接着通过数字投影仪将傅里叶基底彩色图案依次投射到被测物体表面，同时通过一个单像素探测器采集经被测表面反射后的光强；随后利用傅里叶单像素成像算法对采集的信号处理，得到物体的马赛克图像；最后通过空间色彩插值算法处理马赛克图像，获得物体的彩色图像。本发明专利技术还公开了一种基于单像素探测器的彩色成像系统。本发明专利技术的方法和系统能够使物体轮廓信息的和彩色信息分别积聚在傅里叶变换域的不同区域，便于实现压缩采样，并且成像系统简单、易实现。

A color imaging method and system based on single pixel detector

The invention discloses a color imaging method based on single pixel detector, including: generating a series of Fu Liye base grayscale patterns with different frequencies and phases by computer, and then multiplying the gray pattern by Bayer filter template to get the Fu Liye base color pattern, and then using the digital projector to make Fu Liye base. The background color pattern is projected on the surface of the object in turn, and the intensity of the reflected light after the measured surface is collected by a single pixel detector. Then the mosaic image of the object is obtained by the Fourier single pixel imaging algorithm. Finally, the mosaic image is processed by the spatial color interpolation algorithm. A color image of an object. The invention also discloses a color imaging system based on a single pixel detector. The method and system of the invention can make the object contour information and color information in different regions of the Fourier transform domain respectively, and facilitate the realization of compression sampling, and the imaging system is simple and easy to realize.

【技术实现步骤摘要】
一种基于单像素探测器的彩色成像方法和系统
本专利技术涉及彩色成像
，特别涉及一种基于单像素探测器的彩色成像方法和系统。
技术介绍
彩色成像技术主要用于对同一观测目标的多个波段同时进行成像比对,以实现对其成分组成、分布状态等特性进行观测分析。相对于传统的单一波段成像系统,彩色成像系统能够获得更为全面的目标色彩信息。现有彩色成像方法大多采用面阵相机，且通过分光元件，如滤波片，光栅或者迈克尔逊双光束干涉光路等，将宽光谱光束分解成多个单波长的光束，成像装置比较复杂，而且需要多次测量，测量数据大，难以实现压缩采样。单像素成像是近年来新兴的一种成像方式。该技术通过在空间光调制器(如DMD)上加载一组调制图案(如哈达码、傅里叶基底图案)，用于将物体的信息编码到变换域(如频域)，接着利用单像素探测器(如单个光电二极管)采集调制后的信号，最后通过相关算法(如傅里叶单像素算法)计算重建物体的图像。与传统的以CCD或者CMOS相机为核心的成像器件相比，单像素探测器结构简单，且具有较宽的光谱响应范围和较强的光敏感度。此外，由于自然图像在变换域(如频域)中具有积聚特性，采用单像素成像方法可以实现压缩采样。为了实现基于单像素探测器的彩色成像，文献“S.S.Welsh,M.P.Edgar,R.Bowman,P.Jonathan,B.Sun,andM.J.Padgett,"Fastfull-colorcomputationalimagingwithsingle-pixeldetectors,"Opt.Express21,23068-23074(2013)”提出了一种基于三个单像素探测器的彩色成像系统，该方案通过在每个单像素探测器前分别加红、绿和蓝色滤光片，能够分别重建出被测物体的红、绿和蓝色图像，然后将三个重建结果组合，即可获得被测物体的彩色图像。然而，这种方法至少需要三个单像素探测器，系统复杂。文献“L.H.Bian,J.L.Suo,G.H.Situ,Z.W.Li,J.T.Fan,F.Chen,andQ.H.Dai,"Multispectralimagingusingasinglebucketdetector,"ScientificReport6，24752(2016)”提出了一种基于一个单像素探测器的彩色成像系统，但该方案需要一个高速旋转的光栅将宽光谱光束分解成多个光谱频带的调制光，然后利用单像素探测器分别采集每个光谱的信号，测量次数比较多。此外，由于需要一个高速旋转的光栅，光栅、DMD和单像素探测器需要同步，系统比较复杂。文献“S.L.Jin,W.W.Wang,Y.L.Wang,K.C.Huang,Q.S.Shi,C.F.Ying,D.Q.Liu,Q.Ye,W.Y.ZhouandJ.G.Tian,Hyperspectralimagingusingthesingle-pixelFouriertransformtechnique.ScientificReports7,45209(2017)”提出了一种基于迈克尔逊双光束干涉分光的彩色单像素成像系统，该方案通过精确移动干涉光路中的反射镜，获得不同光谱反射的光强信号。由于需要采用干涉光路，测量系统对环境震动比较敏感。此外，该方案需要利用单像素探测器对每个光谱的反射光强进行测量，测量次数比较多。因此，如何提供一种高效、简单的彩色单像素成像方法和系统成为单像素成像领域中的一项技术难题、亟待解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于单像素探测器的彩色成像方法，能够使物体的轮廓信息和彩色信息分别积聚在傅里叶变换域的不同位置，实现压缩采用，并且图像重建过程无需迭代运算，重建算法简单，运算速度快。本专利技术的另一目的在于提供基于单像素探测器的彩色成像方法的成像系统。为实现以上目的，本专利技术采取如下技术方案：一种基于单像素探测器的彩色成像方法，包括下述步骤：S1、利用计算机产生一系列不同频率、不同相位的傅里叶基底灰度图案；S2、将所述傅里叶基底灰度图案转换成基于拜尔滤波模板的傅里叶基底彩色图案；S3、通过数字投影仪将所述傅里叶基底彩色图案依次投射到被测物体表面，同时利用一个单像素探测器采集经物体反射后的光强；S4、利用傅里叶单像素成像算法处理所述的采集信号，得到物体的马赛克图像；S5、采用空间色彩插值算法处理所述的马赛克图像，获得物体的彩色图像。作为优选的技术方案，步骤S1具体为：利用公式生成一系列不同频率，不同相位的傅里叶基底灰度图案，其中a和b分别表示傅里叶基底灰度图案的背景值和对比度，(x,y)表示傅里叶基底灰度图案的像素坐标，(fx,fY)表示频域坐标，表示相位，s表示相移步数，取s＝4，n＝0，1，2，3。作为优选的技术方案，步骤S2具体包括下述步骤：S21、利用如下公式生成三个与傅里叶基底灰度图案像素数相等的拜尔滤波模板：其中，MR、MB和MG分别表示红色、蓝色和绿色三种颜色的拜尔滤波模板；S22、将步骤S21中的三个拜尔滤波模板分别乘以傅里叶基底灰度图案，得到三组傅里叶基底图案，分别对应红色、绿色和蓝色三种颜色：其中，c表示颜色；S23、将步骤S22得到的三组傅里叶基底图案组合成一个三维矩阵，即可得到一系列不同频率、不同相位的傅里叶基底彩色图案；由于采用拜尔滤波模板，傅里叶基底彩色图案中的每个像素只显示一种颜色。作为优选的技术方案，步骤S3具体包括下述步骤：S31、通过数字投影仪将一系列的傅里叶基底彩色图案依次投射到被测物体表面，同时利用一个单像素探测器采集经物体反射后的光场强度，并通过数据采集卡存储于计算机内；S32、经物体反射后的光场总强度表示为：其中R表示被测物体的反射率；S33、单像素探测器每次采集并存储的光强信号表示为：其中，Db表示同一频率、不同相位的傅里叶基底彩色图案的背景在单像素探测器引起的响应值，k表示与单像素探测器放大电路有关的比例因子。作为优选的技术方案，步骤S4具体包括下述步骤：S41、按照如下公式计算被测物体与频率为(fx,fy)对应的傅里叶频谱系数：其中，j表示虚部单位，表示在同一频率、不同相位的傅里叶基底彩色图案照射下，单像素探测器采集的光强信号值；S42、重复步骤S41的方法，计算被测物体与其他频率对应的傅里叶频谱系数，获得被测物体的傅里叶频谱分布图；S43、对步骤S42得到的傅里叶频谱分布图求傅里叶反变换，然后对变换后的结果取模并进行归一化，即可得到被测物体的图像；由于投射到被测物体表面的图案为基于拜尔滤波模板的彩色傅里叶基底，重建结果中的每个像素只能获得红色、绿色和蓝色三种颜色中的一种颜色信息，其它两种颜色的信息被丢失，因此，该重建结果又称为被测物体的马赛克图像。作为优选的技术方案，步骤S5具体为：重建结果中任何一像素缺失颜色都用最临近的4个同颜色像素为基础，采用空间色彩插值算法获得；所述空间色彩插值算法包括：双线性插值算法、RonKimmel算法或OptimalRecovery算法。一种基于单像素探测器的彩色成像方法的成像系统，包括：傅里叶基底彩色图案生成模块、投影采集模块、以及数据处理模块；所述傅里叶基底彩色图案生成模块通过计算机产生傅里叶基底彩色图案，经数字投影仪将该傅里叶基底彩色图案投射到待测物体上，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单像素探测器的彩色成像方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、利用计算机产生一系列不同频率、不同相位的傅里叶基底灰度图案；S2、将所述傅里叶基底灰度图案转换成基于拜尔滤波模板的傅里叶基底彩色图案；S3、通过数字投影仪将所述傅里叶基底彩色图案依次投射到被测物体表面，同时利用一个单像素探测器采集经物体反射后的光强；S4、利用傅里叶单像素成像算法处理所述的采集信号，得到物体的马赛克图像；S5、采用空间色彩插值算法处理所述的马赛克图像，获得物体的彩色图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于单像素探测器的彩色成像方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、利用计算机产生一系列不同频率、不同相位的傅里叶基底灰度图案；S2、将所述傅里叶基底灰度图案转换成基于拜尔滤波模板的傅里叶基底彩色图案；S3、通过数字投影仪将所述傅里叶基底彩色图案依次投射到被测物体表面，同时利用一个单像素探测器采集经物体反射后的光强；S4、利用傅里叶单像素成像算法处理所述的采集信号，得到物体的马赛克图像；S5、采用空间色彩插值算法处理所述的马赛克图像，获得物体的彩色图像。2.根据权利要求1所述的一种基于单像素探测器的彩色成像方法，其特征在于，步骤S1具体为：利用公式生成一系列不同频率，不同相位的傅里叶基底灰度图案，其中a和b分别表示傅里叶基底灰度图案的背景值和对比度，(x,y)表示傅里叶基底灰度图案的像素坐标，(fx,fy)表示频域坐标，表示相位，s表示相移步数，取s＝4，n＝0，1，2，3。3.根据权利要求1所述的一种基于单像素探测器的彩色成像方法，其特征在于，步骤S2具体包括下述步骤：S21、利用如下公式生成三个与傅里叶基底灰度图案像素数相等的拜尔滤波模板：其中，MR、MB和MG分别表示红色、蓝色和绿色三种颜色的拜尔滤波模板；S22、将步骤S21中的三个拜尔滤波模板分别乘以傅里叶基底灰度图案，得到三组傅里叶基底图案，分别对应红色、绿色和蓝色三种颜色：其中，c表示颜色；S23、将步骤S22得到的三组傅里叶基底图案组合成一个三维矩阵，即可得到一系列不同频率、不同相位的傅里叶基底彩色图案；由于采用拜尔滤波模板，傅里叶基底彩色图案中的每个像素只显示一种颜色。4.根据权利要求1所述的一种基于单像素探测器的彩色成像方法，其特征在于，步骤S3具体包括下述步骤：S31、通过数字投影仪将一系列的傅里叶基底彩色图案依次投射到被测物体表面，同时利用一个单像素探测器采集经物体反射后的光场强度，并通过数据采集卡存储于计算机内；S32、经物体反射后的光场总强度表示为：其中R表示被测物体的反射率；S33、单像素探测器每次采集并存储的光强信号表示为：其中，Db表示同一频率、不同相位的傅里叶基底彩色图案的背景在单像素探测器引起的响应值，k表示与单像素探测器放大电路有关的比例因子。5.根据权利要求1所述的一种基于单像素探测器的彩色成像方法，其特征在于，步骤S4具体包括下述步骤：S41、按照如下公式计算被测物体与频率为(fx,fy)对应的傅里叶频谱系数：其中，j表示虚部单位，表示在同一频率、不同相位的傅里叶基底彩色图案照射下，单像素探测器采集的光强信号值；S4...

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