基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的方法技术

一种基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，包括结构光场的调制及探测和图像恢复两个过程，光场调制及探测使用数字微镜设备对光源进行二值调制，调制矩阵为随机化差分Hadamard矩阵，图像恢复过程对信号进行差分运算后，利用关联算法恢复目标信息。在探测器和物体之间引入一块毛玻璃和带孔遮挡物，通过毛玻璃的散射作用抵消遮挡物或者小孔的限制视场范围的效果，不仅实现了穿透散射介质成像，同时在一定程度上实现了扩大视场范围的作用。该方法为计算鬼成像在穿透散射介质中提供了一种应用前景，在探测段存在的视场限制于遮挡物遮挡可以通过此方法实现扩大视场成像，成本较低，重构速度快，重构质量高。

A method of enlarging the field of view based on the calculation of ghost image penetrating scattering medium

【技术实现步骤摘要】
基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的方法
本专利技术涉及一种基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，属于精密光学测量

技术介绍
在传统的成像方法中，大部分系统都是遵循几何光学中的成像公式，通过镜头或者透镜组把物体成像到探测器靶面上进行探测并记录，该过程理论上是一种完善成像，即像面上的每一个点与物面上的点一一对应，这种映射关系可以通过追踪与物体发生相互作用后的光线得到。因此在传统的成像系统中对光线在空间中的传播至关重要，一旦在光路中存在了较大的噪声或者遮挡物，就会破坏了映射关系导致最终获取图像质量的大幅降低甚至不能成像，因此在一些特殊场景下，如穿透散射介质成像中，传统的成像方式面临着巨大的挑战。穿透散射介质成像一直是成像领域中的一个难点和重点，无论是在生物医学成像、遥感、水下探测、救援等多个邻域均有着广泛的应用潜力。散射介质(如烟雾、大气湍流、雾霾、浑浊的水等)的存在会使得光在与介质发生散射作用后改变其原本的传播方向，破坏其原本的成像关系，导致不能获取到良好的图像质量。为了实现穿透散射介质成像，众多成像系统和处理算法相应被提出，2014年SinghAK提出过基于数字全息技术的方法，通过引入一路参考光与物体光发生干涉产生全息图像，经散射介质传播后被CCD探测，最后调整光路选择干涉长度来抵消散射光的影响，但这种技术需要提前定标并额外引入参考光，难以实现快速非入侵成像。波前整形技术本质是通多测量光场的波前后，通过算法迭代计算出每个点所需补偿的相位，最后加载在空间光调制器上实现波前补偿，这类技术运算量和数据量较大，运算成本高，难以实现实时重构。基于光学记忆效应的方法通过散斑的相关性，利用相位恢复算法重构图像的信息，但由于其散斑的记忆效应其范围很小，限制了目标的大小。近年来，一种新型的成像方式，鬼成像(GI)受到众多学者的关注与研究，该方法也为穿透散射介质成像提供了一种新的解决方法与思路，并被应用到了该邻域中。鬼成像是一种通过测量光场与物体在空间上的二阶相关性来实现物体的重构，因此也被称为关联成像。鬼成像利用一束被调制后的光场照射物体，用桶探测器记录其总光强值，并用CCD记录下另一束参考光的光场分布，最后通过把这两部分信号进行关联运算后即可得到物体的信息。随着计算机的发展和器件的更新，计算鬼成像(CGI)利用空间光调制器取代了参考臂，利用计算机编程把已知的光场加载到调制器上，从而实现快速调制。由于CGI在探测过程中仅需一个无空间分辨能力的桶探测器，因此其对噪声的鲁棒性更强，也使其在穿透散射介质邻域中存在着较大的潜力。在传统的成像系统中，视场光阑的存在决定了可成像范围的大小。在显微镜系统中，视场光阑一般放置于中间像平面上，伽利略望远镜的视场取决于其物镜框的尺寸大小，照相机系统中的视场光阑为其胶片窗的尺寸大小决定。且当系统的空间带宽积一定时，视场范围大小会随着分辨率的提升而降低，要扩大视场范围，可以通过拼接探测器来扩大像面的尺寸，也有通过多孔径合成的方法缓解视场和分辨率的矛盾，但是这些方法成本较大。通过精密的光学系统设计，利用透镜组来改变视场光阑的位置并增大其尺寸，其难度较高，而且容易引入了其他像差的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提出一种实现简单、重构速度快、质量高的基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的方法，该方法结合了计算鬼成像和散射介质的散射作用，不仅实现了穿透散射介质成像，还利用散射作用在一定程度上抵消了遮挡物带了的视场限制，实现了扩大视场成像。本专利技术的基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，主要包括了结构光场的调制及探测和图像恢复两个过程。结构光场的调制及探测过程：结构光场的调制是利用光源(LED)准直后产生均匀光场，并通过反射镜照射到数字微镜设备(DMD)上；在数字微镜设备上提前加载好要调制的编码图案(通过计算机编程的方式)，这里的编码矩阵为差分随机化后的Hadamard矩阵；经数字微镜设备调制后产生的结构光场照射到被探测的物体表面，随后利用无空间分辨能力的桶探测器进行光强的收集；在探测器和物体之间加入一块毛玻璃和带孔遮挡物作为散射介质和视场光阑；图像恢复过程：先把得到的所有探测值做一次差分运算，再把每一次桶探测器探测到的光强值与提前预加载在数字微镜设备(DMD)上的图案进行关联运算，通过迭代的方式恢复出目标物体的表面信息。所述结构光场的调制及探测过程，具体包括以下步骤：(1)使用LED光源作为照明光源，利用镜头进行准直操作，得到平面光场，保证照射在DMD表面上的光场分布均匀，实现更好的调制效果。(2)利用计算机编程生成出对应的Hadamard矩阵，并对该矩阵进行差分操作，产生两个元素为“0”“1”的矩阵，并提取矩阵的每一行重新排列形成多幅图案，得到差分后的Hadamard图案；(3)把差分后的图案与同一幅能量分布为50％的随机图案做异或运算，得到随机化的差分Hadamard图案，保证每一副图案的能量分布均匀，降低噪声。(4)利用计算机编程软件把图案加载到DMD设备上，并通过编程实现探测和投影之间的时序匹配。探测器探测到的光强值经数据采集卡进行数模转换后被计算机所记录。在探测器与物体中间放置毛玻璃与遮挡物，并移动毛玻璃的位置，得到多组数据。所述图像恢复过程，具体包括以下步骤：(1)把得到的信号做差分运算，即Si＝Si+-Si-，其中Si+和Si-分别为上述中随机化差分后的两幅图案对应的探测值。(2)把差分后的信号值Si与随机化后的Hadamard矩阵的图案做关联运算，即O(x，y)＝<Ii(x，y)-<Ii(x，y)>><Si-<Si>>，得到最终的重构结果。本专利技术实现简单，成本较低，为计算鬼成像在穿透散射介质成像邻域提供了一个新的应用前景，不经可以实现高质量的图像重构，还能利用散射介质的散射作用在一定程度上扩大视场成像，抵消在探测段遮挡物的影响，重构速度快，且重构质量较高。附图说明图1是本专利技术中实现光场调制和探测过程的装置示意图。图2是差分处理后的Hadamard图案示意图。其中：(a)是把Hadamard矩阵中的“-1”改为“0”产生的矩阵；(b)是把该矩阵中的“1”“0”互换得到的第二个相反的矩阵；(c)和(d)为提取了第100行重新排列得到的结果。图3是随机化处理后的Hadamard图案示意图。其中：(a)是产生的能量为50％的随机图案，(b)为图2(c)异或后的结果。图4是受到遮挡物或者小孔影响的目标物体重构结果示意图。其中从左到右为毛玻璃从紧贴探测器到紧贴遮挡物等间距移动的结果。具体实施方式本专利技术的方法基于计算鬼成像穿透散射介质实现扩大视场范围，主要包括了结构光场的调制及探测和图像恢复两个过程。其中图1为实现光场调制和探测过程的装置，结构光场的调制是利用光源(LED)经准直镜准直后产生均匀光场，并通过反射镜照射到数字微镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，其特征是：包括结构光场的调制及探测和图像恢复两个过程；/n所述结构光场的调制及探测过程：利用光源准直后产生均匀光场，并通过反射镜照射到数字微镜设备上；在数字微镜设备上提前加载好要调制的编码图案，编码矩阵为差分随机化后的Hadamard矩阵；经数字微镜设备调制后产生的结构光场照射到被探测的物体表面，随后利用无空间分辨能力的桶探测器进行光强的收集；在探测器和物体之间加入一块毛玻璃和带孔遮挡物作为散射介质和视场光阑；/n所述图像恢复过程：先把得到的所有探测值做一次差分运算，再把每一次桶探测器探测到的光强值与提前预加载在数字微镜设备上的图案进行关联运算，通过迭代的方式恢复出目标物体的表面信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，其特征是：包括结构光场的调制及探测和图像恢复两个过程；
所述结构光场的调制及探测过程：利用光源准直后产生均匀光场，并通过反射镜照射到数字微镜设备上；在数字微镜设备上提前加载好要调制的编码图案，编码矩阵为差分随机化后的Hadamard矩阵；经数字微镜设备调制后产生的结构光场照射到被探测的物体表面，随后利用无空间分辨能力的桶探测器进行光强的收集；在探测器和物体之间加入一块毛玻璃和带孔遮挡物作为散射介质和视场光阑；
所述图像恢复过程：先把得到的所有探测值做一次差分运算，再把每一次桶探测器探测到的光强值与提前预加载在数字微镜设备上的图案进行关联运算，通过迭代的方式恢复出目标物体的表面信息。


2.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像穿透散射介质的扩大视场范围的成像方法，其特征是：所述结构光场的调制及探测过程，具体包括以下步骤：
(1)使用LED光源作为照明光源，利用镜头进行准直操作，得到平面光场，保证照射在DMD表面上的光场分布均匀；
(2)利用计算机编程生成出对应的Hadamar...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宝清，张泽鑫，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37