抗散射成像方法与装置制造方法及图纸

本申请提出一种抗散射成像方法与装置，包括以下步骤：获取散斑图；计算散斑图的自相关信息，对自相关信息进行傅里叶变换后取模值获取原始目标傅里叶域幅值信息；对散斑图进行分块处理得到N张子散斑图，并利用N张子散斑图计算双谱得到双谱相位；其中，N为正整数；根据双谱相位计算原始目标傅里叶域相位的初始估计值，并利用高斯牛顿优化方法对初始估计值进行迭代优化得到高精度傅里叶域相位；根据原始目标傅里叶域幅值信息和高精度傅里叶域相位重建原始目标图像。由此，从单张散斑图即可重建原始目标信息，且幅值和相位恢复过程相互独立，相位恢复精度高，抗噪性强。

【技术实现步骤摘要】
抗散射成像方法与装置
本申请涉及计算摄像学
，尤其涉及一种抗散射成像方法与装置。
技术介绍
当自由空间存在阻碍的散射介质时，如大雾、生物组织等，由于介质的不均匀性使得光子与其互相作用后改变传播方向。这种相互作用往往是多次且不确定的，最终会导致光路变得随机化，即散射。从视觉角度来讲，光通过强散射介质后会失去所携带的目标信息。设备捕获散射光后所成的图像由无数杂乱无章的斑点组成，称为散斑图。目前已经发展出了许多透过散射介质成像的方法。但大多数方法都需要侵入原始目标平面内或者放置“引导星”，且要用到多张的散斑图。2014年O.Katz等人提出了一种基于单张散斑自相关的非侵入式实时散射成像方案，发现物体散斑图的自相关本质上和物体强度图的自相关是相等的。通过计算散斑图的自相关函数，获得目标傅里叶域幅值，之后使用相位恢复算法从傅里叶域幅值重建出原始目标信息。该方案极大简化了散斑数据的采集以及成像流程，在一定程度上能实现实时成像。一经提出引起了许多研究者的关注，后续对其改进与提高成像质量的工作成果层出不穷。O.Katz等人基于散斑自相关获取原始目标傅里叶域幅值信息后，使用相位恢复算法恢复傅里叶域相位信息。这个过程中存在一些缺陷。首先，相位恢复算法依赖于幅值信息，若幅值不准确则相位信息也不会准确；其次，大部分相位恢复算法恢复结果并不理想，只能重建结构简单的原始目标，且无法知道目标在背景中的具体位置；最后，相位恢复算法的抗噪性能不理想，由于拍摄硬件限制导致散斑图噪声较大时，会极大影响重建质量。>
技术实现思路
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的一个目的在于提出一种抗散射成像方法和装置，基于双谱分析和高斯牛顿优化对相位进行恢复，能够在一定程度上解决上述问题，双谱分析将目标幅值与相位的估计过程互相独立，且具有良好的抗噪性能，高斯牛顿法进一步优化使相位精度更高。本申请的另一个目的在于提出一种抗散射成像装置。为达到上述目的，本申请实施例提出了一种抗散射成像方法，包括以下步骤：获取散斑图；计算所述散斑图的自相关信息，对所述自相关信息进行傅里叶变换后取模值获取原始目标傅里叶域幅值信息；对所述散斑图进行分块处理得到N张子散斑图，并利用所述N张子散斑图计算双谱得到双谱相位；其中，N为正整数；根据所述双谱相位计算原始目标傅里叶域相位的初始估计值，并利用高斯牛顿优化方法对所述初始估计值进行迭代优化得到高精度傅里叶域相位；根据所述原始目标傅里叶域幅值信息和所述高精度傅里叶域相位重建原始目标图像。本申请实施例的抗散射成像方法，获取散斑图；计算散斑图的自相关信息，对自相关信息进行傅里叶变换后取模值获取原始目标傅里叶域幅值信息；对散斑图进行分块处理得到N张子散斑图，并利用N张子散斑图计算双谱得到双谱相位；其中，N为正整数；根据双谱相位计算原始目标傅里叶域相位的初始估计值，并利用高斯牛顿优化方法对初始估计值进行迭代优化得到高精度傅里叶域相位；根据原始目标傅里叶域幅值信息和高精度傅里叶域相位重建原始目标图像。由此，从单张散斑图即可重建原始目标信息，且幅值和相位恢复过程相互独立，相位恢复精度高，抗噪性强。另外，根据本申请上述实施例的抗散射成像方法，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，在本申请的一个实施例中，所述获取散斑图，包括：获取具有原始目标信息光线经过散射介质形成的多重散射光束；使用探测器采集所述多重散射光束生成所述散斑图。进一步地，在所述计算所述散斑图的自相关信息之前，还包括：将所述散斑图除以其自身低频版本；或，对所述散斑图进行多项式拟合；采用高斯核卷积算法对所述散斑图进行平滑滤波处理。进一步地，在本申请的一个实施例中，所述计算所述散斑图的自相关信息，对所述自相关信息进行傅里叶变换后取模值获取原始目标傅里叶域幅值信息，包括：通过以下公式(1)计算所述散斑图的自相关信息：[I★I]＝[(O*S)★(O*S)]＝[(O★O)*(S★S)]；其中，I为探测器平面捕获的散斑图，O为原始目标图像，S是散射系统的点扩散函数；I＝O*S，“*”是卷积算子，“★”是自相关算子；根据维纳辛钦定理，对所述自相关信息进行傅里叶变换后取模值获取原始目标傅里叶域幅值信息为|F{(O★O)}|＝|F{O}|2。进一步地，在本申请的一个实施例中，对所述公式(1)进行简化处理得到公式(2)：[I★I]＝[(O★O)]+C；其中，C是在计算散斑图的自相关过程中产生的常数项。进一步地，在本申请的一个实施例中，在所述利用所述N张子散斑图计算双谱得到双谱相位之前，还包括：采用高斯窗函数对每块子散斑进行空间滤波；其中，所述高斯窗函数为G＝exp[-(x2+y2/ω2)，x和y表示空间坐标，ω用来控制窗函数窗口大小。进一步地，在本申请的一个实施例中，利用所述N张子散斑图计算双谱得到双谱相位，对于子散斑图o(x)，相对移位(x1，x2)的三阶相关为公式(3)：对所述公式(3)式进行傅里叶变换并结合卷积的性质可以得到所述双谱相位为公式(4)：O(3)(u，v)＝O(u)O(v)O*(u+v)；其中，O(3)(u，v)是所述双谱，O(u)是目标图像的傅里叶变换，u，是空间频率，所述公式(4)表示所述双谱中含有傅里叶信息。进一步地，在本申请的一个实施例中，所述根据所述双谱相位计算原始目标傅里叶域相位的初始估计值，并利用高斯牛顿优化方法对所述初始估计值进行迭代优化得到高精度傅里叶域相位，包括：对所述公式(4)取相位形式为公式(5)：β(u，v)＝φ(u)+φ(v)-φ(u+v)；其中，φ(u)是O(u)的相位，β(u，v)是所述双谱相位，通过所述公式(5)与递归算法从散斑图的双谱相位中恢复出原始目标的傅里叶相位信息φ(u)，使用φ(u)作为高斯牛顿优化的初始值φ0(u)；所述公式(5)表示为线性结构：β＝Aφ，其中，表示需要恢复的目标傅里叶相位，表示双谱相位，是每行只有三个非零元素的稀疏矩阵，它的三个非零元素包含两个1和一个-1，对应于(5)式等号右边三个相位元素的符号；构造最小二乘目标函数来优化相位，从而降低相位与散斑数据双谱之间的误差，目标函数为公式(6)：其中，是一个对角加权矩阵，对所述公式(6)进行转换得到公式(7)：使用高斯牛顿迭代法对(6)或(7)式求解得到所述高精度傅里叶域相位。进一步地，在本申请的一个实施例中，所述根据所述原始目标傅里叶域幅值信息和所述高精度傅里叶域相位重建原始目标图像，包括：对所述原始目标傅里叶域幅值信息和所述高精度傅里叶域相位进行逆傅里叶变换或在高斯牛顿优化傅里叶域相位时将所述高精度傅里叶域相位更改为所述原始目标图像。为达到上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种抗散射成像装置，包括：获取模块，用于获取散斑图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗散射成像方法，其特征在于，包括以下步骤：/n获取散斑图；/n计算所述散斑图的自相关信息，对所述自相关信息进行傅里叶变换后取模值获取原始目标傅里叶域幅值信息；/n对所述散斑图进行分块处理得到N张子散斑图，并利用所述N张子散斑图计算双谱得到双谱相位；其中，N为正整数；/n根据所述双谱相位计算原始目标傅里叶域相位的初始估计值，并利用高斯牛顿优化方法对所述初始估计值进行迭代优化得到高精度傅里叶域相位；/n根据所述原始目标傅里叶域幅值信息和所述高精度傅里叶域相位重建原始目标图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种抗散射成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取散斑图；
计算所述散斑图的自相关信息，对所述自相关信息进行傅里叶变换后取模值获取原始目标傅里叶域幅值信息；
对所述散斑图进行分块处理得到N张子散斑图，并利用所述N张子散斑图计算双谱得到双谱相位；其中，N为正整数；
根据所述双谱相位计算原始目标傅里叶域相位的初始估计值，并利用高斯牛顿优化方法对所述初始估计值进行迭代优化得到高精度傅里叶域相位；
根据所述原始目标傅里叶域幅值信息和所述高精度傅里叶域相位重建原始目标图像。


2.如权利要求1所述的抗散射成像方法，其特征在于，所述获取散斑图，包括：
获取具有原始目标信息光线经过散射介质形成的多重散射光束；
使用探测器采集所述多重散射光束生成所述散斑图。


3.如权利要求1所述的抗散射成像方法，其特征在于，在所述计算所述散斑图的自相关信息之前，还包括：
将所述散斑图除以其自身低频版本；或，对所述散斑图进行多项式拟合；
采用高斯核卷积算法对所述散斑图进行平滑滤波处理。


4.如权利要求1所述的抗散射成像方法，其特征在于，所述计算所述散斑图的自相关信息，对所述自相关信息进行傅里叶变换后取模值获取原始目标傅里叶域幅值信息，包括：
通过以下公式(1)计算所述散斑图的自相关信息：
[I★I]＝[(O*S)★(O*S)]＝[(O★O)*(S★S)]；
其中，I为探测器平面捕获的散斑图，O为原始目标图像，S是散射系统的点扩散函数；I＝O*S，“*”是卷积算子，“★”是自相关算子；
根据维纳辛钦定理，对所述自相关信息进行傅里叶变换后取模值获取原始目标傅里叶域幅值信息为|F{(O★O)}|＝|F{O}|2。


5.如权利要求4所述的抗散射成像方法，其特征在于，还包括：
对所述公式(1)进行简化处理得到公式(2)：
[I★I]＝[(O★O)]+C；
其中，C是在计算散斑图的自相关过程中产生的常数项。


6.如权利要求1所述的抗散射成像方法，其特征在于，在所述利用所述N张子散斑图计算双谱得到双谱相位之前，还包括：
采用高斯窗函数对每块子散斑进行空间滤波；其中，所述高斯窗函数为G＝exp[-(x2+y2/ω2)，x和y表示空间坐标，ω用来控制窗函数窗口大小。


7.如权利要求1所述的抗散射成像方法，其特征在于，利用所述N张子散斑图计算双谱得到双谱相位，
对于子散斑图o(x)，相对移位(x1,x2)的三阶相关为公式(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：边丽蘅，常旭阳，张军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11