一种自适应采样的单像素成像方法技术

本发明专利技术属于单像素成像技术领域；目前压缩成像的方法需要对已知的目标场景多次尝试不同的采样率进行成像后，选取合适的采样率，更换场景后采样率不一定仍是最合适的，无法兼顾成像质量和效率；本发明专利技术提供一种自适应采样的单像素成像方法，对不同的目标场景进行自适应采样的单像素成像，在具有能量集中和稀疏性的变换域，实时检测成像时变换域上每条频带的离散程度以及离散程度变化的趋势，根据变化趋势确定是否停止采样，减少测量数和内存的占用量，自适应性更强，达到同时兼顾成像时间和成像质量的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应采样的单像素成像方法
本专利技术涉及单像素成像
，更具体的说，涉及一种自适应采样的单像素成像方法。
技术介绍
单像素成像利用了一系列随着时间改变的空间光对物体进行编码，通过用无空间分辨率的探测器将物体的一系列编码的时变信息转换成空间信息的成像技术。单像素成像技术是由早先的鬼成像技术逐渐发展而来，经历了从最初的量子鬼成像到热光鬼成像再到计算鬼成像。由于其具有深度分辨能力，衍射成像的能力，一定的抗噪性，可在低光条件成像，并且制作成本并不高昂等一系列优点，信号采集系统逐步由多个探测器相结合成像，发展为仅使用一个单像素探测器成像。由于单像素成像在对物体编码阶段需要用到大量时变的空间光，因此该系统存在成像时间和成像质量上的限制。随着后来研究人员提出的归一化鬼成像和差分鬼成像，成像的质量得到了显著的提高。另一方面，随着压缩感知的发展，研究人员将其与单像素成像相结合，大幅度地减少了信号的采集时间。但是由于压缩感知的计算复杂度较高，因此不可避免地存在图像重建时间长的问题。针对这个问题有两个解决方案，一个是凸优化，另一个是贪婪算法，这些方法都在一定程度降低了压缩成像的计算复杂性，提高了成像效率。目前这些压缩成像的方法仍存在一定的缺点，即需要对一个已知的目标场景多次尝试不同的采样率进行成像，最终确定选取一个合适的采样率，但是如果更换一个与之前相比复杂程度差距更大的场景，这个选定的采样率不一定仍是一个最合适的，因此不能够很好地在成像质量和成像效率上取得一个权衡。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种自适应采样的单像素成像方法，该专利技术对不同的目标场景进行自适应采样的单像素成像，根据变化趋势确定是否停止采样，达到同时兼顾成像时间和成像质量的要求。为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种自适应采样的单像素成像方法，在具有能量集中和稀疏性的变换域，实时检测成像时变换域上每条频带的离散程度以及离散程度变化的趋势，根据变化趋势确定是否停止采样，具体包括以下步骤：步骤1.配置成像系统的初始成像分辨率参数M×N、开始拟合的频带数j0，以及停止拟合和采样时在前Δj个拟合频带的拟合曲线斜率k变化波动的最大值k0，从结构照明基模式范围内任选其一作为对目标场景投影的结构照明基模式；步骤2.在步骤1所选的结构照明基模式条件下，按系数矩阵DM×N中的元素的顺序，生成所选模式对应的照明基矩阵P，从变换域能量最高点开始，逐步投影和采集至变换域能量低的位置，对目标场景的投影照明基矩阵P进行编码，利用单像素探测器进行同步采集携带物体信息的编码信号；步骤3.对步骤2中采集的信号按频带进行分组，计算每一组频带的平均信号强度aj和信号偏离aj的离散程度vj；步骤4.将采集的信号所组成的频带数j与开始拟合的频带数j0进行比较，若频带数j≥j0，对已采集的信号频带的离散程度vj进行多项式拟合，形成拟合曲线，计算拟合曲线的斜率k；若频带数j＜j0，则重复步骤3的操作；步骤5.判断是否满足停止采样条件：在Δj区间内，斜率k满足k＝0或Δk≤k0时，停止采样，对已采样的信号进行图像重建，其中Δk为前Δj个频带内，斜率k的变化波动值，即Δk＝kmax-kmin；否则重复步骤4的操作。进一步，步骤3中的按频带分组的方法如下：根据所选的结构照明基模式在对应的变换域的信号稀疏的分布特点，按照相同规则形状在能量集中点周围所组成的区域上的采集信号划分为一条频带。进一步，结构照明基模式范围包括Hadamard(哈达玛)照明基，离散余弦照明基，Krawtchouk照明基以及傅里叶照明基。进一步，步骤4中，对离散程度vj进行多项式拟合的方法如下：对已采集信号的所有频带的离散程度进行对数变换，并用多项式f(x)＝c1xn+c2xn-1+…+cnx+cn+1拟合，根据拟合结果确定多项式的全部系数，代入多项式确定拟合函数f(x)，对拟合函数f(x)求导获得拟合函数f(x)的一阶导多项式函数f＇(x)，计算每条已拟合频带的斜率k，并根据斜率k预测拟合曲线的变化。进一步，开始拟合的频带数j0的范围为0＜j0≤jmax/2，jmax为最大拟合频带数。进一步，拟合曲线斜率k变化波动的最大值k0的取值范围为0＜k0≤0.2。进一步，Δj的取值范围为5≤Δj≤20。综上所述，专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术利用了在变换域对图像能量信息的集中性，对重要的变换域系数进行了采样，很大程度地减少了测量数；(2)根据目标图像特点，自适应采样率，不需要将全部的测量基提前产生存储在计算机中，对于需要重建高分辨率图像，减少内存的占用量；(3)本专利技术环境自适应性更强，对于不同的目标图像，达到同时兼顾成像时间和成像质量的要求；(4)本专利技术适用于多种测量照明基，Hadamard照明基，离散余弦照明基，Krawtchouk照明基以及傅里叶照明基，对目标图像进行变换后具备能量集中特点的测量基均适用。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为离散余弦或Hadamard采样信号频谱分组原理示意图；图3为Krawtchouk采样信号频谱分组原理示意图；图4为傅里叶采样信号频谱分组原理示意图；图5为实施例1的自适应采样仿真重建结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如图1～5所示，本专利技术公开了一种自适应采样的单像素成像方法，在具有能量集中和稀疏性的变换域，实时检测成像时变换域上每条频带的离散程度以及离散程度变化的趋势，根据变化趋势确定是否停止采样，达到同时兼顾成像时间和成像质量的要求，并且适用于不同的目标场景，具体包括以下步骤：步骤1.配置成像系统的初始成像分辨率参数M×N、开始拟合的频带数j0，频带数j0的范围为0＜j0≤jmax/2，jmax为最大拟合频带数，以及停止拟合和采样时在前Δj个拟合频带的拟合曲线斜率k变化波动的最大值k0，取值范围为0＜k0≤0.2，5≤Δj≤20；从结构照明基模式范围内任选其一作为对目标场景投影的结构照明基模式，结构照明基模式范围包括Hadamard照明基，离散余弦照明基，Krawtchouk照明基以及傅里叶照明基。步骤2.在步骤1所选的结构照明基模式条件下，按系数矩阵DM×N中的元素的顺序，通过所选结构照明基模式的正交基矩阵Φ线性变换，生成对应的照明基矩阵P，投影系统按照照明基矩阵P中的数值生成用于照明(或者扫描，或者编码)目标待成像物体的光图案，投影系统可使用投影仪或其他本领域技术人员能够获取的投影设备，从变换域能量最高点开始，逐步投影和采集至变换域能量低的位置，对目标场景的投影照明基矩阵P进行编码，利用单像素探测器进行同步采集携带物体信息的编码信号。步骤3.对步骤2中采集的信号按频带进行分组，根据所选的结构照明基模式在对应的变换域的信号稀疏的分布特点，按照相同规则形状在能量集中点周围所组成的区域上的采集信号划分为一条频带，计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自适应采样的单像素成像方法，其特征在于：在具有能量集中和稀疏性的变换域，实时检测成像时变换域上每条频带的离散程度以及离散程度变化的趋势，根据变化趋势确定是否停止采样，具体包括以下步骤：/n步骤1.配置成像系统的初始成像分辨率参数M×N、开始拟合的频带数j

【技术特征摘要】
1.一种自适应采样的单像素成像方法，其特征在于：在具有能量集中和稀疏性的变换域，实时检测成像时变换域上每条频带的离散程度以及离散程度变化的趋势，根据变化趋势确定是否停止采样，具体包括以下步骤：
步骤1.配置成像系统的初始成像分辨率参数M×N、开始拟合的频带数j0，以及停止拟合和采样时在前Δj个拟合频带的拟合曲线斜率k变化波动的最大值k0，从结构照明基模式范围内任选其一作为对目标场景投影的结构照明基模式；
步骤2.在步骤1所选的结构照明基模式条件下，按系数矩阵DM×N中的元素的顺序，生成所选模式对应的照明基矩阵P，从变换域能量最高点开始，逐步投影和采集至变换域能量低的位置，对目标场景的投影照明基矩阵P进行编码，利用单像素探测器进行同步采集携带物体信息的编码信号；
步骤3.对步骤2中采集的信号按频带进行分组，计算每一组频带的平均信号强度aj和信号偏离aj的离散程度vj；
步骤4.将采集的信号所组成的频带数j与开始拟合的频带数j0进行比较，若频带数j≥j0，对已采集的信号频带的离散程度vj进行多项式拟合，形成拟合曲线，计算拟合曲线的斜率k；若频带数j＜j0，则重复步骤3的操作；
步骤5.判断是否满足停止采样条件：在Δj区间内，斜率k满足k＝0或Δk≤k0时，停止采样，对已采样的信号进行图像重建，其中Δk为前Δj个拟合频带内，斜率k的变化波动值，即Δk＝kmax-kmin；否则重复步骤4的操作。


2.根据权利要求1所述的自适应采样的单像素成像方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东，徐灿文，翟爱平，赵文静，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14