一种利用散射光对目标物体进行成像的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用散射光对目标物体进行成像的方法，其硬件包括：光源、光调制器、光强探测器、数字采集卡和工控机。成像步骤包括：S1，光从光源经过调制器，变成空间调制光；S2，空间调制光照射到目标物体上，然后在目标物体表面反射，或透过目标物体；S3，来自目标物体的反射光或透射光，经散射进入光强探测器，被转化为光强信息；S4，将光强信号转化为数字信号，由采集装置收集，传入工控机；S5，根据预设编码方案更换调制图案，重复S1‑S4，在工控机内存储一系列光强信息；S6，在工控机内利用采集的光强序列通过反解算法重构出目标物体的一帧图像；S7，重复S1‑S6，重构出目标物体的下一帧图像。

【技术实现步骤摘要】
一种利用散射光对目标物体进行成像的方法
本专利技术属于图像处理、计算成像
，设计了一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案。
技术介绍
从动物的眼睛到日常使用的照相机，其成像的关键都在于来自目标物体的且有空间分布的光场信息，并由空间分布的大量传感器探测。然而，若光线经过严重的随机散射，则其空间分布信息将被破坏，似乎失去了用于成像的价值。这样的情况出现在许多的应用场景中，如被恶劣天候(风、雨、雪、雹、雾等)、严重空气污染(烟、霾、沙尘等)、混浊液体、云层等透射型散射介质隔绝情况下的成像，又如来自目标物体的光线经过纸张、建筑物墙壁、粗糙器物等表面漫反射条件下的成像。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：针对现有成像系统无法利用散射光成像的问题，提出了一种利用散射光对目标物体进行成像的方法，能够在多种特殊场合满足高速、高质量的成像需求。本专利技术解决技术的方案是：一种利用散射光对目标物体进行成像的方法，涉及的部件包括光源、空间光调制器、光强探测器、数字采集装置和工控机，包括如下步骤：步骤S1，从预设的一套编码方案中选取一张调制图案，使光源经过调制器后，变成带有该调制图案的空间调制光；步骤S2，令空间调制光照射到目标物体上，然后在目标物体表面反射或透过目标物体；步骤S3，从来自目标物体的反射光或透射光中任选一路，经散射进入光强探测器，被转化为光强信息；步骤S4，将光强信号转化为数字信号，由数字采集装置收集，传入工控机；步骤S5，重复步骤S1-S4，在工控机内存储一系列光强信息；步骤S6，在工控机内利用采集的光强序列，根据编码方案通过反解算法重构出目标物体的一帧图像；步骤S7，重复S1-S6，重构出目标物体的下一帧图像，完成对目标物体实时成像。所述空间光调制器采用LED或光栅或微镜阵列或毛玻璃。所述编码方案采用正交基组一类的编码方案，包括Hadamard、DCT、FFT、小波变换正交基组。所述编码方案具体为：将正交基组中的每一个正交基向量排列为二维图案，并将图案按一定顺序排列，得到编码方案。所述步骤S3中，在极弱光条件下，采用单光子雪崩二极管作为光强探测器。通过一系列有序的调制光照射和信号采集，获取成像所需的完整或大部分信息。通过反解算法，根据采集到的光强度序列，重构得到目标物体的图像。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：1)改变了传统成像系统中引用反射光成像的原理，通过对光源的处理，使整个系统应用散射光来进行成像，保证当来自目标物体的光线被严重散射后，仍能对目标物体进行成像；2)采用无空间分辨率的单点探测器，工业复杂度低，成本低；3)基于第2点，单点探测器的灵敏度和精度往往远高于阵列探测器，因此本专利技术提出的技术方案在弱光乃至极弱光条件下仍能够完成成像，克服了反射光成像的技术瓶颈。4)本专利技术中提出的系统方案能够适用于透过散射介质成像、或者经过粗糙表面漫反射成像等特殊应用场景，完成对目标物体的快速、高质量成像。附图说明图1是本专利技术实施例中一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案的示意图；图2是本实施例中专利技术实施例中一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案的流程图；图3是本专利技术实施例中Hadamard测量基图案的一种排序。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步阐述。本专利技术公开了一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案，可以适用于透过散射介质成像、或者经过粗糙表面漫反射成像等特殊应用场景，实现上述场景中对目标物体的快速、高质量成像。参照图1，示出了本专利技术实施例中一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案的示意图。参照图2，示出了在本专利技术实施例中一种利用散射光对目标物体进行成像的系统方案的流程图，包括：步骤S1，从预设的一套编码方案中选取一张调制图案，使光从光源经过调制器，变成带有上述图案的空间调制光；步骤S2，空间调制光照射到目标物体上，然后在目标物体表面反射，或透过目标物体；步骤S3，从来自目标物体的反射光或透射光任选一路，经散射进入光强探测器，被转化为光强信息；步骤S4，将光强信号转化为数字信号，由数字采集装置收集，传入工控机；步骤S5，重复步骤S1-S4(步骤S1中根据预设编码方案更换下一张调制图案)，在工控机内存储一系列光强信息；步骤S6，在工控机内利用采集的光强序列，通过反解算法重构出目标物体的一帧图像；步骤S7，重复S1-S6，重构出目标物体的下一帧图像。实施例(1)从预设的编码方案中选定一张调制图案，使光从光源经过调制器，变成带有上述图案的空间调制光。具体地：(i)空间光调制器可采用LED、光栅、微镜阵列(DMD)、毛玻璃等。(ii)可用的编码方案有无穷多，根据空间光调制器的能力来确定，推荐采用正交基组一类的编码方案，如Hadamard、DCT、FFT正交基组等。将正交基组中的每一个正交基向量排列为二维图案，并将图案按某种顺序排列，即可得到一套编码方案。下面以Hadamard为例说明编码方案，设待成像的图案尺寸为M×M，M为2的正整数次幂，则需构建的Hadamard矩阵有M2行M2列，记为构建Hadamard矩阵具体实施过程可简单举例说明，例如产生2×2的Hadamard矩阵，如公式(2)所示，更大的Hadamard矩阵则需要用到公式(3)，第二项中的表示直积。例如当生成M＝4的Hadamard矩阵H4，则按公式(3)的原则，将n＝2带入此处令M＝4只是便于说明问题，若要生成更大的Hadamard矩阵，按公式(2)依次类推即可得到任意2n阶，其中n＝3,4,...,中的任意一个整数；当n＝4时，M＝16，直积方法可生成的256×256的Hadamard矩阵。抽取的行(或列)向量，按顺序重新排列成M行M列的方阵PM，共可获得M2个方阵PM，即完备的测量基组。例如M＝16，则H256的每一行都可重排16行16列的方阵，共256个方阵，即完备的测量基组包括256个测量基。图3示意了这256个测量基的一种排序，可作为一套候选编码方案。(2)令空间调制光照射到目标物体上，然后在目标物体表面反射，或透过目标物体。(3)从来自目标物体的反射光或透射光任选一路，经散射进入光强探测器，被转化为光强信息。光强探测器根据应用场景和成像需求确定：可选用一般的光电探测器；高速成像时可选用高速、高带宽的光电探测器；若光源射出的光线在特定波段，可采用对应波段的探测器；在极弱光条件下，可采用单光子雪崩二极管(SPAD)作为光强探测器。此处以光电倍增管(PMT)为例。(4)将光强信号转化为数字信号，由数字采集装置收集，传入工控机。数字采集装置通常采用数字采集卡，其性能指标应与光强探测器匹配。工控机应可编程，此处采用通用计算机。(5)根据预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用散射光对目标物体进行成像的方法，涉及的部件包括光源、空间光调制器、光强探测器、数字采集装置和工控机，其特征在于包括如下步骤：/n步骤S1，从预设的一套编码方案中选取一张调制图案，使光源经过调制器后，变成带有该调制图案的空间调制光；/n步骤S2，令空间调制光照射到目标物体上，然后在目标物体表面反射或透过目标物体；/n步骤S3，从来自目标物体的反射光或透射光中任选一路，经散射进入光强探测器，被转化为光强信息；/n步骤S4，将光强信号转化为数字信号，由数字采集装置收集，传入工控机；/n步骤S5，重复步骤S1-S4，在工控机内存储一系列光强信息；/n步骤S6，在工控机内利用采集的光强序列，根据编码方案通过反解算法重构出目标物体的一帧图像；/n步骤S7，重复S1-S6，重构出目标物体的下一帧图像，完成对目标物体实时成像。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用散射光对目标物体进行成像的方法，涉及的部件包括光源、空间光调制器、光强探测器、数字采集装置和工控机，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1，从预设的一套编码方案中选取一张调制图案，使光源经过调制器后，变成带有该调制图案的空间调制光；
步骤S2，令空间调制光照射到目标物体上，然后在目标物体表面反射或透过目标物体；
步骤S3，从来自目标物体的反射光或透射光中任选一路，经散射进入光强探测器，被转化为光强信息；
步骤S4，将光强信号转化为数字信号，由数字采集装置收集，传入工控机；
步骤S5，重复步骤S1-S4，在工控机内存储一系列光强信息；
步骤S6，在工控机内利用采集的光强序列，根据编码方案通过反解算法重构出目标物体的一帧图像；
步骤S7，重复S1-S6，重构出目标物体的下一帧图像，完成对目标物体实时成像。


2.根据权利要求1所述的一种利用散射光对目标物体进行成像的方法，其特征在于：所述空间光调制器采用LED或光栅或微镜阵列或毛...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁梓豪，赵琳琳，李明飞，孙晓洁，董鹏，邓意成，刘院省，王学锋，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11