用于目标对象的结构的图像重构的扫描仪和方法技术

一种扫描仪包括：发射器，其被配置为在传播方向上发射波以穿透目标对象的结构的层；以及接收器，其被配置为测量被目标对象的层反射的波的强度。该扫描仪还包括硬件处理器，该硬件处理器被配置为将反射波的强度分割成片段的集合，使得各个片段是来自目标对象的对应层的反射，从而限定目标对象的多层结构；并且使用防止在波的传播方向上目标对象的层的稀疏性增加的联合层分级图像恢复来从对应片段重构目标对象的层的图像。输出接口被配置为渲染目标对象的层的重构的图像。目标对象的层的重构的图像。目标对象的层的重构的图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于目标对象的结构的图像重构的扫描仪和方法


[0001]本专利技术涉及透视感测，更具体地，涉及用于目标对象的结构的图像重构的系统和方法。

技术介绍

[0002]对于诸如微波成像、生物显微镜、医学成像、穿墙成像(TWI)、基础设施监测和地震成像的许多应用，透视感测是重要的。具体地，透视感测实现材料的内部结构的可视化及其物理性质的表征。例如，在微波成像中，透视感测提供对象的结构。在生物显微镜中，透视感测允许将内部细胞结构三维可视化。在TWI中，透视感测允许补偿穿过墙壁传播的信号的延迟。
[0003]例如，在过去二十年间，由于在气体感测、湿度分析、非破坏性评估、生物医学诊断、包裹检查和安全筛选方面的广泛应用，对在反射或透射模式下太赫兹(THz)感测的兴趣增加。由于其穿透宽范围的非导电材料的能力，THz感测系统不仅能够检查样本的顶表面，而且能够检查其内部结构(顶层下面的缺陷或多层结构)。
[0004]然而，诸如THz感测的透视感测受到三维对象的图像重构复杂的困扰。另外，对于计算复杂度，不可取的伪像会降低重构的图像的质量。因此，需要一种用于目标对象的结构的图像重构的系统和方法。

技术实现思路

[0005]一些实施方式的目的在于提供一种用于目标对象的结构的图像重构的系统和方法。一些实施方式基于这样的认识：在许多情况下，目标对象的结构是稀疏的，并且该稀疏性可用于图像重构。然而，稀疏但三维的结构的图像重构在计算上仍是有挑战性的问题。
[0006]一些实施方式基于这样的认识：可通过将目标对象的结构当作多层结构并单独地和/或联合地重构目标对象的各层的图像来解决该问题。结构的这种多层表示允许不仅考虑目标对象的整个结构的稀疏性，而且考虑各个单独的层的稀疏性。另外，这种多层表示允许分割，因此简化图像重构的计算。
[0007]例如，一些实施方式将反射波的强度分割成片段的集合。该分段通常响应于在传播方向上发射波以穿透目标对象的结构的层并测量被目标对象的层反射的波的强度而发生。这种分段限定目标对象的多层结构，即，各个片段是来自目标对象的对应层的反射。为此，与从整个反射波重构整个对象的一个图像相比，一些实施方式从对应片段重构目标对象的层的图像。
[0008]应该注意的是，在许多情况下，目标对象的结构实际是分层的。例如，目标对象可以是具有分层结构的人造对象(例如，一叠纸，其中每张纸是该多层结构中的层)、由不同材料的层形成的半导体装置以及延伸到地下不同深度的基础设施。例如，目标对象可以是具有分层结构的天然对象，例如具有多个层的人体组织。在那些情况下，可通过搜索被目标对象的层反射的波的强度峰值的峰值寻找方法来识别多层结构的层。
[0009]然而，在其它情况下，目标对象没有清晰观察到的分层结构，并且使用不同技术来执行分段，例如具有均匀或不均匀的选通时段的时间选通。在任何情况下，在一些实施方式中，目标对象被视为具有通过反射波的分段限定的层的多层结构。
[0010]一些实施方式基于这样的认识：目标对象的层的图像可单独地和/或联合地重构。一些实施方式通过将重构的图像拟合到反射波的强度的测量使用稀疏重构来重构图像。这种稀疏重构以正则化执行以防止过拟合。不同实施方式通过选择适当的正则化来执行层的单独和/或联合重构。例如，对于单独重构，正则化是各层单独的。相比之下，对于联合重构，正则化是被确定为层的单独正则化的加权组合的联合正则化。
[0011]然而，在许多实验、仿真和测试之后，一些实施方式识别出分层重构的附加问题。实际上，为何计算性能已改进，层的重构的图像的图像质量受到影响。这种质量劣化在更深的层的图像上更明显。该问题通过联合重构部分地解决，但是在许多实验中，使用单独和/或联合重构而重构的更深层的图像仍包括伪像。
[0012]一些实施方式基于这样的认识：尽管将目标对象当作分层结构的优点，这种处理在多级图像重构中产生了附加问题。具体地，由于波从前层到更深的层的不均匀穿透，多级图像重构遭受阴影效应。此问题可被概念化为一个层的结构在后续层上投射阴影并且该阴影会被视为后续层的结构。这样，阴影效应促成深层的图像重构中的伪像。
[0013]一些实施方式基于这样的认识：阴影效应防止了在穿透对象的层的波的传播方向上目标对象的层的稀疏性增加。实际上，如果各个后续层具有来自先前层的阴影效应，则后续层至少如先前层一样稀疏，但是通常不太稀疏。为此，一些实施方式基于这样的认识：如果对层的联合图像重构强加这种约束，则这种约束迫使重构考虑阴影效应以减少不想要的伪像。
[0014]为此，一些实施方式公开了一种防止在波的传播方向上目标对象的层的稀疏性增加的联合层分级图像恢复。例如，可通过对图像重构施加分级联合稀疏性约束来防止层的稀疏性的增加。
[0015]例如，代替在图像重构上使用单独或联合正则化，一些实施方式使用联合分级正则化。联合分级正则化是层组的联合正则化的加权组合，各组层包括选自多层结构的层以及多层结构中在该层之前的所有层。在此背景下，一组层的联合正则化是组中的层的单独正则化的加权组合。
[0016]例如，在一个实施方式中，联合层分级图像恢复使用使第一项和第二项的组合最小化的联合层分级正则化最小二乘法。第一项横跨多层结构的所有层的所有重构的图像对所测量的反射波的强度施加联合数据拟合，而第二项对所恢复的多层结构的重构的图像的内容施加联合分级正则化。这样，联合层分级图像恢复可在考虑阴影效应的同时利用了联合图像重构的优势。
[0017]联合分级正则化促进了嵌套组稀疏性以考虑更深的层上的阴影效应。在一些实施方式中，在总变化(TV)域中强加嵌套组稀疏性，这对于图像重构是有利的。例如，在一些实施方式中，联合分级正则化包括所测量的反射波的强度的振幅的TV。TV的示例包括各向同性TV和各向异性TV之一或组合。这允许联合层分级图像恢复使经受分级联合稀疏性约束的所测量的反射波的强度的振幅的TV最小化。
[0018]不同实施方式使用基于目标对象的预期结构和期望类型的图像重构选择的不同
类型的发射器。发射器的示例包括光学发射器、超声发射器和x射线发射器。一些实施方式使用在太赫兹频率范围(例如，0.3至3太赫兹)内以1mm至0.1mm(或100μm)的对应波长发射的太赫兹(THz)发射器。由于THz扫描仪对从前层到深层的不均匀穿透照明敏感，所以联合层分级图像恢复有益于这些类型的发射器。
[0019]另外地或另选地，一些实施方式使用在压缩扫描模式下操作的扫描仪。由于压缩重构的原理，这种类型的扫描仪可进一步减小对不均匀穿透的依赖性。例如，在一个实施方式中，发射器包括将波准直为宽波束的准直器以及利用随机掩模对宽波束进行空间编码的空间编码器。另外，接收器包括：聚焦透镜，其对反射波进行聚焦；以及单像素光电导检测器，其从聚焦透镜接收聚焦波以一次提供聚焦波的一个测量，从而允许使用稀疏重构恢复多层结构的图像。
[0020]一些实施方式基于另一认识：当目标对象的不同层的结构图案在波的传播方向上不交叠时，联合层分级图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种扫描仪，该扫描仪包括：发射器，该发射器被配置为在传播方向上发射波以穿透目标对象的结构的层；接收器，该接收器被配置为测量被所述目标对象的所述层反射的所述波的强度；硬件处理器，该硬件处理器被配置为：将反射波的强度分割成片段的集合，使得各个片段是来自所述目标对象的对应层的反射，从而限定所述目标对象的多层结构；并且使用防止在所述波的所述传播方向上所述目标对象的所述层的稀疏性增加的联合层分级图像恢复来从对应片段重构所述目标对象的所述层的图像；以及输出接口，该输出接口渲染所述目标对象的层的重构的图像。2.根据权利要求1所述的扫描仪，其中，所述联合层分级图像恢复使用联合分级正则化来重构所述图像，其中，所述联合分级正则化是层组的联合正则化的加权组合，各组层包括选自所述多层结构的层以及所述多层结构中的在所述层之前的所有层，并且其中，一组层的联合正则化是组中的所述层的单独正则化的加权组合。3.根据权利要求2所述的扫描仪，其中，所述联合层分级图像恢复使用使第一项和第二项的组合最小化的联合层分级正则化最小二乘法，其中，所述第一项横跨所述多层结构的所有层的所有重构的图像对所测量的所述反射波的强度施加联合数据拟合，并且其中，所述第二项对所述多层结构的所述重构的图像的恢复的内容施加所述联合分级正则化。4.根据权利要求2所述的扫描仪，其中，所述联合分级正则化包括所测量的所述反射波的强度的振幅的总变化TV。5.根据权利要求4所述的扫描仪，其中，所述TV是各向同性TV和各向异性TV之一或组合。6.根据权利要求1所述的扫描仪，其中，所述联合层分级图像恢复使经受分级联合稀疏性约束的所测量的所述反射波的强度的振幅的总变化TV最小化。7.根据权利要求1所述的扫描仪，其中，所述处理器被配置为：将所述目标对象的所述层的所述重构的图像组合以生成所述目标对象的所述结构的图像。8.根据权利要求1所述的扫描仪，其中，所述处理器被配置为基于先前层的所述图像对至少一些层进行后处理。9.根据权利要求1所述的扫描仪，其中，所述处理器使用时间选通和峰值寻找之一或组合来分割所述反射波。10.根据权利要求1所述的扫描仪，该扫描仪还包括：存储器，该存储器被配置为存储指示所述目标对象的所述层的材料的数据，其中，所述处理器基于所述数据来分割所述反射波。11.根据权利要求1所述的扫描仪，其中，所述发射器在太赫兹频率范围内发射所述波。12.根据权利要求11所述的扫描仪，其中，所述太赫兹频率范围为0.3太赫兹至3太赫兹。13.根据权利要求1所述的扫描仪，其中，所述扫描仪在压缩扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：王璞，秋浓俊昭，符浩宇，菲利普，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：