散射瞬态图像采集系统和瞬态图像校正方法技术方案

本发明专利技术公开一种散射瞬态图像采集系统和瞬态图像校正方法，包括主动光源、超快探测器、光路设计装置、信号整形装置、扫描装置、采集控制装置、计算机装置、散射介质和成像目标；光路设计装置用来对主动光源和超快探测器进行光路位置排布；主动光源用于发射主动光子；超快探测器用来记录光子的飞行时间；信号整形装置用于将带噪信号整形为标准信号；扫描装置用于扫描整个散射场景；采集控制装置用于协调控制系统各部件以完成整个采集流程；计算机装置用于编写程序、进行数据校正及实现场景重建；散射介质会对光子进行非线性地反射、折射和衰减；成像目标是待重建的目标物体。本发明专利技术能够同时采集散射场景的空域和时域信息并对采集图像进行精确校准。图像进行精确校准。图像进行精确校准。

【技术实现步骤摘要】
散射瞬态图像采集系统和瞬态图像校正方法


[0001]本专利技术涉及计算机成像学领域，特别是涉及一种散射瞬态图像采集系统和瞬态图像校正方法。

技术介绍

[0002]自然界中的散射介质会扰乱场景中光线的传播，同时也会衰减光线的强度，改变了光线原本携带的场景中目标物体的信息，给人类的观测带来挑战。例如，浓雾降低了驾驶员的可视范围，给雾霾天气下的交通运输带来挑战；浑浊海水降低了水下机器人的可视能力，给深海科考探测带来挑战；浓烟降低了消防人员的可视能力，给被困人员的搜索救援带来挑战。一种可工作于强散射环境下的成像系统能够透过散射介质，清晰重建目标信息，有助于雾霾天气下的交通运输、浑浊深海中的科考探测及浓烟环境下被困人员的搜索救援等应用。
[0003]现有的散射成像系统大多数拍摄场景中的二维强度图像，通过利用图像中的局部空域特征或增强图像的对比度来重建散射场景。然而这种方法由于只利用了光子的局部空域信息，因此，只能重建场景的二维图像，且重建精度较低。瞬态图像包含了光子的空域信息和时域信息，能够为散射重建提供更高维度的数据，然而获取可用于散射重建的空时瞬态图像需要多个系统部件间严格的同步协调机制，以及对原始采集数据进行复杂预处理与时域校正。现有技术中缺乏一种适用于散射环境的瞬态图像采集系统和图像校准方法。

技术实现思路

[0004]为了弥补上述现有技术的不足，本专利技术提出一种散射瞬态图像采集系统和瞬态图像校正方法，以解决无法同时采集场景空域和时域信息及采集的散射场景瞬态图像不准确的问题。
[0005]本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
[0006]一种散射瞬态图像采集系统，包括主动光源、超快探测器、光路设计装置、信号整形装置、扫描装置、采集控制装置、计算机装置、散射介质和成像目标；所述光路设计装置包括共焦式光路架构和非共焦式光路架构，其连接了扫描装置和超快探测器，用来对主动光源和超快探测器进行光路位置排布；所述主动光源用于向场景中发射主动光子；所述超快探测器用来记录所采集光子的飞行时间；所述信号整形装置位于主动光源和超快探测器之间，用于将带噪信号整形为标准信号；所述扫描装置位于采集控制装置、光路设计装置和散射介质三者之间，用于控制由主动光源发出光线的方向，进而扫描整个散射场景；所述采集控制装置位于计算机装置和扫描装置之间，用于协调控制系统各部件以完成整个采集流程；所述计算机装置位于采集控制装置与超快探测器之间，用于给采集控制装置编写程序、将超快探测器采集的原始瞬态图像数据进行数据校正、及利用散射重建算法实现场景重建；所述散射介质会对光子进行非线性地反射、折射和衰减；所述成像目标是散射场景中待重建的目标物体，其位于散射介质后侧或内部。
[0007]在一些实施例中，所述主动光源包括如下中的一者：能够发射超短脉冲信号的脉冲光源、幅度调制或频率调制的连续光源、强度较为恒定的常值光源；所述超快探测器包括如下中的一者：单光子雪崩二极管，条纹相机及幅度调制连续波光子飞行时间相机。
[0008]在一些实施例中，所述光路设计装置用于排布主动光源和超快探测器的位置，使二者处于共焦式光路或非共焦式光路；共焦式光路架构中，还包括分束器，主动光源和超快探测器分布于分束器两路垂直光路的对应侧，所述分束器是指具有将一路光线分为两路的光学器件；共焦式光路架构中的主动光源和超快探测器共享同一光路；非共焦式光路架构中，主动光源和超快探测器的光路之间相互独立。
[0009]在一些实施例中，所述信号整形装置除用于将带噪信号整形为标准信号外，还以整形后的标准信号为同步信号，建立主动光源和超快探测器间的同步触发机制；信号整形装置位于主动光源和超快探测器之间，其信号流向以主动光源的发射信号为输入，将输出信号传递给超快探测器，或以超快探测器的采集信号为输入，将输出信号传递给主动光源；从而实现主动光源发射光子与超快探测器采集光子之间的同步触发。
[0010]在一些实施例中，所述扫描装置包含一个或多个振镜的光学器件，通过光的反射原理改变出射光线的方向；在共焦式光路架构中，扫描装置位于分束器与散射介质之间，光路走向为由光源发出的光线经由分束器分束后进入扫描装置，在非共焦式光路架构中，扫描装置位于主动光源与散射介质之间，光路走向为由光源发出的光线直接进入扫描装置。
[0011]在一些实施例中，所述采集控制装置是可由程序控制且具有数字信号到模拟信号转换功能的电子器件；采集控制装置位于计算机装置和扫描装置之间，计算机装置给采集控制装置编写程序，采集控制装置通过数模转换功能将程序中的数字信号转换为模拟信号，并将其输出给扫描装置，从而控制扫描装置中振镜的偏转角度。
[0012]在一些实施例中，在共焦式光路架构中，主动光源和超快探测器共享同一光路，二者的扫描网格也相同；在非共焦式光路架构中，主动光源和超快探测器的光路之间相互独立，主动光源和超快探测器的扫描网格也相互独立，主动光源的扫描网格由控制程序中设定的位置坐标直接给出，超快探测器的扫描网格由超快探测器的视场范围和像素尺寸计算给出。
[0013]在一些实施例中，所述散射介质是指能够对光线进行非线性反射、折射和衰减的介质，其物理特性可由散射特性、吸收特性及传播相位因子表征；根据散射介质本身的时变特性可分为静态散射介质和动态散射介质；所述扫描网格位于散射介质的前表面。
[0014]在一些实施例中，还包括成像目标，所述成像目标是散射场景中的待重建物体，其位于散射介质后侧或位于散射介质内部。
[0015]本专利技术还提供一种瞬态图像校正方法，采用如上所述的散射瞬态图像采集系统采集散射瞬态图像，其通过计算机程序将超快探测器采集的原始瞬态图像数据进行数据校正，并利用散射重建算法实现场景重建。
[0016]在一些实施例中，利用采集控制装置控制整个采集流程，包括：A1、在控制程序中设定超快探测器的曝光时间和帧数以及扫描网格的位置坐标；A2、控制扫描装置中振镜的偏转角度，使出射光线打到扫描网格中的第一扫描点处；A3、控制超快探测器以信号整形装置传入的同步信号为触发信号，按照所设定的曝光时间、帧数采集当前扫描点处的瞬态图像；A4、对于扫描网格中的其余各点，重复以上步骤A2
‑
A3，采集各扫描点的瞬态图像。
[0017]在一些实施例中，在共焦式光路架构中，共焦式图像校正流程包括：B1、采集空场景下单个扫描点处的三维空时瞬态图像，提取第三维度即时域上的峰值作为系统校准矩阵；B2、依据系统校准矩阵，对齐所有扫描点处采集的瞬态图像的时间戳；B3、对于各扫描点处采集的瞬态图像，选取图像中受直接反射光子影响较小的像素点，所述直接反射光子是指由散射介质前表面直接返回的并未进入散射介质的光子；B4、将所选像素点的数据在空域上做平均处理，得到当前扫描点的一维时域曲线；B5、将所有扫描点处的一维时域曲线按照扫描网格位置进行组合排布，形成散射场景的三维空时瞬态图像；B6、根据两点间的距离计算公式计算扫描网格中各点与主动光源的距离和网格中各点与超快探测器的距离，将两个距离矩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种散射瞬态图像采集系统，其特征在于，包括主动光源、超快探测器、光路设计装置、信号整形装置、扫描装置、采集控制装置、计算机装置、散射介质和成像目标；所述光路设计装置包括共焦式光路架构和非共焦式光路架构，其连接了扫描装置和超快探测器，用来对主动光源和超快探测器进行光路位置排布；所述主动光源用于向场景中发射主动光子；所述超快探测器用来记录所采集光子的飞行时间；所述信号整形装置位于主动光源和超快探测器之间，用于将带噪信号整形为标准信号；所述扫描装置位于采集控制装置、光路设计装置和散射介质三者之间，用于控制由主动光源发出光线的方向，进而扫描整个散射场景；所述采集控制装置位于计算机装置和扫描装置之间，用于协调控制系统各部件以完成整个采集流程；所述计算机装置位于采集控制装置与超快探测器之间，用于给采集控制装置编写程序、将超快探测器采集的原始瞬态图像数据进行数据校正、及利用散射重建算法实现场景重建；所述散射介质会对光子进行非线性地反射、折射和衰减；所述成像目标是散射场景中待重建的目标物体，其位于散射介质后侧或内部。2.如权利要求1所述的散射瞬态图像采集系统，其特征在于，所述主动光源包括如下中的一者：能够发射超短脉冲信号的脉冲光源、幅度调制或频率调制的连续光源、强度较为恒定的常值光源；所述超快探测器包括如下中的一者：单光子雪崩二极管，条纹相机及幅度调制连续波光子飞行时间相机。3.如权利要求1所述的散射瞬态图像采集系统，其特征在于，所述光路设计装置用于排布主动光源和超快探测器的位置，使二者处于共焦式光路或非共焦式光路；共焦式光路架构中，还包括分束器，主动光源和超快探测器分布于分束器两路垂直光路的对应侧，所述分束器是指具有将一路光线分为两路的光学器件；共焦式光路架构中的主动光源和超快探测器共享同一光路；非共焦式光路架构中，主动光源和超快探测器的光路之间相互独立。4.如权利要求1所述的散射瞬态图像采集系统，其特征在于，所述信号整形装置除用于将带噪信号整形为标准信号外，还以整形后的标准信号为同步信号，建立主动光源和超快探测器间的同步触发机制；信号整形装置位于主动光源和超快探测器之间，其信号流向以主动光源的发射信号为输入，将输出信号传递给超快探测器，或以超快探测器的采集信号为输入，将输出信号传递给主动光源；从而实现主动光源发射光子与超快探测器采集光子之间的同步触发。5.如权利要求1所述的散射瞬态图像采集系统，其特征在于，所述扫描装置包含一个或多个振镜的光学器件，通过光的反射原理改变出射光线的方向；在共焦式光路架构中，扫描装置位于分束器与散射介质之间，光路走向为由光源发出的光线经由分束器分束后进入扫描装置，在非共焦式光路架构中，扫描装置位于主动光源与散射介质之间，光路走向为由光源发出的光线直接进入扫描装置。6.如权利要求1所述的散射瞬态图像采集系统，其特征在于，所述采集控制装置是可由程序控制且具有数字信号到模拟信号转换功能的电子器件；采集控制装置位于计算机装置和扫描装置之间，计算机装置给采集控制装置编写程序，采集控制装置通过数模转换功能将程序中的数字信号转换为模拟信号，并将其输出给扫描装置，从而控制扫描装置中振镜的偏转角度。7.如权利要求6所述的散射瞬态图像采集系统，其特征在于，在共焦式光路架构中，主
动光源和超快探测器共享同一光路...

【专利技术属性】
技术研发人员：金欣，杜东宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：