一种运动目标实时捕获单像素成像方法及设备技术

本发明专利技术属于计算成像技术领域，特别涉及一种运动目标实时捕获单像素成像方法及设备。所述实时成像方法包括以下步骤：步骤S1：生成二维调制矩阵并加载到光调制器中，通过光调制器接收经目标物体反射或透过目标物体的光信号并使用二维调制矩阵进行调制；步骤S2：通过两个互补方向的单像素探测器计算调制后的光信息强度值；步骤S3：根据质心求解算法计算目标物体质心的位置；步骤S4：根据质心位置和调制后的光信号强度值采用运动补偿单像素算法重建目标图像。通过本发明专利技术可以实现对高速运动目标实现精准成像，避免出现拖影与模糊。避免出现拖影与模糊。避免出现拖影与模糊。

【技术实现步骤摘要】
一种运动目标实时捕获单像素成像方法及设备


[0001]本专利技术属于计算成像
，特别涉及一种运动目标实时捕获单像素成像方法及设备。

技术介绍

[0002]在成像领域，传统的方法是通过具有空间分辨能力的面阵传感器直接获取空间分辨图像，成像质量很大程度上取决于面阵传感器的像素数。近年来，单像素成像以其成像质量不依赖于传感器像素数，只用一个单像素探测器，且具有高灵敏度与高光谱适应性，而渐渐获得人们的关注。其不同于传统相机成像方式，单像素成像系统通过对物光信息进行空间调制，采用单像素探测器测得时间分辨的光强信号，再通过计算重建出目标图像。
[0003]单像素成像技术与传统的CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)等面阵感光元件为核心的数字成像技术相比，单像素成像技术使用时空变换的光照射目标物体或者调制物体图像，通过只有一个像素单元的探测器来进行物理信息采样，最后利用相应算法重建物体信息。单像素成像的优势主要体现在两个方面，由于单像素探测器具有较宽的光谱响应范围和较高的光敏感度，单像素成像可以应用在阵列相机无法响应或者造价昂贵的波段以及弱光成像。
[0004]但由于单像素成像需要对空间光进行大量调制编码，其成像时间取决于系统对空间光编码的速度，成像速度慢于传统CCD相机。在拍摄运动目标时，尤其是高速运动目标，传统的单像素成像方法由于其成像速率限制，重建出的图像存在严重的拖影与模糊。因此现在急需一种运动目标实时捕获单像素成像方法及设备。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术公开了一种运动目标实时捕获单像素成像方法，所述实时成像方法包括以下步骤：
[0006]步骤S1：生成二维调制矩阵并加载到光调制器中，通过光调制器接收经目标物体反射或透过目标物体的光信号并使用二维调制矩阵进行调制；
[0007]步骤S2：通过两个互补方向的单像素探测器计算调制后的光信息强度值；
[0008]步骤S3：根据质心求解算法计算目标物体质心的位置；
[0009]步骤S4：根据质心位置和调制后的光信号强度值采用运动补偿单像素算法重建目标图像。
[0010]进一步的，所述步骤S1中二维调制矩阵包括：
[0011]调制矩阵M1，所述矩阵M1由每一列元素值均等于其列序号的矩阵随机抖动得到；
[0012]调制矩阵M2，所述矩阵M2由每一行元素值均等于其行序号的矩阵随机抖动得到；
[0013]调制矩阵M1和调制矩阵M2的水平镜像矩阵、垂直镜像矩阵、水平垂直镜像矩阵。
[0014]进一步的，所述二维调制矩阵所对应的二维函数分别满足：
[0015]S1(x,y)＝x
[0016]S2(x,y)＝y
[0017]其中，二维函数所在的坐标系的横坐标和纵坐标分别对应二维调制矩阵的行和列方向，二维函数值对应二维调制矩阵的元素值；
[0018]对S1与S2进行随机抖动将其转化为二值调制信息矩阵M1、M2，变换关系满足：
[0019][0020]其中，S
i
(x,y)(i＝1,2)表示二维调制矩阵中对应坐标(x,y)处的元素值，R(x,y)为与S
i
(x,y)同尺寸且元素取值范围相同的随机矩阵；
[0021]对M
i
矩阵进行镜像变换，变换关系满足：
[0022][0023]其中，m
×
n为矩阵M
ij
的尺寸，j＝1,2,3,4分别代表着原始矩阵、水平镜像矩阵、垂直镜像矩阵、水平垂直镜像矩阵的镜像变换方式。
[0024]进一步的，所述通过两个互补方向的单像素探测器计算调制后的光信息强度值表示为：
[0025][0026][0027]其中：
[0028][0029]式中f(x,y)为目标物体图像的二维分布函数，上标+、
‑
代表光调制器DMD的两个调制反射光方向,且两个方向分别布置单像素探测器，E为与M
ij
同尺寸且全部元素为1的矩阵。
[0030]进一步的，所述根据质心求解算法计算目标物体质心的位置的计算公式如下：
[0031][0032][0033]其中，x
m
、y
m
分别为x，y方向上的最大像素数。
[0034]进一步的，所述目标图像重建过程表示为：
[0035][0036]其中，p＝1,2...8；
[0037]I1(t)＝I
11
(t)+I
12
(t),M1＝M
11
+M
12
[0038]I2(t)＝I
11
(t)+I
14
(t),M2＝M
11
+M
14
[0039]I3(t)＝I
12
(t)+I
13
(t),M3＝M
12
+M
13
[0040]I4(t)＝I
13
(t)+I
14
(t),M4＝M
13
+M
14
[0041]I5(t)＝I
21
(t)+I
23
(t),M5＝M
21
+M
23
[0042]I6(t)＝I
21
(t)+I
24
(t),M6＝M
21
+M
24
[0043]I7(t)＝I
22
(t)+I
23
(t),M7＝M
22
+M
23
[0044]I8(t)＝I
22
(t)+I
24
(t),M8＝M
22
+M
24
[0045][0046][0047]式中G为重建的目标图像、t表示测量过程中的时间分辨序列；x
c
(t)，y
c
(t)表示在t时间序列上的质心坐标计算值，r
x
与r
y
的两倍为自适应重建图像的横向和纵向尺寸；I(t)表示探测器测得的时间相关的一组探测值加和，M表示相应的调制矩阵组合。
[0048]另一种方案中，步骤S1中二维调制矩阵包括：
[0049]调制矩阵M1，所述矩阵M1由每一列元素值均等于其列序号的矩阵经误差扩散抖动得到；
[0050]调制矩阵M2，所述矩阵M2由每一行元素值均等于其行序号的矩阵经误差扩散抖动得到；
[0051]调制矩阵M3，所述调制矩阵M3是一个二维二值随机矩阵。
[0052]进一步的，所述二维调制矩阵满足以下关系式：
[0053]S1(x,y)＝x<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运动目标实时捕获单像素成像方法，其特征在于，所述实时成像方法包括以下步骤：步骤S1：生成二维调制矩阵并加载到光调制器中，通过光调制器接收经目标物体反射或透过目标物体的光信号并使用二维调制矩阵进行调制；步骤S2：通过两个互补方向的单像素探测器计算调制后的光信息强度值；步骤S3：根据质心求解算法计算目标物体质心的位置；步骤S4：根据质心位置和调制后的光信号强度值采用运动补偿单像素算法重建目标图像。2.根据权利要求1所述的运动目标实时捕获单像素成像方法，其特征在于，所述步骤S1中二维调制矩阵包括：调制矩阵M1，所述矩阵M1由每一列元素值均等于其列序号的矩阵随机抖动得到；调制矩阵M2，所述矩阵M2由每一行元素值均等于其行序号的矩阵随机抖动得到；调制矩阵M1和调制矩阵M2的水平镜像矩阵、垂直镜像矩阵、水平垂直镜像矩阵。3.根据权利要求2所述的运动目标实时捕获单像素成像方法，其特征在于，所述二维调制矩阵所对应的二维函数分别满足：S1(x,y)＝xS2(x,y)＝y其中，二维函数所在的坐标系的横坐标和纵坐标分别对应二维调制矩阵的行和列方向，二维函数值对应二维调制矩阵的元素值；对S1与S2进行随机抖动将其转化为二值调制信息矩阵M1、M2，变换关系满足：其中，S
i
(x,y)(i＝1,2)表示二维调制矩阵中对应坐标(x,y)处的元素值，R(x,y)为与S
i
(x,y)同尺寸且元素取值范围相同的随机矩阵；对M
i
矩阵进行镜像变换，变换关系满足：其中，m
×
n为矩阵M
ij
的尺寸，j＝1,2,3,4分别代表着原始矩阵、水平镜像矩阵、垂直镜像矩阵、水平垂直镜像矩阵的镜像变换方式。4.根据权利要求3所述的运动目标实时捕获单像素成像方法，其特征在于，所述通过两个互补方向的单像素探测器计算调制后的光信息强度值表示为：所述通过两个互补方向的单像素探测器计算调制后的光信息强度值表示为：其中：
式中f(x,y)为目标物体图像的二维分布函数，上标+、
‑
代表光调制器DMD的两个调制反射光方向,且两个方向布置分别布置单像素探测器，E为与M
ij
同尺寸且全部元素为1的矩阵。5.根据权利要求4所述的运动目标实时捕获单像素成像方法，其特征在于，所述根据质心求解算法计算目标物体质心的位置的计算公式如下：所述根据质心求解算法计算目标物体质心的位置的计算公式如下：其中，x
m
、y
m
分别为x，y方向上的最大像素数。6.根据权利要求5所述的运动目标实时捕获单像素成像方法，其特征在于，所述目标图像重建过程表示为：其中，p＝1,2...8；I1(t)＝I
11
(t)+I
12
(t),M1＝M
11
+M
12
I2(t)＝I
11
(t)+I
14
(t),M2＝M
11
+M
14
I3(t)＝I
12
(t)+I
13
(t),M3＝M
12
+M
13
I4(t)＝I
13
(t)+I
14
(t),M4＝M
13
+M
14
I5(t)＝I
21
(t)+I
23
(t),M5＝M
21
+M
23
I6(t)＝I
21
(t)+I
24
(t),M6＝M
21
+M
24

【专利技术属性】
技术研发人员：时东锋，王英俭，陈亚峰，乔春红，郭子俊，令狐彬，黄见，苑克娥，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：