面阵光子时间标记的单光子图像增强方法及系统技术方案

一种面阵光子时间标记的单光子图像增强方法及系统，采用面阵探测器获取单光子的到达时间和空间位置，并将其转化为目标物体像的位置以及透过率；然后将每个光子进行高斯拟合获得精准的信号位置后，利用凸优化方法获得目标物体超高分辨的重构结果图，实现图像增强。本发明专利技术利用面阵单光子探测器件记录单光子的飞行时间，利用算法进行物体强度重构，实现少光子超弱光空时成像的方法。子超弱光空时成像的方法。子超弱光空时成像的方法。

【技术实现步骤摘要】
面阵光子时间标记的单光子图像增强方法及系统


[0001]本专利技术涉及的是一种图像处理领域的技术，具体是一种面阵光子时间标记的单光子图像增强方法及系统。

技术介绍

[0002]一般高质量图像中每个像素包含超过103个的光子。然而，在许多实际场景中，如荧光显微镜和生物医学成像，样品对光强度非常敏感，测量可能会造成损坏，这就需要尽可能低光通量的创新成像方案。现有光子计数策略不足在于需要采集更多的光子来实现更高的图像对比度，忽略了可能改善图像质量的时间参数。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术在低光条件下有限光子数越少，探测器接收到的光子数受限的客观限制，判断光子数的误差就越大的缺陷，提出一种面阵光子时间标记的单光子图像增强方法及系统，利用面阵单光子探测器件记录单光子的飞行时间，利用算法进行物体强度重构，实现少光子超弱光空时成像的方法。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种面阵光子时间标记的单光子图像增强方法，采用面阵探测器获取单光子的到达时间和空间位置，并将其转化为目标物体像的位置以及透过率；然后将每个光子进行高斯拟合获得精准的信号位置后，利用凸优化方法获得目标物体超高分辨的重构结果图，实现图像增强。
[0006]所述的面阵探测器包括：直接探测器件和间接探测器件，其中：直接探测器件直接探测到单光子信号并精确地记录光子的飞行时间以及分析光子的泊松过程；间接探测器件前耦合图像增强器并间接探测目标物的空间和时间信息，从而为实现精确目标物的重构提供原始数据。
[0007]所述的转化，具体为：g
n
＝t
n+1
‑
t
n
，其中：g
n
是第n个光子与第n+1个光子的时间间隔，t
n
为位置(x，y)处的第n个光子到达时间，ω为噪声，λ
(x，y)
为位置(x，y)处的估计光子量，即透光率。
[0008]所述的高斯拟合，具体为：单个光子经过图像增强器的感知、放大，在相机上得到占据N
×
N个像素的区域，该区域可以通过高斯函数拟合光强分布：其中：A是幅值，x，y表示像素位置，σ
x
，σ
y
是方差，通过与像素强度拟合获得中心最大点的位置(x0，y0)作为光子到达的位置估计。
[0009]所述的凸优化方法是指：将单光子到达所满足的时间方程取负对数以得到凸函数后，求解凸函数的最小值，即得到对应像素的最优解。
[0010]所述的重构，通过首先对整个图像每个像素获得的光子到达时间满足的时间方程
与防止过拟合的项进行平衡；然后根据初值进行数值迭代，根据迭代结果对应像素值即为该像素的重构结果。
[0011]所述的平衡，具体为：其中：β为平衡项，b为参数，f为操作的函数，A为线性空间算子。
[0012]所述的数值迭代，具体为：f
k+1
＝f(f
k+1
)，将获得结果，作为变量，重复迭代，满足一定的误差范围，达到最优为止。
[0013]本专利技术涉及一种实现上述方法的系统，包括：光源、衰减模块、稀疏光子时间记录模块和数据处理模块，其中：衰减模块根据光子统计分布信息，进行光强衰减处理，得到与目标物相互作用的过程只有单个光子的结果，稀疏光子时间记录模块根据单个光子信的到达时间息，进行纳秒甚至皮秒精度的记录处理，得到每个像素每个光子时间的精确记录结果，数据处理模块根据每个像素记录的时间信息，进行凸优化处理，得到每个像素对应的最优反射率或者透射率结果。技术效果
[0014]本专利技术利用与目标物相互作用后到达探测器的时间信息进行图像强度的重构，而非通过累计光子数重构，从而在同等稀疏光子数的情况下，实现更高图像对比的还原，进而重构出低光环境的优质图像。
附图说明
[0015]图1为本专利技术示意图；
[0016]图2为离散单光子在透射物体前后在时间上的变化示意图；
[0017]图3为单光子识别与高斯拟合质心化过程图；
[0018]图4为稀疏光子算法重构结果。
具体实施方式
[0019]如图1所示，为本实施例涉及一种面阵光子时间标记的单光子图像增强方法，包括：
[0020]步骤1、确定测量变量：在降低光子辐射量到2.5个光子/50μs的情况下，选择300像素
×
300像素的区域记录目标物体成像每个像素点以及前3
‑
5个光子到达的时间，即时间信息作为要处理的数据。
[0021]步骤2、搭建成像系统：如图2所示，针对单光子成像的特点，选用纳秒级时间分辨率的面阵成像采集设备，对单光子进行放大和记录。采集50000帧，每帧记录单光子位置并记录每一个光子的时间信息。将信号输出时间去掉，获得每个像素有0或者1个单光子的含有时间序列的数据，提取出光子与光子之间的时间间隔信息。
[0022]步骤3、数据初步处理，优化低分辨辨率图像：如图3所示，由于光学系统的点扩散函数，导致单个光子在相机上占据3*3个像素，以此作为与噪声区别的标准，同时利用二维高斯函数拟合光强分布，获得中心最大点的位置作为光子到达的位置估计。所有采集的数据帧都进行此操作，获得所有光子的精确位置和时间信息。
[0023]步骤4、数据图像超分辨率重构：如图4所示，稀疏光子的飞行到达时间联合分布概率满足凸函数特性，经过对整张图凸优化之后，获得对应像素的强度信息优化值，即对应的
灰度值。以获得整个图像最优解为目标，经过迭代得到误差值最小得图像作为最终优化结果。
[0024]所述的到达时间联合分布概率，是指每个像素对应的光子发生的时间序列可以用泊松过程描述，这个过程发生的所有光子的时间可以用一个联合条件发生概率表示。
[0025]经过具体实际实验，本实施例在每个像素约3
‑
5个光子的情况下，通过累计光子数重构获得的对比度为0.4，而通过时间信息重构获得的对比度可以达到0.9，对比度提升2.25倍。
[0026]与现有技术相比，本方法在少光子情况下，分析记录单光子飞行事件中的时间信息，在每个像素只有3
‑
5个光子的情况下，得到对比度2.25倍的性能提升，其结果优于光子数累积的成像方案。
[0027]上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本专利技术原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本专利技术的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本专利技术之约束。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面阵光子时间标记的单光子图像增强方法，其特征在于，采用面阵探测器获取单光子的到达时间和空间位置，并将其转化为目标物体像的位置以及透过率；然后将每个光子进行高斯拟合获得精准的信号位置后，利用凸优化方法获得目标物体超高分辨的重构结果图，实现图像增强。2.根据权利要求1所述的面阵光子时间标记的单光子图像增强方法，其特征是，所述的面阵探测器包括：直接探测器件和间接探测器件，其中：直接探测器件直接探测到单光子信号并精确地记录光子的飞行时间以及分析光子的泊松过程；间接探测器件前耦合图像增强器并间接探测目标物的空间和时间信息，从而为实现精确目标物的重构提供原始数据。3.根据权利要求1所述的面阵光子时间标记的单光子图像增强方法，其特征是，所述的转化，具体为：g
n
＝t
n+1
‑
t
n
，其中：g
n
是第n个光子与第n+1个光子的时间间隔，t
n
为位置(x，y)处的第n个光子到达时间，ω为噪声，λ
(x，y)
为位置(x，y)处的估计光子量，即透光率。4.根据权利要求1所述的面阵光子时间标记的单光子图像增强方法，其特征是，所述的高斯拟合，具体为：单个光子经过图像增强器的感知、放大，在相机上得到占据N
×
N个像素的区域，该区域可以通过高斯函数拟合光强分布：其中：A是幅值，x，y表示像素位置，σ
x
，σ
y
是方差，通过与像素强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：金贤敏，李占明，周恒，殷思源，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：