一种三维单像素成像的光子计数模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种三维单像素成像的光子计数模拟方法，包括以下步骤：采用指定的编码模式图，在仿真环境中分别完成对应的模拟计算，从光子角度，以光子为基本仿真单元，基于蒙特卡洛原理进行三维单像素成像光子计数模拟，其中建立仿真模块以实现模拟三维单像素成像中各个阶段的光子状态值。解决了单像素成像在应用于三维目标物时，光电探测器测量数据中引入了因三维形貌所导致的额外数据分量，在像素层面的单像素成像仿真算法中，难以完成对这类问题的模拟计算问题。问题的模拟计算问题。问题的模拟计算问题。

【技术实现步骤摘要】
一种三维单像素成像的光子计数模拟方法


[0001]本专利涉及成像
，具体地，涉及一种三维单像素成像的光子计数模拟方法。

技术介绍

[0002]现如今，随着信息科技的蓬勃发展，成像技术作为一种重要的视觉信息获取方式，其得到了广泛的应用。而作为成像技术之一的单像素成像(Single
‑
pixel imaging,SPI)，凭借自身的明显优势，受到了国内外众多研究学者的关注，针对如今的SPI技术，已经在压缩成像、大气环境下的抗散射退化成像、针对运动目标成像等等领域取得了不小的研究进展。
[0003]值得注意的是，在目前所发表的研究论文中，学者们在桌面光学平台实验中的成像对象大多选择的是平面薄片目标物，以此来模拟SPI光学系统在工作时的情形。但是，我们在实际场景中，所面临的成像对象往往是具有立体形貌的三维物体，而并非是理想情况下的平面对象，需要将SPI技术拓展至3D成像领域内以提高其实用泛化性。
[0004]目前有一种算法技术，叫做基于泊松分布的光子统计模型，其技术在于：使用光子仿真计数的手段，来模拟单光子探测器的光子探测问题，尽管现有的技术都是基于光子仿真的，但这些技术并不适用于三维单像素成像。因为上述这类技术所关注的重点在于是否有光子被探测器所接收到，属于“二值存在问题”，而非“计数问题”。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是解决基于光子仿真的三维单像素成像问题。
[0006]为解决上述问题，本专利技术提供一种三维单像素成像的光子计数模拟方法，包括以下步骤：
[0007]采用指定的编码模式图，在仿真环境中分别完成对应的模拟计算：
[0008]从光子角度，以光子为基本仿真单元，基于蒙特卡洛原理进行三维单像素成像光子计数模拟，建立仿真模块以实现模拟三维单像素成像中各个阶段的光子状态。
[0009]进一步的，所述仿真模块的输入为∶成像环境定义和目标物定义，其中成像环境定义包括成像距离、投影夹角、仪器三维坐标、噪声参数、传播介质的衰减系数、编码模式图；目标物定义包括目标物表面反射系数，3D形貌参数。
[0010]进一步的，所述仿真模块的输出为单像素探测器的光电信号序列值。
[0011]进一步的，所述仿真模块的算法包括以下步骤∶
[0012]S1：输入载入和参数初始化设置；
[0013]S2：遍历每一帧编码模式图。
[0014]其中，步骤S2包括以下步骤：
[0015]S2
‑
1:光子激发和编码模式图加载∶生成数量服从泊松分布的光子群；
[0016]S2
‑
2:空间光调制器编码光子分布∶判断光子是否通过微镜阵列顺利反射；
[0017]S2
‑
3:光子飞行计算∶通过迭代算法计算存活光子在目标物表面的落点位置；
[0018]S2
‑
4:光子计数∶根据落点处的反射率和探测器接收位置来计算光子是否被接收。
[0019]进一步的，步骤S2
‑
3中，所述光子飞行计算包括如下步骤：
[0020]S2
‑3‑
1:光子经过投影镜头时，使用对应设置的透镜PSF函数来对其传播轨迹进行模拟；
[0021]S2
‑3‑
2:在光子传播介质中，假设其对光子的单程透过系数为σ，代表光子顺利通过传播介质的概率大小为σ,赋予光子在整个传播过程中的三维坐标属性参数(x
i
,y
i
,z
i
)，根据光子在投影端出射时的三维坐标(x
i0
,y
i0
,z
i0
)和飞行方向矢量(t
x
,t
y
,t
z
)，再使用迭代算法计算出其在目标物表面的飞行落点(x
i
‑
end
,y
i
‑
end
,z
i
‑
end
)。
[0022]进一步的，所述迭代算法为牛顿迭代算法。
[0023]进一步的，定义在目标物表面的飞行落点处的表面反射系数为R(x
i
‑
end
,y
i
‑
end
,z
i
‑
end
)，
[0024]则R＝r
a
+k
s
r
s
+k
d
r
d
·
cosθ
[0025]其中，r
a
为环境误差项，k
s
r
s
为漫反射项，k
d
r
d
为镜面反射项，θ为出射方向与法向的夹角，x_i_end,y_i_end,z_i_end表示落点坐标。
[0026]进一步的，该技术还可与深度学习结合，提升三维成像的精度。
[0027]进一步的，本专利技术还提出了一种三维单像素成像的光子计数模拟装置，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时能实现本专利技术所述的三维单像素成像的光子计数模拟方法。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0029]本专利技术提供了一种使用计算机光子仿真的研究手段，在一些难以实现成像的情况下，利用计算机仿真，以提供足够精确的数据支撑。由于采用了蒙特卡洛仿真方法进行三维单像素成像，通过数据仿真和实验分析证明，本专利中所提出的算法在面对平面目标和三维目标时，所模拟的仿真数值结果和真实采样信号的相关性系数均大于0.85，即两者高度相关，证明了本专利技术方法的可行性。
附图说明
[0030]图1a是蒙特卡洛仿真的物理系统示意图；
[0031]图1b是蒙特卡洛仿真的流程示意图；
[0032]图2是本专利技术实施例激发光子数服从泊松分布的概率分布图；
[0033]图3是本专利技术实施例模拟信号与真实信号的数值对比图；
[0034]图4是本专利技术实施例目标表面反射系数原理示意图；
[0035]图5是本专利技术实施例SPI的成像系统装置示意图；
[0036]图6是本专利技术实施例牛顿迭代算法示意图；
[0037]图7是本专利技术实施例仿真模块伪代码示意图；
[0038]其中，1、平均数N＝4000，2、平均数N＝8000，3、平均数N＝12000，4、真实采样信号：平面目标物，5、真实采样信号：三维目标物，6、仿真模拟信号：平面目标物，7、仿真模拟信号：三维目标物，8、目标物，9、透镜，10、平面镜，11、激光，12、编码模式，13、空间光调制器，
14、单像素探测器，15、透镜。
具体实施方式
[0039]以下对本专利技术的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维单像素成像的光子计数模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：采用指定的编码模式图，在仿真环境中分别完成对应的模拟计算：从光子角度，以光子为基本仿真单元，基于蒙特卡洛原理进行三维单像素成像光子计数模拟，建立仿真模块以实现模拟三维单像素成像中各个阶段的光子状态。2.如权利要求1所述的三维单像素成像的光子计数模拟方法，其特征在于，所述仿真模块的输入为∶成像环境定义和目标物定义，其中成像环境定义包括成像距离、投影夹角、仪器三维坐标、噪声参数、传播介质的衰减系数、编码模式图；目标物定义包括目标物表面反射系数，3D形貌参数。3.如权利要求1所述的三维单像素成像的光子计数模拟方法，其特征在于，所述仿真模块的输出为单像素探测器的光电信号序列值。4.如权利要求1所述的三维单像素成像的光子计数模拟方法，其特征在于，所述仿真模块的算法包括以下步骤∶S1：输入载入和参数初始化设置；S2：遍历每一帧编码模式图。5.如权利要求4所述的三维单像素成像的光子计数模拟方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：S2
‑
1:光子激发和编码模式图加载∶生成数量服从泊松分布的光子群；S2
‑
2:空间光调制器编码光子分布∶判断光子是否通过微镜阵列顺利反射；S2
‑
3:光子飞行计算∶通过迭代算法计算存活光子在目标物表面的落点位置；S2
‑
4:光子计数∶根据落点处的反射率和探测器接收位置来计算光子是否被接收。6.如权利要求5所述的三维单像素成像的光子计数模拟方法，其特征在于，步骤S2
‑
3中，所述光子飞行计算包括如下步骤：S2
‑3‑
1:光子经过投影镜头时，使用对应设置的透镜PSF函数来对其传播轨迹进行模拟；S2
‑3‑
2:在光子传播介质中，假设其对光子的单程透过系数为σ，代表光子顺利通过传播介质的概率大小为σ,赋予光子在整个传播过程中的三维坐标属性参数(x
i
,y
i
,z

【专利技术属性】
技术研发人员：程雪岷，肖宏源，郝群，
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：