基于单像素探测的光强测量迭代成像方法

技术领域

本发明涉及单像素成像领域，具体涉及一种基于单像素探测的光强测量迭代成像方法。

背景技术

在目前的成像技术中，单像素成像技术作为一种新颖的成像技术备受关注，其仅通过单点探测物体光强涨落或相位涨落即可重构目标物体的成像机制，使其具有实现超分辨抗干扰的独特优势，并可应用在探测困难设备昂贵的近红外等不可见波段，因此，其在生物医学、远距离遥感等方面具有极大的潜在应用价值。

单像素成像方案在实施过程中，需要根据调制矩阵生成一组散斑光场序列来照射目标物体，利用探测器收集物体的透射光或反射光，牺牲时间分辨率的方式来换取空间分辨率，实质上是对物体进行不同模式的时空频变换，目前，常用的调制矩阵主要分为随机矩阵，哈达玛矩阵以及傅里叶基矩阵[Zhang,Z.B.,Zhong,J.G.,et al,Hadamard single-pixel imaging versus Fourier single-pixel imaging,Vol.25,No.16,Optics Express(2017)]，利用哈达玛矩阵作为调制矩阵可以获取物体的哈达玛谱，利用傅里叶基矩阵作为调制矩阵可以获取物体的傅里叶谱，但二者均需要花费大量时间进行数据采样以及目标图像重构。

目前，针对单像素成像需要进行多次采样测量的问题，相继提出了结合压缩感知理论的单像素成像方案，可利用图像的稀疏特性实现欠采样，但是这种压缩感知理论的方法实际上是一种凸优化过程，在进行图像重建时会加大计算机负担，会比线性算法耗费更多的计算时间。对哈达玛矩阵进行排序，将图像恢复过程中贡献较大的调制光场优先计算也可以有效降低采样次数，但这种方法使用之前需要对目标物体进行一次全采样获得贡献较大调制光场的先验信息，实用性并不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单像素探测的自适应迭代成像方法，通过对矩阵进行迭代分割构造调制矩阵序列，根据探测光强值进行调制矩阵序列更新，并根据光强信号迭代计算以恢复目标图像，该方案可自适应地调节探测过程中所需调制矩阵数目，减少采样次数的同时恢复物体高质量图像。

本发明的一种基于单像素探测的光强测量迭代成像方法，其包括以下步骤：

S1、确定需要达到的成像分辨率M×N，其中M,N均为正整数；

S2、根据确定的成像分辨率构造空间光调制器的调制矩阵序列为：

Φ

其中，任意一个调制矩阵S

S21、令调制矩阵S

S22、进行第1次矩阵分割，将调制矩阵S

S23、进行第2次矩阵分割，将矩阵S

S24、进行第k次矩阵分割，将矩阵

S25、继续进行矩阵分割，直至所有的分割矩阵无法再进行分割即构造出所有的矩阵序列S

Φ

调制矩阵序列Φ

S3、构建迭代构造图像G

其中，G

S4、构建调制矩阵序列Φ

根据第i次单像素探测器的测量值B

另外，规定i＞1,该方法适用于更新形成序列Φ

若B

Φ

若B

Φ

对于B

Φ

其中，Φ

S5、令i＝1，进行第一次测量，调制矩阵序列为Φ

S6、令i＝2，进行第二次测量，令调制矩阵序列Φ

S7、令i＝i+1，对应于第三次及以后的测量，根据调制矩阵序列Φ

根据测量值B

其中，G

S8、重复步骤S7，并将更新的调制矩阵序列的长度作为迭代结束的标志，当根据调制矩阵序列Φ

优选地，辅助矩阵S

将矩阵S

优选地，调制矩阵通过矩阵分割得到，采用的分割方法包括但不限于先横向等分分割，后纵向等分分割方法。

优选地，自适应更新规则适用于更新形成序列Φ

本发明的有益效果：

(1)本发明是一种基于单像素探测的迭代成像方法，通过对矩阵进行迭代分割构造出调制矩阵序列，根据一维的光强测量值迭代计算出各像素处的灰度值，从而恢复出目标物体的图像，实现该方法的算法简单，计算量小。

(2)本发明采用自适应的成像方法，自适应体现在该方法根据光强测量值反馈的自适应调制矩阵序列更新，从而能根据成像目标的稀疏特性自适应的调整所需要的调制矩阵数量以及调制矩阵序列，也即能够自适应的调节采样率，在不降低图像成像质量的条件下提高成像速度。

附图说明

图1为本发明一种基于单像素探测的光强测量迭代成像方法的流程图；

图2为本发明的系统原理示意图；

图3为本发明的算法流程图；

图4为本发明实施例的先横向、后纵向等分分割的8×8调制矩阵序列；

图5为本发明实施例的先纵向、后横向等分分割的8×8调制矩阵序列；

图6为本发明实施例以图5初始调制矩阵序列进行字母T的各次迭代过程图；

图7为本发明实施例以图4所示初始调制矩阵序列的成像结果采样数对比图；

图8为本发明实施例以图5所示初始调制矩阵序列的成像结果采样数对比图。

图中：

1—激光器，2—激光反射镜，3—扩束镜，4—DMD数字微镜，5—初始调制矩阵序列，6—成像透镜，7—将要成像的物体，8—光强收集透镜，9—总光强探测的桶探测器，10—成像关联计算机。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图对本发明的一种实施方式进行说明。

图1～图6所示的本发明是一种基于单像素探测的光强测量迭代成像方法。

本发明方法首先根据所需的分辨率，通过迭代分割构造出初始调制矩阵序列Φ

为了说明该发明能根据成像物体自适应的调整调制矩阵和采样数，以对字母B进行成像为例的具体过程如下：

S1、确定需要达到的成像分辨率M×N，其中M,N均为正整数，在本实施例中，所需要达到的成像分辨率为8×8；

S2、根据确定的成像分辨率构造空间光调制器的调制矩阵序列S

在本实施例中，所需要达到的成像分辨率为8×8，则初始调制矩阵序列中有64个调制矩阵，

构造调制矩阵序列包括以下具体步骤：

S21、令调制矩阵S

在本实施例中构成第一个调制矩阵S

S22、进行第1次矩阵分割，将调制矩阵S

要求重构图像像素为M×N时，初始调制矩阵序列中只需要包含M×N个初始调制矩阵，这些调制矩阵可以通过矩阵分割得到，采用的分割方法不限于先横向等分分割后纵向等分分割这一种，分割方法的不同并不影响本方案提出的重构算法的使用，但在不同的分割方法下可能会导致不同的重构次数。

按本发明的调制矩阵构造步骤可以构造出多种调制矩阵序列。本实例中采用先横向等分分割，后纵向等分分割，构造的矩阵序列为：

调制矩阵S

进行第1次横向等分分割构造调制矩阵S

S23、进行第2次矩阵分割，将矩阵S

以进行第2次横向等分分割构造调制矩阵S

本实例中：

S24、进行第k次矩阵分割，将矩阵

S25、继续进行矩阵分割，直至所有的分割矩阵无法再进行分割即构造出所有的矩阵序列S

本实例中，以此类推直至所有的分割矩阵无法再进行分割，即得到初始矩阵序列{S

六十四个矩阵构成调制矩阵的一个初始序列，S

图4为本发明的先横向等分分割，后纵向等分分割的8×8调制矩阵序列，从左至右，从上到下分别为调制矩阵S

图5为先纵向等分分割，后横向等分分割的8×8调制矩阵序列，从左至右，从上到下分别为调制矩阵S

S3、构建迭代构造图像G

空间光调制器根据从调制矩阵序列Φ

其中，G

辅助矩阵S

关于迭代公式中S

S4、构建调制矩阵序列Φ

调制矩阵序列Φ

自适应更新规则适用于更新形成序列Φ

根据第i次单像素探测器的测量值B

另外，规定i＞1,该方法适用于更新形成序列Φ

若B

Φ

若B

Φ

对于B

Φ

其中，Φ

S5、令i＝1，进行第一次测量，该实例下的初始调制矩阵序列为Φ

S6、令i＝2，进行第二次测量，调制矩阵序列默认为Φ

S7、令i＝i+1，对应于第三次及以后的测量，根据调制矩阵序列Φ

根据测量值B

其中，G

S8、重复步骤S7，并将更新的调制矩阵序列的长度作为迭代结束的标志，当根据步骤S4构建的调制矩阵序列Φ

本实例中，以对字母B进行成像为例的前四次具体计算过程如下：

成像分辨率为8×8的黑白字母B的反射率函数可以用矩阵F表示，

对于第一次测量，即i＝1,

调制矩阵序列为Φ

对于第一次测量与重构：

即:

对于第二次及以后的测量，即i>1：

由自适应更新规则，调制矩阵序列Φ

根据测量值B

其中，G

对于第二次测量与重构：

Φ

即：

对于第三次测量与重构：

由于B

即：

对于第四次测量与重构：

B

即：

由以上四次具体计算可以看出该图像重构方法就是在第i次测量与重构时归一化该次调制矩阵S

在计算出第i次测量对应的重构图像G

将更新的调制矩阵序列的长度作为迭代结束的标志，当根据步骤S4得到的Φ

这里目标物体尺寸为8×8像素，因此最多经过64次迭代计算就可重构出物体的像。

图6从左到右、从上到下是以图5所示的初始调制矩阵序列进行字母T的各次迭代过程。图中后几幅图是进行更为细分的灰度值归一化，由于字母T的大片区域灰度值是相同的，所以出现了后几幅图灰度分布相同的情况。

分别对字母B和T两个不同的成像目标采用本发明的方法进行成像，根据本发明的方法，调制矩阵序列的数量是根据测量值反馈自适应调节的。使用本发明的方法对分辨率为8×8的字母B和T的成像结果如表1、2所示，表1中的采样数是在如图3中表示的调制矩阵序列下得到的，表2中的采样数是在如图4中表示的调制矩阵序列下得到的。可以看出本发明能够重构出高质量的图像，对比采样数可以看出不同稀疏情况的目标物体的采样数是不同的，而且对于不同的初始调制矩阵序列其采样数也是不同的，字母B和字母T由于是左右对称的，所以用先纵向等分分割后横向等分分割的初始调制矩阵序列来重构图像所需的采样数较少。

本发明如图4所示初始调制矩阵序列的成像结果如图7所示，在图7中第2行成像物体“B”的采样数如第2行第4列所示为“51”；在图7中第2行成像物体“T”的采样数如第3行第4列所示为“52”；

本发明如图5所示初始调制矩阵序列的成像结果如图8所示，在图8中第2行成像物体“B”的采样数如第2行第4列所示为“45”；在图8中第2行成像物体“T”的采样数如第3行第4列所示为“34”。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。