一种透过散射介质非侵入式大视场成像方法及装置

技术领域：

本发明属于光学散射成像技术领域，具体涉及一种基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像方法及装置。

背景技术：

在传统光学成像中，所见即所得，但当光透过散射介质时，所获得的图像信息将退化成类似噪声的散斑图像，因此散射介质通常被视为传统成像的障碍。

然而，表面上类似噪声的散斑图像中却包含隐藏目标的信息。因此，基于散射成像原理，研究人员们已经做出了很多努力。目前，散射成像技术涉及波前整形、传输矩阵测量、光学相位共轭以及基于记忆效应的散斑相关成像。其中，基于记忆效应的散斑相关成像因其无需侵入成像系统而受到广泛关注。

但是，基于记忆效应的散斑相关成像技术因为视场受散射介质的记忆效应的限制，通常只能重建尺寸小于记忆效应范围的单个目标；一旦目标尺寸超过记忆效应范围，这种方法就无法恢复隐藏目标的图像信息，从而导致重建失败。因此，基于记忆效应的散斑相关成像技术要想得到更广阔的发展和更广泛的应用，亟需发展一种突破记忆效应限制，具有更大成像视场的技术方案。

发明内容：

针对现有技术存在的不足和问题，本发明提出一种基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的方法及装置，透过散射介质基于点扩散函数(PSF)预估及相关运算实现非侵入式大视场成像。本发明解决了散斑相关成像中非侵入式成像视场受限的问题，并在此基础上实现了超分辨成像。本发明不需要侵入式“导星”或先验信息，成像视场不受记忆效应的限制，具有成像视场大、成像分辨率高的优点，能够同时兼顾成像视场与分辨率。在生物医学成像和光学显微成像等领域有广泛应用。

为实现上述目的，本发明通过以下方案实现：

一种基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的方法，利用相位恢复算法重建隐藏在散射介质的目标O的子目标O

步骤1：利用主动照明扫描隐藏于散射介质的目标O，目标O被n次扫描照明，则有：

其中，O

步骤2：通过相位恢复算法从每个子目标对应的散斑图像I

步骤3：判断相邻两个子目标O

步骤4：将步骤3获取的重建后具有正确的相对位置和方向信息的图像进行移位叠加，获得正确拼接的目标O，避免散射介质记忆效应的限制，实现透过散射介质非侵入式大视场成像。

进一步，步骤3中，确定两个重建子目标图像的相对位置和方向信息具体步骤如下：

步骤3.1：预估点扩散函数：由散斑图像I

PSF'

其中，Deconv表示反卷积运算；

步骤3.2：确定重建子目标图像O'

上式中★代表相关运算，position{}表示相关峰值位置的二维坐标；

步骤3.3：确定重建子目标图像O'

步骤3.4：将重建的具有正确方向的两个子目标图像O'

步骤3.5：所有子目标重复步骤3.1～步骤3.4，确定所有子目标的相对位置关系和方向信息。

一种提高成像分辨率的基于PSF预估及相关运算实现非侵入式大视场成像的方法，基于上述的基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的方法，利用高斯拟合重定位方法获得突破成像系统衍射极限的高分辨率图像，确定子目标的高分辨率图像的相对位置和方向信息并进行拼接，使目标实现大视场成像的同时实现超分辨成像，具体步骤如下：

步骤1：重复基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的方法中步骤1至步骤2，即可获得第j次稀疏照明第i个子目标O

步骤2：计算成像系统的点扩散函数PSF'，将PSF'与m个采集的散斑图像I

步骤3：将m个高分辨率图像

步骤4：将步骤3中所得各个子目标高分辨率图像

进一步，步骤2中，点扩散函数PSF'的计算方法与基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的方法的点扩散函数PSF'

一种基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的装置，用于实现上述的方法，包括目标、孔径光阑、散射介质与面阵光电探测器，孔径光阑置于目标和面阵光探测器之间，散射介质紧贴在孔径光阑的一面，面阵光探测器、散射介质所在平面均与目标所在平面平行，且中心位置与目标的法线重合；所述散射介质与目标的距离大于散射介质与面阵光探测器的距离。

进一步，散射介质为毛玻璃、漫反射墙面、生物组织、云雾、浑浊水体或人工散射介质。

本发明利用PSF预估及相关运算，在所属装置上实现非侵入式大视场超分辨成像。本发明首先利用相位恢复算法重建隐藏于散射介质的子目标的图像，然后预估相应的PSF并进行自相关与互相关运算，获得各子目标图像的方位，依据获得的方位对各子目标图像拼接，从而对整个隐藏于散射介质且超出记忆效应范围的目标实现非侵入式大视场成像，且成像效果显著提高。本发明适用于穿过生物组织、云雾、烟雾、浑浊液体等浑散射介质成像需求的场合，且本发明不需要侵入式“导星”或先验信息，成像视场不受记忆效应的限制，具有成像视场大、成像分辨率高的优点，能够同时兼顾成像视场与分辨率。在生物医学成像和光学显微成像等领域有广泛应用。

附图说明：

图1为本发明的装置的结构示意图；

图2为本发明的散斑图像、子目标图像以及点扩散函数图像；

图3为(a1)-(a8)重建9张子目标图像O'

图4为(a1)-(a8)重建9张子目标图像O'

图5为基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的方法的结果；

图6(a)-(i)为子目标的非侵入式超分辨成像，(g)为提高成像分辨率的基于PSF预估及相关运算实现非侵入式大视场成像的方法的超分辨成像；

图7中(a)为非侵入式的大视场成像；(b)为提高分辨率的非侵入式的大视场超分辨成像。

图中：1、目标 2、孔径光阑 3、散射介质 4、面阵光电探测器；

图1中，目标1中白色实线圈为记忆效应范围，对应位置的数字表示依次被扫描照明的子目标O

图2中(a1)-(a9)采集9张散斑图像I

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

需要说明的是，为表述方便，下文中关于方向的表述与附图本身的方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。

如图1～6所示，本发明公开了一种基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的方法，利用相位恢复算法重建隐藏在散射介质的目标O的子目标O

步骤1：利用主动照明扫描隐藏于散射介质的目标O，目标O被n次扫描照明，则有：

其中，O

步骤2：通过相位恢复算法从每个子目标对应的散斑图像I

步骤3：判断相邻两个子目标O

确定两个重建子目标图像的相对位置和方向信息具体步骤如下：

步骤3.1：预估点扩散函数：由散斑图像I

PSF'

其中，Deconv表示反卷积运算。

步骤3.2：确定重建子目标图像O'

上式中★代表相关运算，position{}表示相关峰值位置的二维坐标。

步骤3.3：确定重建子目标图像O'

步骤3.4：将重建的具有正确方向的两个子目标图像O'

步骤3.5：所有子目标重复步骤3.1～步骤3.4，确定所有子目标的相对位置关系和方向信息。

步骤4：将步骤3获取的重建后具有正确的相对位置和方向信息的图像进行移位叠加，获得正确拼接的目标O，避免散射介质记忆效应的限制，实现透过散射介质非侵入式大视场成像。

本发明还公开了一种提高成像分辨率的基于PSF预估及相关运算实现非侵入式大视场成像的方法，基于上述的基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的方法，利用高斯拟合重定位方法获得突破成像系统衍射极限的高分辨率图像，确定子目标的高分辨率图像的相对位置和方向信息并进行拼接，使目标实现大视场成像的同时实现超分辨成像，具体步骤如下：

步骤1：重复基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的方法中步骤1至步骤2，即可获得第j次稀疏照明第i个子目标O

若能够进一步控制产生预期稀疏照明，使基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的方法的步骤1中第i个子目标O

其中，O

步骤2：计算成像系统的点扩散函数PSF'，将PSF'与m个采集的散斑图像I

步骤3：将m个高分辨率图像

步骤4：将步骤3中所得各个子目标高分辨率图像

本发明还公开了一种基于PSF预估及相关运算实现透过散射介质非侵入式大视场成像的装置，用于实现上述的两种方法，包括目标1、孔径光阑2、散射介质3与面阵光电探测器4，孔径光阑2置于目标1和面阵光探测器4之间，散射介质3紧贴在孔径光阑2的一面，在图1所示实施例中，散射介质3位于孔径光阑2的左侧，散射介质3置于孔径光阑2的另一面也能够实现本装置相同的技术效果，面阵光探测器4、散射介质3所在平面均与目标1所在平面平行，且中心位置与目标1的法线重合；所述散射介质3与目标1的距离大于散射介质3与面阵光探测器4的距离。

散射介质3为毛玻璃、漫反射墙面、生物组织、云雾、浑浊水体或人工散射介质。

实现非侵入式的大视场成像：

依据图1搭建本发明的装置，在图1的实施例中，从目标1的平面到散射介质3的平面的物距u＝94mm，从散射介质3的平面到面阵光电探测器4的平面的像距v＝80mm。依次扫描照明子目标O

实现非侵入式的大视场超分辨成像：

首先第一个子目标O

以常见的散射介质——毛玻璃、漫反射墙面、生物组织、云雾、浑浊水体以及人工散射介质为例，基于上述散射介质都能够实现非侵入式大视场成像。

面阵光电探测器4也可选用CCD，按照本发明的方法也能够实现非侵入式大视场成像。

当目标过大超出记忆效应范围时，利用相位恢复算法重建隐藏在散射介质的目标的子目标的图像，基于点扩散函数预估及自相关与互相关运算，获得所有子目标的方位，根据方位对子目标进行图像拼接，实现非侵入式大视场成像，如图7(a)所示；利用本发明提出的提高成像分辨率的基于PSF预估及相关运算实现非侵入式大视场成像的方法，利用高斯拟合重定位方法获得突破成像系统衍射极限的高分辨率图像，确定子目标的高分辨率图像的相对位置和方向信息并进行拼接，使目标实现大视场成像的同时实现超分辨成像，如图7(b)所示，能够同时兼顾成像视场与成像分辨率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。