[发明专利]一种基于离散余弦变换的单像素快速主动成像系统

说明书

本发明提供了一种能够进行高质量成像的基于离散余弦变换的单像素快速主动成像系统，其技术核心为光场生成模块产生的基于二维离散余弦变换的二维余弦正交结构光场；并将这种正交结构光场通过光场投射器投向被探测目标，将目标的像调制；再利用单像素探测器采集调制后的光场光强信号；在图像重建模块中利用光场光强信号和二维离散余弦逆变换算法对目标物体图像进行重建。本发明的优点是结构简单，无需任何扫描，能够避免成像环境中背景光的干扰，所利用的数据仅仅为被调制目标的光强信号，成像速度快，且能够在采集少量光强信号的情况下进行单像素成像。

技术领域

本发明涉及单像素主动成像领域，具体地，涉及使用基于离散余弦变换的单像素快速主动成像系统。

背景技术

在成像系统中，根据有无照明光源，分为主动成像和被动成像两种成像方式。被动成像的主要特征在于成像系统本身不具备光源，成像系统收集目标物体本身的辐射光或其反射的环境光进行成像。主动成像是指采用人造光学辐射源对目标物体进行照明，并利用成像系统采集来自目标物体的部分辐射光进行成像。

单像素相机于2006年由美国RICE大学的研究人员提出(参见文献1，Duarte M F,Davenport M A,Takhar D,et al.Single-pixel imaging via compressive sampling[J].IEEE Signal Processing Magazine,2008,25(2):83.)，是一种与传统成像技术有着本质不同的新型成像方法，有可能突破经典成像模型在一些特殊成像领域的局限性。它最大的特点是不需要大面积的CCD阵列，在接收系统仅具有一个像素的情况下即可成像。由于接收系统较为简单，单像素成像技术能够大大降低成像系统的规模、成本和复杂度，同时还适用于传统方法无法拍摄的非可见光领域，可见单像素相机是一种具有较大应用潜力新型成像技术。

单像素成像技术是压缩感知技术(参见文献2、3、4，[2]Donoho D L.Compressedsensing[J].Information Theory,IEEE Transactions on,2006,52(4):1289-1306.；[3]Candès E J.Compressive sampling[C].Proceedings of the international congressof mathematicians.2006,3:1433-1452.；[4]Candès E J,Romberg J,Tao T.Robustuncertainty principles:Exact signal reconstruction from highly incompletefrequency information[J].Information Theory,IEEE Transactions on,2006,52(2):489-509.)在成像领域的重要应用。利用压缩采样原理，只需要单个像素的探测器就可以实现整幅图像的获取，大大降低了图像的存储和传输数据量，提高了成像灵活性。压缩感知的本质是对有用信息进行采集而抛弃无用信息，使得信号的采集效率更高，克服了奈奎斯特定律的限制，把信号压缩与采样合并进行，所要求的信号投影测量数据量远远小于传统采样方法所获的数据量。

尽管对单像素成像技术的研究已经有近十年的研究，但其成像效果仍然不能尽如人意，远远低于目前传统光学成像系统的水平。传统的基于热光源的经典关联特性的单像素鬼成像技术利用激光束通过毛玻璃产生随机散斑光场，最近几年发展起来的单像素计算鬼成像技术利用计算机输入随机矩阵到数字微镜器件(DMD)产生随机散斑光场，但这两种方法产生的光场都不能用确定的数学函数解析表达，其图像重建算法基于相关统计数学模型上，而不具有严格解析表达的数学模型基础。这两种方法在重建具有较高质量的图像时需要对目标物体进行多达几万次以上的测量，测量次数多，成像时间长。

基于以上背景，本发明提出一种能够进行快速高质量成像的基于单像素探测器的快速主动成像系统。

发明内容