[发明专利]单光子计数成像的图像传感器图像还原方法

说明书

本发明涉及图像处理领域，为有效地提高单光子图像传感器对于高动态范围图像的重建效果。为此，本发明采取的技术方案是，单光子计数成像的图像传感器图像还原方法，步骤如下：首先对光强上采样，然后用低通滤波器对输出进行滤波，然后模拟过采样信号ssubgt;m/subgt;根据分布产生一系列泊松随机变量，即随机产生的光子数ysubgt;m/subgt;，且P[ysubgt;m/subgt;]为光子数ysubgt;m/subgt;的概率，将具有泊松分布特性的光子数ysubgt;m/subgt;以量化阈值q为标准二值化为0/1比特流输出为bsubgt;m，t/subgt;，图像重建的目标是从二进制比特流bsubgt;m，t/subgt;中恢复出原始光强值。本发明主要应用于图像处理场合。

技术领域

本发明涉及图像处理领域，特别涉及一种基于二分法阈值更新方案实现单光子高动态范围成像的图像传感器图像还原方法。具体讲，涉及单光子计数成像的图像传感器图像还原方法。

背景技术

单光子计数图像传感器具有单光子计数、空间过采样、时间过采样三大特征。对应于经典CMOS图像传感器中，则传感器应具备超低的读出噪声、超大的动态范围、超高的图像分辨率以及超快的帧频速率，因此单光子计数成像的实现将会极大提升许多特殊环境下的图像获取质量，例如微弱光环境成像、高速运动物体捕获、高对比度成像等，具有广阔的应用前景。

其工作原理如下：每个单光子探测器像素能够检测单个光子以产生指示光子计数是高于还是低于特定阈值q的二元响应，从而产生1位信号，揭示曝光期间通量的强度，如果光子计数高于q，则传感器输出“1”；如果光子计数低于q，则传感器输出“0”。由于单光子图像传感器的时间空间过采样特性，会产生大量的一位比特流，所以需要解码以恢复基础图片。

目前大多算法均通过假设阈值q固定为1来获取一位比特流，进而重建图像。然而，实际情况中，常常存在动态范围较大的场景，固定阈值就表现出明显的局限性。例如：对于较暗图像，需要一个小的q来确保并非所有输出都是0；同样，对于较亮图像，q也应该适当大，使得不是所有输出都是1，因此最佳阈值q应该与光强度相匹配，来实现高动态范围图像的还原。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于二分法最佳阈值更新方案实现单光子计数成像的图像传感器图像还原方法。该方法能有效地提高单光子图像传感器对于高动态范围图像的重建效果。为此，本发明采取的技术方案是，单光子计数成像的图像传感器图像还原方法，步骤如下：首先对光强上采样，然后用低通滤波器对输出进行滤波，然后模拟过采样信号s_m根据分布产生一系列泊松随机变量，即随机产生的光子数y_m，且为光子数y_m的概率，将具有泊松分布特性的光子数y_m以量化阈值q为标准二值化为0/1比特流输出为b_m，t，图像重建的目标是从二进制比特流b_m，t中恢复出原始光强值。

阈值更新方法为：定义1-γ_q(c)＝S_n/KT为比特密度，其中K为空间过采样因子，T为时间过采样因子，S_n为KT个二进制数中1的个数，当比特密度γ_q(c)接近于0.5时，获得最佳q^*，确定q的过程实际是扫描像素，并更新阈值直到比特密度达到0.5。

阈值更新具体方法如下：从初始阈值q_A和q_B开始，检查比特密度是否满足1-γ_qA＞0.5和1-γ_qB＜0.5，如果是这种情况，则找到一个中点q_M＝(q_A+q_B)/2，并检查1-γ_qM是大于还是小于0.5，如果1-γ_qM＞0.5，用q_M代替q_A，否则用q_M代替q_B，重复该过程直至1-γ_qM足够接近0.5。