[发明专利]一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法

说明书

本发明公开了一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，包括：对计算鬼成像系统进行标定；利用相干理论和菲涅尔衍射公式估计CGI系统的深菲涅尔区长度，确定多深度目标对焦方法的搜索区间，计算散斑的纵向相干长度，确定算法的搜索步长；根据散斑平移鬼成像原理和压缩感知算法得到目标各表面在每一个深度位置的梯度域图像；根据评价函数曲线的极值点，确定不同深度目标的对焦位置。本发明将多深度目标对焦与计算鬼成像技术相结合，有助于计算鬼成像在实际应用中的推广，特别是在工业零件和生物样本的检测中。

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体为一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法。

背景技术

鬼成像，是一种利用光场的高阶关联特性，即强度涨落获取物体信息的成像方式。计算鬼成像(Computational Ghost Imaging，简称CGI)是对传统鬼成像系统的改进。采用单光路技术，将一束经过准直的单模光束照射到空间光调制器或数字微镜阵列上，经过空间光调制器反射的光束沿光路传播一段距离，与目标发生作用后被一个无空间分辨能力的桶探测器接收；将CGI系统中目标所在轴向深度的光场信号与桶探测器信号进行关联运算，可以清晰地重构出目标图像。鬼成像由于其独特的成像方式，具有抗扰动，低成本等优点，潜在的应用价值巨大。目前该技术已被应用于激光雷达，三维恢复等领域。

计算鬼成像中深度目标的对焦是近年来的研究热点，因为，CGI系统计算的虚拟衍射光场(Virtual Diffracted Patterns，简称VDP)必须与目标实际所在的轴向深度位置相匹配才能重建出清晰图像，否则会出现离焦模糊。科研人员提出了合适的图像质量评价函数，结合快速搜索算法，将评价函数极大值所在位置作为单目标实际对焦深度。Shifeng提出基于自适应对焦窗口的CGI目标深度估计算法，使评价函数的极大值两侧有较长的单调区间，同时提高了单目标深度对焦的效率。但在实际应用中，目标多为具有不同深度的三维物体，Xue-Feng Liu提出基于热光源鬼成像的光学层析成像系统，使用虚拟目标验证了赝热光源鬼成像不同深度目标同时成像的可行性。与单目标不同之处在于，不同深度目标在重建图像中的对焦/离焦程度不同影响了空域图像质量，评价函数会出现多个非目标实际深度的极大值，无法准确实现多深度目标的对焦成像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于计算鬼成像的多深度目标对焦方法，包括：

对计算鬼成像系统进行标定；

利用相干理论和菲涅尔衍射公式估计CGI系统的深菲涅尔区长度，确定多深度目标对焦方法的搜索区间，计算散斑的纵向相干长度，确定算法的搜索步长；

根据散斑平移鬼成像原理和压缩感知算法得到目标各表面在每一个深度位置的梯度域图像；

根据评价函数曲线的极值点，确定不同深度目标的对焦位置。

优选地，具体步骤如下：

步骤1，对计算鬼成像系统进行标定；

步骤2，测量散斑的实际物理尺寸，计算CGI系统的深菲涅尔区长度，确定多深度目标对焦方法的搜索区间；

步骤3，计算CGI系统的散斑在深菲涅尔区的纵向相干长度，确定搜索算法的搜索步长；

步骤4，根据散斑平移原理，通过计算散斑2邻域x方向和y方向的一阶偏导数有限差分确定图像梯度域信号；

步骤5，将目标处的光场灰度值与桶探测器的测量电压值按照映射关系进行标定；

步骤6，使用标定后的光场电压值的累加值减去梯度域信号，得到处理后的信号；

步骤7，利用TVAL3压缩感知算法按照搜索步长重构各深度的梯度域图像；