[发明专利]一种高采样效率的傅里叶单像素成像方法

说明书

本发明公开了一种高采样效率的傅里叶单像素成像方法，首先利用空间光调制技术对目标物体图像的傅里叶谱进行采样密度变化的稀疏采样，进而对所获得的傅里叶谱施行L1‑Magic压缩感知算法，最终重建出物体图像。本发明利用自然图像在傅里叶域能量高度集中的特性，通过对重要性高的傅里叶系数进行高概率采样作为约束，使压缩感知算法可以通过凸优化求解出未被采样的且重要性高的傅里叶系数，并将所节省的测量用于采集重要性较低的傅里叶系数，最终使收集到的空间信息最大化，从而实现了以少量的测量次数重建出清晰的物体图像，实现高采样效率的单像素成像。本发明所实现的高采样效率特征可使本发明应用于动态场景的单像素成像。

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别是一种高采样效率的傅里叶单像素成像方法。

背景技术

单像素成像在宏观和微观领域得到广泛的应用。目前，单像素成像技术在宏观方面的应用主要包括彩色成像、三维成像、多模态成像、免图像的运动物体探测与三维追踪等，以及微观方面的数字全息显微术、光场显微术、焦点扫描显微术等。

相比多像素阵列探测器(例如CCD、CMOS)，单像素探测器可以工作在更宽的光谱范围、非视距、弱光环境等条件下，尤其在成本昂贵的多像素阵列探测器不能工作的情况下(例如远红外、紫外光、X光、太赫兹等)，单像素成像有助于解决非可见光成像的难题，单像素探测器相比多像素阵列探测器还具有更高的量子效率、更低的暗噪声和更短的响应时间等优点，在一些特殊成像领域如生物医学成像或远距离3D成像更具优势。

傅里叶单像素成像是一种基扫描单像素成像技术，即利用傅里叶基底图案进行空间光调制，由单像素探测器进行待测场景的反射光、透射光或者散射光强的探测，将获得的光强信号经过重建算法重建出目标场景图像。相比其他基扫描单像素成像方法，傅里叶单像素成像采样效率更高。而且傅里叶基底图案能够通过两平面波相干产生，使得在那些没有空间光调制器可用的波长范围也能够进行成像。

然而傅里叶单像素成像技术与其他单像素成像技术一样，都面临着成像效率和成像质量相互制衡这一难题。如果想重建一张分辨率高、细节丰富的图像，需要获取更多的测量数据，也就是需要更长的数据获取时间。对于快速成像尤其是动态成像的话，重建一帧图像所用的数据获取时间很长，会导致运动模糊现象。所以，提高傅里叶单像素成像的效率是十分重要的。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，针对在傅里叶单像素成像领域中成像效率与成像质量相互制衡的难题，提出一种高采样效率的傅里叶单像素成像方法，即对目标物体图像的傅里叶谱进行采样密度变化的稀疏采样，通过对重要性高的傅里叶系数进行高密度采样作为约束，使L1-Magic压缩感知算法可以通过凸优化求解出未被采样的且重要性高的傅里叶系数，并将所节省的测量用于采集重要性较低的傅里叶系数，最终使收集到的空间信息最大化。本发明可以实现以少量的测量次数重建出清晰的物体图像，实现高采样效率的单像素成像该方法，进一步可以应用于动态场景的单像素成像。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

1、对目标场景图像的傅里叶谱进行非均匀密度采样，采样密度相对于傅里叶系数的重要性的关系符合函数分布；然后，利用被采样的傅里叶系数进行空间光调制，产生对应的结构光；接着将结构光投射到目标场景，之后再进行结构光探测以及重建算法处理，最终重建出目标场景图像。

2、傅里叶系数的重要性高低取决于系数的幅值，幅值越大则重要性越高，反之亦然。使用大量自然图像进行逆傅里叶变换，将所得到的傅里叶谱全部叠加起来，再根据叠加后的傅里叶系数的幅值从大到小对傅里叶系数进行排列，得到一个重要性降序排列向量，对重要性高的傅里叶系数实施高概率采样，对重要性低的傅里叶系数实施低概率采样。

3、目标场景图像的傅里叶谱通过如下步骤获取得到：

(1)先根据所需成像分辨率的大小A×B，将大量彩色自然图像裁剪成分辨率为A×B的彩色图像，然后将这些彩色图像转换成灰度图像，接着对这些灰度图像进行二维傅里叶变换得到多张傅里叶谱；