[发明专利]一种扩展单像素成像的动态范围的方法

说明书

本发明公开了一种扩展单像素成像的动态范围的方法，首先对目标场景进行低分辨率成像，再根据阈值划分亮暗目标区域，并生成对应区域的投影图案，然后分别使用PIN(低增益)和PMT(高增益)采集亮暗区域的光强信息，利用TVAL3压缩感知算法重构亮暗目标图像，最后融合亮暗目标图像得到目标场景图像。本发明完成了对不规则区域的单像素成像；使用TVAL3作为重构算法，减少了恢复图像背景噪声，同时降低了哈达玛矩阵正交性缺失对重构图像质量的影响；抑制了暗目标被擦除的效应，实现了对暗目标的增强，提高了成像的动态范围，使得单像素成像技术得以实际应用。

技术领域

本发明属于光学成像领域，具体是一种扩展单像素成像的动态范围的方法。

背景技术

单像素成像，亦称鬼成像或关联成像，是一种新型的成像技术，通过不同的 照明图案依次调制目标物体所在的光场,使用没有空间分辨率的单像素传感器 记录一维光强信号,然后根据照明图案和单像素信号的关联性重建物体的图像。 单像素成像技术是量子成像的一种具体形式，基于量子光源实现的非定域性成像。 它最初采用量子纠缠光源实现，后来被证实可以使用经典光源实现。在过去二十 年的发展过程中，其经历了由量子鬼成像到经典鬼成像再到计算式鬼成像的发展 过程。

按照光场调制方式的不同,单像素成像可以分为主动单像素成像和被动单像 素成像。两者的工作机制类似，都是由光源、DMD和单像素传感器组成,只是在 光线依次经过的装置的顺序上有所差别。在主动单像素成像中,调制器放置在光 源前方,光源产生的光束经过调制器后生成调制照明图案,然后照射向物体；在 被动单像素成像中,调制器放置在传感器前方,光线经由物体反射后再通过调制 器调制。相比于传统的成像方法,单像素成像使用较为廉价的单像素探测器替代 像素单元阵列探测器,尤其在非可见光波段可发挥成本优势,并且可以完成非视 域成像和弱光成像等传统相机较难完成的任务。

目前已经提出了各种应用于单像素成像的重建算法，包括差分算法、高阶关 联算法以及压缩感知算法等。压缩感知是近年来提出的一种采样理论，打破了奈 奎斯特采样定理对采样频率的限制，它证明进行少量采样即可重建出稀疏信号。 TVAL3算法是一种广泛应用在单像素成像中的压缩感知重构算法，相比于其它的 重构算法，TVAL3算法需要较少的采样数和较短的运行时间，这对单像素成像是 至关重要的。此外TVAL3算法具有突出的降噪能力，更加适合微光环境中成像， 在光声成像等低信噪比领域有着独特的应用，特别在压缩采样时，可以有效平衡 采样率和图像质量的矛盾。

然而，在光照环境确定时，当场景中不同目标的反射率差异较大时，会导致 较大的亮度差异，亮目标可能主导了TVAL3算法的求解过程，而暗目标由于能量 贡献较低，因此可能被当作噪声抹去了，我们称之为“擦除”效应。在夜间环境 中，这种“擦除”效应的影响尤其明显，例如当场景中同时出现高反射率物体和 低反射率物体时，低反射率目标的重构形态就会不完整，甚至被完全抹去，即使 使用高灵敏的光电倍增管探测也不能恢复低反射率目标的形态，限制了单像素成 像的动态范围。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种扩展单像素成像的动态范围的方法，在被动式 单像素测成像系统中，利用双探测器进行自适应分区域测量，有效降低了“擦除 “效应的影响，对暗目标实现了图像增强，扩展了单像素成像的动态范围。

实现本发明目的的技术方案为：一种扩展单像素成像的动态范围的方法，包 括：

对目标场景进行低分辨率成像，根据阈值划分亮暗目标区域，并生成对应区 域的投影图案，分别使用低增益和高增益采集亮暗区域的光强信息，利用TVAL3 压缩感知算法重构亮暗目标图像，融合亮暗目标图像得到目标场景图像。

本发明与现有的技术相比，其显著优点为：(1)完成了对不规则区域的单 像素成像；(2)使用TVAL3作为重构算法，减少了恢复图像背景噪声，同时降 低了哈达玛矩阵正交性缺失对重构图像质量的影响；(3)抑制了暗目标被擦除 的效应，实现了对暗目标的增强，提高了成像的动态范围，使得单像素成像技术 得以实际应用。