本發(fā)明涉及成像探測(cè)領(lǐng)域，具體為一種基于光計(jì)算的可視化計(jì)算鬼成像系統(tǒng)及成像方法。

背景技術(shù)：

光學(xué)鬼成像技術(shù)是通過雙路光信號(hào)符合探測(cè)恢復(fù)待測(cè)物體空間信息實(shí)現(xiàn)的。其特點(diǎn)是包含物體信息的信號(hào)光(signal beam)被無空間分辨能力的桶探測(cè)器探測(cè)；只包含光源強(qiáng)度分布信息的閑置光(idler beam)不通過物體，直接被具有空間分辨能力的面陣探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，如CCD等。因此，通過雙光路對(duì)應(yīng)的兩個(gè)探測(cè)器中任意一路信號(hào)都不能得到物體的像，但是通過對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行符合后即能夠得到物體的像。

現(xiàn)有的鬼成像技術(shù)均需要前端進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集以及后端計(jì)算機(jī)的處理，十分占用資源，且成像速度慢，系統(tǒng)復(fù)雜。從采集到成像往往需要一定的處理時(shí)間，同時(shí)不能做到直接可視化，需要經(jīng)過先光電轉(zhuǎn)化再電光轉(zhuǎn)化的過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種基于光計(jì)算的可視化計(jì)算鬼成像系統(tǒng)及成像方法，運(yùn)用光計(jì)算替代經(jīng)典計(jì)算鬼成像中的計(jì)算機(jī)關(guān)聯(lián)運(yùn)算，運(yùn)用低速感光物體的視覺暫留效應(yīng)替代經(jīng)典計(jì)算鬼成像中計(jì)算機(jī)系綜平均處理過程，成像速度快，分辨率高。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于光計(jì)算的可視化計(jì)算鬼成像系統(tǒng)：

包括結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源，結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源發(fā)出的光經(jīng)過分束器分為兩束，其中，光束I照射到待成像物體后被桶探測(cè)器接收，光束II經(jīng)過外調(diào)制器成像到低速感光物體上。所述桶探測(cè)器的信號(hào)輸出端通過雙擲開關(guān)選擇性連接內(nèi)調(diào)制器或外調(diào)制器，其中，信號(hào)經(jīng)過內(nèi)調(diào)制器加載在結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源的控制單元上；或者，信號(hào)經(jīng)過外調(diào)制器直接加載在光束II上。

所述外調(diào)制器與低速感光物體之間設(shè)置有用于帶通濾波像增強(qiáng)處理的光學(xué)信息處理系統(tǒng)。

所述的光學(xué)信息處理系統(tǒng)與低速感光物體之間設(shè)置有反射屏。

所述的低速感光物體選用人眼、熒光粉、膠片或者CCD相機(jī)。

本發(fā)明基于光計(jì)算的可視化計(jì)算鬼成像系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟：

1)結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源發(fā)出的光經(jīng)過光分束器分為光束I和光束II，其中光束I直接照射到待成像物體上，經(jīng)過反射后被桶探測(cè)器接收；

2)桶探測(cè)器測(cè)量得到的光強(qiáng)信號(hào)通過雙擲開關(guān)選擇性連接內(nèi)調(diào)制器或外調(diào)制器；

被調(diào)制前光束II的光強(qiáng)為：I1(x1,y1,t)＝E*(x1,y1,t)E(x1,y1,t)；

在上式中，E(x1,y1,t)是光束II在t時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)(x1,y1)處被調(diào)制前的場(chǎng)強(qiáng)，E*(x1,y1,t)是E(x1,y1,t)的共軛項(xiàng)，I1(x1,y1,t)是光束II在t時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)(x1,y1)處被調(diào)制前的光強(qiáng)；

桶探測(cè)器在t時(shí)刻探測(cè)到的總光強(qiáng)值為：

I2(t)＝＝∫obj|E(xs,ys,t)h(xs,ys,x2,y2)T(x2,y2,t)|2dx2dy2；

在上式中，(xs,ys)代表光源上的一點(diǎn)，(x2,y2)代表待成像物體上的一點(diǎn)，E(xs,ys,t)是在t時(shí)刻光源坐標(biāo)點(diǎn)(xs,ys)處的場(chǎng)強(qiáng)，E(x2,y2,t)是光束I在t時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)(x2,y2)處的場(chǎng)強(qiáng)，E*(x2,y2,t)是E(x2,y2,t)的共軛項(xiàng)，h(xs,ys,x2,y2)是光波從光源到桶探測(cè)器傳播過程中的脈沖響應(yīng)函數(shù)，T(x2,y2,t)是待成像物體的孔徑函數(shù)，I2(t)是桶探測(cè)器(4)在t時(shí)刻探測(cè)到的總光強(qiáng)值；

3)內(nèi)調(diào)制器把桶探測(cè)器的輸出信號(hào)加載在結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源的控制單元上實(shí)現(xiàn)對(duì)光束II的強(qiáng)度調(diào)制，或者，外調(diào)制器在得到桶探測(cè)器獲取的輸出信號(hào)后用于實(shí)現(xiàn)對(duì)光束II的強(qiáng)度調(diào)制，光束II被內(nèi)調(diào)制器或者外調(diào)制器調(diào)制后，完成光的乘法計(jì)算(I1(x1,y1,t)×I2(t))，之后傳輸至光學(xué)信息處理系統(tǒng)進(jìn)行帶通濾波增強(qiáng)處理后傳輸至低速感光物體；

4)低速感光物體(10)自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間積分計(jì)算，按下式實(shí)現(xiàn)系綜平均計(jì)算：

在上式中，I1(x1,y1,t)代表光束II上t時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)(x1,y1)的光強(qiáng)，I2(t)代表t時(shí)刻桶探測(cè)器上探測(cè)到的總光強(qiáng)值，T代表低速感光物體視覺暫留時(shí)間。

所述的光學(xué)信息處理系統(tǒng)采用4f系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶通濾波去除圖像的背底以及圖像的增強(qiáng)。

所述的結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源利用Matlab軟件控制產(chǎn)生Hadamard結(jié)構(gòu)散斑，并通過數(shù)字微鏡陣列設(shè)備DMD進(jìn)行投射。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的成像系統(tǒng)具有如下的有益效果：通過分束器將結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源發(fā)出的光分為兩束，光束I照射到待成像物體后被桶探測(cè)器接收，光束II經(jīng)過外調(diào)制器成像到低速感光物體上，桶探測(cè)器的信號(hào)輸出端通過雙擲開關(guān)選擇性連接內(nèi)調(diào)制器或外調(diào)制器，該成像系統(tǒng)同時(shí)結(jié)合了信號(hào)的內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制過程，將光計(jì)算引入鬼成像，替代計(jì)算機(jī)處理，能夠直接實(shí)現(xiàn)可視化鬼成像，低速感光物體在觀察時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間積分計(jì)算，替代傳統(tǒng)鬼成像計(jì)算機(jī)系綜平均運(yùn)算，能夠高速地得到待成像物體的可視化鬼成像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的成像方法具有如下的有益效果：將光計(jì)算引入鬼成像，替代計(jì)算機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)了新的鬼成像計(jì)算處理方法，能夠直接實(shí)現(xiàn)可視化鬼成像，低速感光物體在觀察時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間積分計(jì)算，替代傳統(tǒng)鬼成像計(jì)算機(jī)系綜平均運(yùn)算，高速地得到待成像物體的可視化鬼成像。本發(fā)明的成像系統(tǒng)及成像方法不易受環(huán)境溫度、濕度變化的影響，具有良好的抗擾動(dòng)特性，用單路調(diào)制實(shí)現(xiàn)了無限多的陣列調(diào)制。本發(fā)明的成像速度快，分辨率高，與已有的各種計(jì)算鬼成像的成像方法相比，該成像系統(tǒng)能夠更加精確更加快地呈現(xiàn)待成像物體的像，同時(shí)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和成像速度不會(huì)隨著分辨率的提高而變化，本發(fā)明的成像質(zhì)量高，與已有的各種鬼成像方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)近距離和遠(yuǎn)距離目標(biāo)較高質(zhì)量的成像。

附圖說明

圖1本發(fā)明基于光計(jì)算的可視化計(jì)算鬼成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2數(shù)字微鏡陣列設(shè)備(DMD)投射的結(jié)構(gòu)散斑示例圖；

圖3CCD相機(jī)作為低速感光物體得到的物體圖像；

附圖中：1-結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源；2-分束器；3-待成像物體；4-桶探測(cè)器；5-雙擲開關(guān)；6-內(nèi)調(diào)制器；7-外調(diào)制器；8-光學(xué)信息處理系統(tǒng)；9-反射屏；10-低速感光物體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的成像過程可以表述為：兩束光波分別對(duì)應(yīng)一個(gè)桶探測(cè)器和一個(gè)調(diào)制器，通過反饋共同作用，達(dá)到光計(jì)算的關(guān)聯(lián)運(yùn)算。低速感光物體捕捉到被調(diào)制后的光強(qiáng)度信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)光計(jì)算的積分運(yùn)算，完成了兩束光波的光強(qiáng)的符合測(cè)量。二階關(guān)聯(lián)函數(shù)中包含物體的信息，即物體的孔徑函數(shù)，可以通過光計(jì)算，最終在低速感光物體中呈現(xiàn)出待成像物體的像。

本發(fā)明基于光計(jì)算的可視化計(jì)算鬼成像系統(tǒng)及成像方法創(chuàng)新之處體現(xiàn)在：

一是運(yùn)用光計(jì)算替代了經(jīng)典計(jì)算鬼成像中計(jì)算機(jī)關(guān)聯(lián)運(yùn)算；二是運(yùn)用低速感光物體(如人眼)視覺暫留效應(yīng)替代經(jīng)典計(jì)算鬼成像中計(jì)算機(jī)系綜平均處理過程；三是直接成像，以可視化替代了計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)；四是可以用單路調(diào)制實(shí)現(xiàn)無限多的陣列調(diào)制。

參見圖1，本發(fā)明基于光計(jì)算的可視化計(jì)算鬼成像系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源1，結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源1發(fā)出的光經(jīng)過分束器2分為兩束，其中，光束I照射到待成像物體3后被桶探測(cè)器4接收，光束II經(jīng)過外調(diào)制器7成像到低速感光物體10上。桶探測(cè)器4的信號(hào)輸出端通過雙擲開關(guān)5選擇性連接內(nèi)調(diào)制器6或外調(diào)制器7，其中，信號(hào)經(jīng)過內(nèi)調(diào)制器6加載在結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源1的控制單元上；或者，信號(hào)經(jīng)過外調(diào)制器7直接加載在光束II上。光學(xué)信息處理系統(tǒng)8與低速感光物體10之間設(shè)置有反射屏9。低速感光物體10為人眼或者CCD相機(jī)。

(1)經(jīng)典計(jì)算鬼成像技術(shù)方案；

被調(diào)制前某一點(diǎn)的光強(qiáng)分布，即閑置光(idler beam)為：

I1(x1,y1,t)＝E*(x1,y1,t)E(x1,y1,t)；

桶探測(cè)器上探測(cè)到的總光強(qiáng)為：

I2(t)＝＝∫obj|E(xs,ys,t)h(xs,ys,x2,y2)T(x2,y2,t)|2dx2dy2；

在上式中，(xs,ys)代表光源上的一點(diǎn)，(x2,y2)代表待成像物體上的一點(diǎn)，E(xs,ys,t)是光束I在t時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)(xs,ys)處被調(diào)制前的場(chǎng)強(qiáng)，E(x2,y2,t)是光束I在t時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)(x2,y2)處被調(diào)制前的場(chǎng)強(qiáng)，E*(x2,y2,t)是E(x2,y2,t)的共軛項(xiàng)，h(xs,ys,x2,y2)是光波從光源到桶探測(cè)器傳播過程中的脈沖響應(yīng)函數(shù)，T(x2,y2,t)是待成像物體的孔徑函數(shù)，I2(t)是桶探測(cè)器(4)在t時(shí)刻探測(cè)到的總光強(qiáng)值。經(jīng)過符合測(cè)量得到物體的像，即通過如下關(guān)聯(lián)運(yùn)算：

G(2)(x1,y1)＝

以上經(jīng)典的計(jì)算鬼成像過程可以概況為：每次計(jì)算得到的物體表面處光強(qiáng)分布I1，與相應(yīng)每次桶探測(cè)器測(cè)量得到的光強(qiáng)信號(hào)I2，通過計(jì)算機(jī)做關(guān)聯(lián)運(yùn)算，經(jīng)過系綜平均(時(shí)間平均)后，得到物體的像。其特點(diǎn)是在獲取成像所需的數(shù)據(jù)后，成像的所有過程都由計(jì)算機(jī)完成。成像的快慢取決于計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的獲取快慢和處理能力強(qiáng)弱。

(2)本發(fā)明所述的基于光計(jì)算的可視化計(jì)算鬼成像方法；

本發(fā)明引入光計(jì)算替代上述過程中計(jì)算機(jī)完成的關(guān)聯(lián)運(yùn)算，利用視覺殘留效應(yīng)完成計(jì)算機(jī)的系綜平均運(yùn)算，利用低速感光物體替代計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)物體的像，具體的技術(shù)方案如下：

將桶探測(cè)器4測(cè)量得到的光強(qiáng)信號(hào)I2，反饋到內(nèi)調(diào)制器6或外調(diào)制器7上，實(shí)現(xiàn)光計(jì)算(乘法)，即兩個(gè)光強(qiáng)的關(guān)聯(lián)運(yùn)算：I1(x1,y1)×I2；

光束II被調(diào)制后作用在低速感光物體上，由于視覺暫留現(xiàn)象，光對(duì)低速感光物體產(chǎn)生的視覺在光停止作用后，仍保留一段時(shí)間。即光像一旦在低速感光物體上形成，將會(huì)對(duì)這個(gè)光像的感覺維持一個(gè)有限的時(shí)間，對(duì)于中等亮度的光刺激，如人眼視覺暫留時(shí)間約為0.1-0.4秒。

在該可視化計(jì)算鬼成像方法中，光強(qiáng)是隨時(shí)間而改變的，所以上式系綜平均可改寫為對(duì)時(shí)間的積分，實(shí)現(xiàn)光計(jì)算(積分或累加)，即：

其中，T代表低速感光物體視覺暫留時(shí)間。

利用Matlab軟件控制產(chǎn)生Hadamard結(jié)構(gòu)散斑，通過數(shù)字微鏡陣列設(shè)備(DMD)投射，結(jié)構(gòu)光斑如圖2所示。結(jié)構(gòu)光斑發(fā)射源1發(fā)出光經(jīng)過分束器2分成兩束：光束I經(jīng)過待成像物體3(本實(shí)施例中物體為8×8像素的字母F)反射的光波被桶探測(cè)器4接收；雙擲開關(guān)5選擇連通外調(diào)制器7，桶探測(cè)器4的電信號(hào)反饋?zhàn)饔玫酵庹{(diào)制器7上，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束II的外調(diào)制，完成光計(jì)算。反射屏9用于顯示調(diào)制后的散斑，經(jīng)過光學(xué)信息處理系統(tǒng)8帶通濾波的像增強(qiáng)處理。人眼(低速感光物體10)在觀察時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行二階關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算，得到物體3的像。用CCD模擬人眼可以得到物體的像如圖3所示，分辨率能夠無限高。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的matlab鬼成像,一种基于光计算的可视化计算鬼成像系统及成像方法与流程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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