基于稀疏表示的隨機散射光學成像系統及成像方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于圖像處理及成像技術領域，涉及光學成像系統和圖像重建，可用于實 驗室對噪聲環境中的隨機散射高速成像。
【背景技術】
[0002] 在生物組織、云層等隨機散射介質中常伴隨著多重散射，且介質內部光線傳播的 平均自由程極短，導致入射到隨機散射介質中的光線在出射時失去了原有入射光場空間相 對位置的關系而無法清晰成像。例如衛星遙感成像需要采集從地面目標反射并經過大氣層 的光線，在大氣層中由于大顆粒分子、塵埃等的存在，光線會發生散射，導致無法清晰成像； 在生物醫療成像領域，由于穿透式成像的需求，比如在非侵入式、非傷害檢測時，需要對生 物組織進行深度成像，但由于生物組織內部粒子的散射，導致成像質量隨生物組織的厚度 增加而劇烈下降，因此如何透過隨機散射介質進行成像是亟待解決的問題。
[0003] 目前，對隨機散射介質成像的研宄已取得了一些進展，其中，波前調制技術和散斑 場重建技術是兩種典型的透過隨機散射介質成像的方法。波前調制技術通過反饋控制調節 入射光波的波前，使得調節后的光波經過隨機散射介質后實現聚焦，但是，這種基于光學相 位共軛的成像系統光路復雜，成像實時性差且其抗噪性能差，不適用于噪聲環境下的成像。 散斑場重建技術通過從接收到的散斑場圖像中提取初始入射光波信息實現成像，其抗噪性 能好，但需要測量隨機散射介質的傳輸矩陣，且直接對整個散斑場進行重建數據量龐大，需 耗費較長時間。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種基于稀疏表示的隨機散射 光學成像系統及成像方法，以簡化成像系統結構，提高成像速度，實現在噪聲環境中的清晰 成像。
[0005] 為實現上述目的，本發明的成像系統包括：包括光源、空間濾波器、孔徑光闌、準 直透鏡、反射鏡、空間光調制器、隨機散射介質、透鏡、探測器陣列和主控機；光源發出的光 依次經過空間濾波器、孔徑光闌和準直透鏡后被擴束準直；擴束準直后的激光光束照射到 反射鏡上經反射進入空間光調制器，經過隨機散射介質和透鏡后在探測器陣列上成像，并 通過主控機顯示，其特征在于：
[0006] 主控機，包括圖像生成模塊和圖像處理模塊；
[0007] 所述圖像生成模塊，其與空間光調制器相連，用于生成圖像并將該圖像加載到空 間光調制器上形成成像目標，使從空間光調制器輸出攜帶有目標信息的光線經過隨機散射 介質和透鏡，在探測器陣列上形成編碼后的散斑場圖像；
[0008] 所述圖像處理模塊，其與探測器陣列連接，用于將探測器陣列輸出的編碼散斑場 圖像解碼重建，得到去除了背景噪聲的清晰的目標圖像。
[0009] 為實現上述目的，本發明的成像方法，包括如下步驟：
[0010] (1)搭建光路：將從激光光源發出的光依次經過空間濾波器、孔徑光闌和準直透 鏡，得到擴束準直后的激光束，該光束再通過反射鏡反射進入空間光調制器，從空間光調制 器出射的光線依次通過隨機散射介質和透鏡，到達探測器陣列；
[0011](2)加載成像目標：通過主控機在空間光調制器上加載圖像X，作為成像目標；
[0012] (3)根據四步相位法測量隨機散射介質的傳輸矩陣A，即壓縮感知理論中的觀測 矩陣；
[0013] ⑷獲得編碼散斑場圖像：
[0014] 用可見光波段的激光光源照射成像目標X，使攜帶目標信息的光線經過隨機散射 介質和透鏡后在探測器陣列上形成編碼散斑場圖像：y = Ax+n，并將該編碼散斑場圖像傳 輸至主控機，其中A為隨機散射介質的傳輸矩陣，n為成像過程中引入的背景噪聲；
[0015] (5)利用基于稀疏表示的圖像重建算法將上述編碼散斑場圖像y重建為清晰的目 標圖像：
[0016] 5a)在主控機中，對探測器接收到的編碼散斑場圖像y進行降采樣操作，得到降采 樣后的散斑場圖像：y' = Dy = DAx+Dn = DA①s+Dn，其中D為降采樣矩陣，①為投影基矩 陣，s為成像目標x在投影基矩陣〇下的系數，y'的維度為N :N = length (y'）；
[0017] 5b)通過如下變換式，求解出投影基矩陣〇下的初始變換系數S(l:
[0018] s〇= (DAO)T ? y'
[0019] 其中，（?）T表示矩陣的轉置操作；
[0020] 5c)將初始變換系數S(l作為迭代初始解，構建如下優化式：
【主權項】
1. 一種基于稀疏表示的隨機散射光學成像系統，包括光源（1)、空間濾波器（2)、孔徑 光闊（3)、準直透鏡（4)、反射鏡巧）、空間光調制器化）、隨機散射介質（7)、透鏡巧）、探測 器陣列（9)和主控機（10);光源（1)發出的光依次經過空間濾波器（2)、孔徑光闊做和準 直透鏡（4)后被擴束準直；擴束準直后的激光光束照射到反射鏡（5)上經反射進入空間光 調制器化），經過隨機散射介質（7)和透鏡做后在探測器陣列（9)上成像，并通過主控機 (10)顯示，其特征在于： 主控機（10)，包括圖像生成模塊（101)和圖像處理模塊（102); 所述圖像生成模塊（101)，其與空間光調制器（6)相連，用于生成圖像并將該圖像加載 到空間光調制器上形成成像目標，使從空間光調制器（6)輸出攜帶有目標信息的光線經過 隨機散射介質（7)和透鏡巧），在探測器陣列（9)上形成編碼后的散斑場圖像； 所述圖像處理模塊（102)，其與探測器陣列（9)連接，用于將探測器陣列（9)輸出的編 碼散斑場圖像解碼重建，得到去除了背景噪聲的清晰的目標圖像。
2. 根據權利要求1所述的成像系統，其特征在于，光源（1)為可見光波段的激光光源。
3. 根據權利要求1所述的成像系統，其特征在于，隨機散射介質（7)，選用同時具有強 散射特性和良好透射特性的毛玻璃，W減小對光的吸收，增強對光的散射，使攜帶目標信息 的光線經過毛玻璃散射及透鏡（8)會聚后能在探測器陣列（9)上形成編碼后的散斑場圖 像。
4. 根據權利要求1所述的成像系統，其特征在于，探測器陣列（9)采用CCD或CMOS,其 陣元數量小于傳統成像系統所使用探測器的陣元數量。
5. 根據權利要求1所述的成像系統，其特征在于，圖像處理模塊（102)包括： 測量子模塊，用于測量隨機散射介質（7)的傳輸矩陣A; 降采樣子模塊，用于對探測器陣列接收到的編碼散斑場圖像進行降采樣，得到降采樣 后的散斑場圖像；y' =DAx+Dn=DAOs+Dn，其中，X為空間光調制器上加載的目標圖像，D 為降采樣矩陣，A為隨機散射介質的傳輸矩陣，〇為投影基矩陣，S為原目標X在投影基矩 陣下的系數，n為成像過程中引入的背景噪聲，y'的維度為N;N=length(y'）； 系數求解子模塊，用于求解編碼散斑場圖像在投影基矩陣〇下的初始變換系數；3。= 值A〇)T.y'，其中（?）T表示矩陣的轉置操作. 解碼重建子模塊，用于將隨機散射介質的傳輸矩陣A、降采樣后的散斑場圖像y'、降采 樣矩陣D及維度N作為初始參量，利用正交匹配追蹤算法解碼重構出目標圖像同時去除成 像過程中引入的部分背景噪聲。
6. -種基于稀疏表示的隨機散射光學成像方法，包括如下步驟： (1) 搭建光路；將從激光光源發出的光依次經過空間濾波器、孔徑光闊和準直透鏡，得 到擴束準直后的激光束，該光束再通過反射鏡反射進入空間光調制器，從空間光調制器出 射的光線依次通過隨機散射介質和透鏡，到達探測器陣列； (2) 加載成像目標：通過主控機在空間光調制器上加載圖像X，作為成像目標； (3) 根據四步相位法測量隨機散射介質的傳輸矩陣A，即壓縮感知理論中的觀測矩陣； (4) 獲得編碼散斑場圖像： 用可見光波段的激光光源照射成像目標X，使攜帶目標信息的光線經過隨機散射介質 和透鏡后在探測器陣列上形成編碼散斑場圖像；y=Ax+n，并將該編碼散斑場圖像傳輸至 主控機，其中A為隨機散射介質的傳輸矩陣，n為成像過程中引入的背景噪聲； (5)利用基于稀疏表示的圖像重建算法將上述編碼散斑場圖像y重建為清晰的目標圖 像： 5a)在主控機中，對探測器接收到的編碼散斑場圖像y進行降采樣操作，得到降采樣后 的散斑場圖像；y' =Dy=DAx+Dn=DAOs+Dn，其中D為降采樣矩陣，巫為投影基矩陣，S 為成像目標X在投影基矩陣〇下的系數，y'的維度為N;N=length(y'）； 5b)通過如下變換式，求解出投影基矩陣〇下的初始變換系數s。： s〇=值AO) T.y， 其中，（〇T表示矩陣的轉置操作； 5c)將初始變換系數S。作為迭代初始解，構建如下優化式：
其中，T為懲罰因子； 5d)利用正交匹配追蹤算法求解上述5c)的優化式，得到最佳估計向量《； 5e)對最佳估計向量s'進行逆投影變換，得到重構的清晰的目標圖像X。
7. 根據權利要求6所述的成像方法，其中所述步驟（3)中的傳輸矩陣A用W表征隨 機散射介質輸入輸出光場間的關系，其服從高斯分布，且與投影基矩陣〇之間滿足非相干 性，可通過四步相位法求得。
8. 根據權利要求6所述成像方法，其中所述步驟（4)中的背景噪聲n，服從高斯分布， 即在時間域或空間域中服從高斯分布，在投影基矩陣下也服從高斯分布。
9. 根據權利要求6所述成像方法，其中所述步驟巧）中的投影基矩陣〇,包括傅里葉 變換矩陣、離散余弦變換矩陣及離散小波變換矩陣等，用W對原始目標圖像進行稀疏表示。
10. 根據權利要求6所述成像方法，其中所述步驟巧）中的降采樣矩陣D，為隨機分布 的0、1矩陣，即矩陣D中的元素為0或1，且0、1隨機分布。
【專利摘要】本發明公開了一種基于稀疏表示的隨機散射光學成像系統及成像方法。成像系統包括光源(1)、空間濾波器(2)、孔徑光闌(3)、準直透鏡(4)、反射鏡(5)、空間光調制器(6)、隨機散射介質(7)、透鏡(8)、探測器陣列(9)和主控機(10)。光源發出的光線經空間濾波器、孔徑光闌及準直透鏡后通過反射鏡進入空間光調制器；主控計算機在空間光調制器上加載成像目標，使從空間光調制器出射攜帶目標信息的光線經隨機散射介質和透鏡后在探測器陣列上形成編碼散斑場圖像傳至主控機；主控機對編碼散斑場圖像進行解碼重建并去除背景噪聲，獲得目標圖像。本發明結構簡單、實時性好、抗噪性強，可用于實驗室對噪聲環境中的隨機散射高速成像。
【IPC分類】H04N5-232, G02B27-58
【公開號】CN104849874
【申請號】CN201510295868
【發明人】邵曉鵬, 李慧娟, 代偉佳, 吳騰飛
【申請人】西安電子科技大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年6月2日