一種基于仿生視覺機理的鬼成像方法及系統與流程

本發明涉及一種基于仿生視覺機理的鬼成像方法及系統，屬于光電成像領域。

背景技術：

隨著計算機處理速度的不斷提升，相比較傳統的光電成像技術，計算成像技術因對光學成像器件要求低、能實現超分辨成像、不受環境影響等優點，越來越多地被廣泛使用。其中，基于強度關聯成像，即鬼成像方法是一種新型光電成像方法。該方法是一種借助探測臂與參考臂間接對目標成像的體制，探測臂為點探測器，參考臂采用陣列探測器，而且多數采用的是(高分辨率)陣列式探測器。因為包含單點探測器的探測臂僅能獲得單點強度信息而無法對目標成像，另一方面，由于參考臂不會與目標接觸也無法對其成像，但當這兩臂信號進行二階互相關運算，能夠反演出目標信息。從成像原理可以看出，該成像技術只有探測臂包含目標信息，因此其探測和成像分開，使其在實際使用中不受環境的制約，大幅提高操作靈活性，而物臂探測僅使用單像素探測器或桶探測器完成，相比面陣探測器具有更高的靈敏度，甚至在弱光的條件下也可以對目標成像。因此，該技術在極端條件下仍可以獲得目標信息，顯示出該成像體制在基礎研究與國防工業等方面的潛在應用價值。

目前，基于強度關聯成像技術的鬼成像方法難點在于難以同時實現大視場、高分辨率成像和快速成像。傳統鬼成像方法在增大視場或提高分辨率時，多通過增加數據量實現，由此會導致成像速率的降低；反之，傳統鬼成像方法在提高成像速率時，多通過減少數據量實現，常會采用減小成像視場或降低分辨率的方法。因此，如何同時實現大視場、高分辨率成像和快速成像，亟需提出一種新的方法。

隨著仿生學的不斷發展，人眼視網膜特性為解決這一問題提供了新的思路。人眼視網膜的感光細胞由內到外，感光細胞尺寸逐漸增大，即分辨率逐漸下降，既能周圍視場觀察目標，也能中央視場高分辨率凝視觀察目標，同時，人眼對于中心視場能高分辨率成像，對于周邊視場(非感興趣視場)具有壓縮冗余數據的特點，使得人眼具有較高的響應率及靈敏度。鑒于此，利用該特點，設計變分辨率探測器陣列結構，可為同時需求大視場、高分辨率成像和快速成像的鬼成像應用提供一種全新的技術途徑。

技術實現要素：

本發明的目的是為了同時實現大視場、高分辨率成像和快速成像的問題，提供一種基于仿生視覺機理的鬼成像方法及系統。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

一種基于仿生視覺機理的鬼成像方法，具體步驟如下：

步驟一、用桶探測器采集光源照射到目標后的反射光總光強信息；同時用仿生探測器陣列采集同一光源的二維光強分布信息。

步驟二、進行基于仿生視覺機理的運算，得到目標形貌：

其中，仿生探測器陣列，包括定分辨率區域以及由變分辨率像素構成的變分辨率區域。

變分辨率區域中的變分辨率像素結構為：像素內徑為r_i-1，像素外徑為r_i，像素外徑與像素內徑之間的距離為h，該像素的內徑弧長為w_i-1，該像素的外徑弧長w_i。變分辨率像素起始環半徑為r₀。根據人眼視網膜特性，數學表達式如下：

公式(1)中，i為仿生探測器陣列第i環，N為仿生探測器陣列中每一環的像素數，r₀為仿生探測器陣列中變分辨率像素起始環半徑，q為仿生探測器陣列中相鄰環之間的增長率。

將步驟一的光源不斷調整，經過M次測量后，得到M組目標反射光總光強信息和光源二維光強分布信息；對目標反射光總光強信息和光源二維光強分布信息進行計算，得到目標的形貌測量值為：

當光源到目標平面的距離d₁與光源到仿生探測器陣列平面的距離d相等時，經過M次測量后，目標的形貌測量值為：

公式(2)中，g(r,θ)為極坐標系下目標的重建函數，ΔZ₁為桶探測器上總光強的平均偏差，ΔZ₂(r,θ)為極坐標系下仿生探測器陣列上點(r,θ)處光強的平均偏差，<.>表示M次迭代的均值運算；λ為光源波長，d為光源到仿生探測器陣列平面的距離，t(r,θ)為極坐標系下目標平面反射率函數。

公式(2)中，桶探測器上總光強的平均偏差ΔZ₁計算方法為：

其中，為M次桶探測器上總光強Z₁測量值的平均值。

公式(2)中，仿生探測器陣列上點(r,θ)處光強的平均偏差ΔZ₂(r,θ)計算方法為：

其中，公式(4)中Z₂(r,θ)為仿生探測器陣列上點(r，θ)處的光強，(r，θ)為該點在對應極坐標系中的坐標表示，表示M次仿生探測器陣列上點(r，θ)處的光強Z₂(r,θ)測量值的平均值。

當光源到目標平面的距離d₁與光源到仿生探測器陣列平面的距離d不相等時，經過M次測量后，目標的形貌測量值為：

公式(5)中，

綜上，根據公式(2)-(6)，經過M次測量后，即可還原出目標的形貌測量值，即實現鬼成像。

一種基于仿生視覺機理的鬼成像系統，包括激光光源，準直透鏡，旋轉毛玻璃，仿生探測器陣列，目標，分光鏡，桶探測器與相關運算器。

連接關系：

激光光源、準直透鏡、旋轉毛玻璃和分光鏡按順序依次位于同一光路上；激光光源、準直透鏡和旋轉毛玻璃用于產生鬼成像所需的平行贗熱光；分光鏡則用于將贗熱光分成兩條光路，反射光為參考臂光路；透射光為探測臂光路。參考臂光路的光強分布被仿生探測器陣列接收，完成贗熱光源二維光強分布信息采集；探測臂光路的光照射至目標后反射，再經過分光鏡的反射，反射光總光強被桶探測器接收，完成目標反射光總光強信息采集。相關運算器將仿生探測器陣列和桶探測器采集的信息進行運算。

基于上述連接關系，對系統工作原理進一步闡述：

激光光源發出一束激光，經過準直透鏡、旋轉毛玻璃、分光鏡分為兩條光路，反射光束的二維光強分布被仿生探測器陣列接收，透射光束照射至目標，目標的反射光經過分光鏡的反射，反射光的總光強被桶探測器接收。仿生探測器陣列和桶探測器的光電信號，經過相關運算器的互相關運算后，得到單次測量結果。重復測量M次后，即可得到目標的形貌信息。

工作過程如下：

(1)激光光源發出一束激光經準直透鏡后照射至旋轉毛玻璃上，產生贗熱光。

(2)生成的贗熱光經過分光鏡分為兩路光束，其中透射光為探測臂光束，反射光為參考臂光束。其中，探測臂光束照射至目標上，其反射光經過分光鏡的反射，其總光強被桶探測器接收；參考臂光束二維光強分布被仿生探測器陣列接收。

(3)仿生探測器陣列和桶探測器采集的光電信號進入相關運算器，相關運算器進行相關運算，并且重復測量M次，即可獲得測量結果，重建出目標的形貌。

有益效果

(1)本發明公開的一種基于仿生視覺機理的計算鬼成像方法及系統，采用仿生變分辨率探測器陣列，可同時實現大視場、高分辨率成像和快速成像。

(2)本發明公開的一種基于仿生視覺機理的計算鬼成像方法及系統，利用仿生變分辨率探測器中央探測器陣列的高分辨率特點，可實現中心高分辨率成像。

(3)本發明公開的一種基于仿生視覺機理的計算鬼成像方法及系統，借助仿生變分辨率探測器外圍探測器陣列的變分辨率特點，可實現對視場周邊的壓縮，提高數據傳輸效率，從而實現大視場條件下的快速成像。

附圖說明

圖1系統結構圖；

圖2仿生探測器陣列結構；

圖3變分辨像素結構。

1-激光光源，2-準直透鏡，3-旋轉毛玻璃，4-仿生探測器陣列，5-目標，6-分光鏡，7-桶探測器，8-相關運算器，9-變分辨像素，10-定分辨區域，11-變分辨區域，12-變分辨率像素結構。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行說明。

實施例1

一種基于仿生視覺機理的鬼成像方法，具體步驟如下：

步驟一、用桶探測器采集光源照射到目標后的反射光總光強信息；同時用仿生探測器陣列采集同一光源的二維光強分布信息。

步驟二、進行基于仿生視覺機理的運算，得到目標形貌：

其中，仿生探測器陣列，包括定分辨率區域以及由變分辨率像素構成的變分辨率區域。

變分辨率區域中的變分辨率像素結構為：像素內徑為r_i-1，像素外徑為r_i，像素外徑與像素內徑之間的距離為h，該像素的內徑弧長為w_i-1，該像素的外徑弧長w_i。變分辨率像素起始環半徑為r₀。根據人眼視網膜特性，數學表達式如下：

公式(1)中，i為仿生探測器陣列第i環，N為仿生探測器陣列中每一環的像素數，r₀為仿生探測器陣列中變分辨率像素起始環半徑，q為仿生探測器陣列中相鄰環之間的增長率。

將步驟一的光源不斷調整，經過M次測量后，得到M組目標反射光總光強信息和光源二維光強分布信息；對目標反射光總光強信息和光源二維光強分布信息進行計算，得到目標的形貌測量值為：

當光源到目標平面的距離d₁與光源到仿生探測器陣列平面的距離d相等時，經過M次測量后，目標的形貌測量值為：

公式(2)中，g(r,θ)為極坐標系下目標的重建函數，ΔZ₁為桶探測器上總光強的平均偏差，ΔZ₂(r,θ)為極坐標系下仿生探測器陣列上點(r,θ)處光強的平均偏差，<.>表示M次迭代的均值運算；λ為光源波長，d為光源到仿生探測器陣列平面的距離，t(r,θ)為極坐標系下目標平面反射率函數。

公式(2)中，桶探測器上總光強的平均偏差ΔZ₁計算方法為：

其中，為M次桶探測器上總光強Z₁測量值的平均值。

公式(2)中，仿生探測器陣列上點(r,θ)處光強的平均偏差ΔZ₂(r,θ)計算方法為：

其中，公式(4)中Z₂(r,θ)為仿生探測器陣列上點(r，θ)處的光強，(r，θ)為該點在對應極坐標系中的坐標表示，表示M次仿生探測器陣列上點(r，θ)處的光強Z₂(r,θ)測量值的平均值。

當光源到目標平面的距離d₁與光源到仿生探測器陣列平面的距離d不相等時，經過M次測量后，目標的形貌測量值為：

公式(5)中，

綜上，根據公式(2)-(6)，經過M次測量后，即可還原出目標的形貌測量值，即實現鬼成像。

實施例2

一種基于仿生視覺機理的鬼成像系統，如圖1所示，包括激光光源1，準直透鏡2，旋轉毛玻璃3，仿生探測器陣列4，目標5，分光鏡6，桶探測器7與相關運算器8。

連接關系：

激光光源1、準直透鏡2、旋轉毛玻璃3和分光鏡6按順序依次位于同一光源光路上；激光光源1、準直透鏡2和旋轉毛玻璃3用于產生鬼成像所需的平行贗熱光；分光鏡6則用于將贗熱光分成兩條光路，反射光為參考臂光路，透射光為探測臂光路。參考臂光路的光強分布被仿生探測器陣列4接收，完成贗熱光源二維光強分布信息采集；探測臂光路的光照射至目標5后反射，再經過分光鏡6的反射，其總光強信息被桶探測器7接收，完成目標5反射光總光強信息采集。相關運算器8將仿生探測器陣列4和桶探測器7采集的信息進行相關運算。

基于上述連接關系，對系統工作原理進一步闡述：

激光光源1發出一束激光，經過準直透鏡2、旋轉毛玻璃3、分光鏡6分為兩條光路，反射光束的二維光強分布被仿生探測器陣列4接收，透射光束照射至目標5，目標5的反射光經過分光鏡6的反射，其總光強信息被桶探測器7接收。仿生探測器陣列4和桶探測器7的光電信號，經過相關運算器8的互相關運算后，得到單次測量結果。重復測量M次后，即可得到目標5的形貌信息。

工作過程如下：

步驟一、激光光源1經準直透鏡2、旋轉毛玻璃3和分光鏡6后分為透射光探測臂光路和反射光參考臂光路，用桶探測器7采集探測臂光線照射到目標5后反射再經分光鏡6反射的總光強信息，完成目標5反射光總光強信息采集；同時用仿生探測器陣列4采集參考臂光路的二維光強分布信息，完成同一光源的二維光強分布信息采集。

步驟二、利用相關運算器8進行基于仿生視覺機理的相關運算，得到目標5形貌：

其中，仿生探測器陣列4，陣列結構如圖2所示，包括定分辨率區域10以及由變分辨率像素9構成的變分辨率區域11。

變分辨率區域11符合人眼視網膜特性。如圖3所示，在變分辨率像素結構12中，O為仿生探測器陣列4的圓心，A、B、C、D為變分辨率像素的四個頂點，半徑OA和OB，即像素內徑為r_i-1；半徑OC和OD，即像素外徑為r_i；BC，即像素內徑與像素外徑之間的距離為h；弧長AB，即像素的內徑弧長為w_i-1；弧長CD，即像素的外徑弧長w_i。變分辨率像素起始環半徑為r₀。根據人眼視網膜特性，數學表達式如下：

公式(1)中，i為仿生探測器陣列4第i環，N為仿生探測器陣列4中每一環的像素數，r₀為仿生探測器陣列4中變分辨率像素起始環半徑，q為仿生探測器陣列4中相鄰環之間的增長率。

將步驟一的旋轉毛玻璃3不斷旋轉，經過M次測量后，得到M組目標5的反射光總光強信息和參考臂的二維光強分布信息；對目標5反射光總光強信息和參考臂的二維光強分布信息進行相關計算，得到目標5的形貌測量值為：

當激光光源1到目標5平面的距離d₁與激光光源1到仿生探測器陣列4平面的距離d相等時，經過M次測量后，目標5的形貌測量值為：

公式(2)中，g(r,θ)為極坐標系下目標5的重建函數，ΔZ₁為桶探測器7上總光強的平均偏差，ΔZ₂(r,θ)為極坐標系下仿生探測器陣列4上點(r,θ)處光強的平均偏差，<.>表示M次迭代的均值運算；λ為光源波長，d為激光光源1到仿生探測器陣列4平面的距離，t(r,θ)為極坐標系下目標5平面反射率函數。

公式(2)中，桶探測器7上總光強的平均偏差ΔZ₁計算方法為：

其中，為M次桶探測器7上總光強Z₁測量值的平均值。

公式(2)中，仿生探測器陣列4上點(r,θ)處光強的平均偏差ΔZ₂(r,θ)計算方法為：

其中，公式(4)中Z₂(r,θ)為仿生探測器陣列4上點(r，θ)處的光強，(r，θ)為該點在對應極坐標系中的坐標表示，表示M次仿生探測器陣列4上點(r，θ)處的光強Z₂(r,θ)測量值的平均值。

當激光光源1到目標5平面的距離d₁與激光光源1到仿生探測器陣列4平面的距離d不相等時，經過M次測量后，目標5的形貌測量值為：

公式(5)中，

綜上，根據公式(2)-(6)，經過M次測量后，即可還原出目標5的形貌測量值。

其中，仿生探測器陣列4在像素讀出過程中，定分辨率區域10行選通讀出，變分辨率區域11環選通讀出。

以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。