[发明专利]一种并行单像素成像方法

说明书

本发明涉及一种并行单像素成像的实现方法，将单像素成像的基本方法拓展至像素阵列(图像)传感器中，极大拓宽了单像素成像方法的应用范围。首先，通过投射和拍摄傅里叶切片的图案模式，解算并定位像素阵列上每个像素的观测区域。然后，利用投射器向场景投射所需图案模式，采用相机拍摄得到对应的图像；其次，对相机图像上所有像素执行并行单像素成像的图像重构算法，获得每个相机像素下对应的具有投射器分辨率的图像。由于充分发掘了光传输过程的稀疏性，并行单像素成像方法可大幅提高传统单像素系统的成像效率。同时，重构的结果建立了相机像素与投射器像素之间的对应关系，对进一步推动光学成像理论、计算机图形学和计算机视觉的发展有良好作用。

技术领域

本发明涉及一种并行单像素成像的实现方法，将单像素成像的基本方法拓展至诸如CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)和CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)的像素阵列(图像)传感器中，极大地拓宽了单像素成像方法的应用范围。本发明属于计算成像领域。

背景技术

单像素成像(Single-pixel Imaging)作为一种全新的成像方式，相较于传统成像中全场一致的照明光源，其使用可控结构化照明光源(如投射器)向场景投射一系列基模式图案，同时使用不具有空间分辨率的光电探测器对叠加了基图案模式的场景进行拍摄。这种成像方法不直接测量场景信息，而是串行地采集被调制的场景信号，并通过单像素成像的图像重构算法对采集到的数据进行解算，从而实现场景的重构。基于这种成像机理，单像素探测器采集到的信号具有能量大，信噪比高的特点，特别适合于能量很弱的弱光信号探测。

现有的单像素成像技术均使用单个光电探测元件接收来自整个场景对投射器照明的反射光，这种成像机理及相应的重构方法难以直接应用于目前传统成像中的CCD或CMOS等像素阵列并行采集场景图像信息的模式，限制了其在传统成像系统中的广泛应用。

发明内容

本发明提出一种并行单像素成像方法，将单像素成像的基本方法拓展至如CCD和COMS等像素阵列(图像)传感器中，极大地拓宽了单像素成像方法的应用范围。传统成像方法、单像素成像方法和并行单像素成像方法的关系见图2。

本发明的基本原理是在定位像素阵列上每个像素观测范围的基础上，投射周期延拓的基图案模式，通过相机拍摄被场景调制后的图像，对拍摄到图像中的每个像素同时采用并行单像素成像的图像重构算法，实现所有像元并行地单像素成像。

在本发明中，任意一种单像素成像技术原则上都能够用于并行单像素成像的实现，但考虑到近年来基于正交基的单像素成像方法具有较高的信噪比，且能够重建出高质量的图像。同时，由于傅里叶变换的基底本身带有周期的性质，在进行周期延拓后，重构图像的边缘处不会因周期延拓后基图案模式的不连续而产生失真。最后，使用傅里叶基图案模式还可根据傅里叶切片原理更方便地对像素观测区域进行定位。综上，我们在具体实施中，采用基于傅里叶变换的单像素成像原理来实现并行单像素成像方法。

本发明的技术解决方案为：首先利用投射器向被成像场景投射一系列用于定位的图案模式对每个像素的观测区域进行定位，再投射并行单像素成像所需的周期延拓图案模式，并通过相机进行拍摄；拍摄完毕后，对像素阵列上的每个像素按照并行单像素成像的图像重构方法得到投射器视角下的图像。其成像过程主要包含以下步骤：

(1)先将投射器和相机面向被成像场景放置，投射器的投射区域应与相机视场有重合的区域；

(2)利用投射器向被成像场景投射一系列用于定位的图案模式，并通过相机拍摄；

(3)根据拍摄到的定位图像，对每个像素的观测范围进行定位；

(4)利用投射器向被成像场景投射并行单像素成像所需的周期延拓图案模式，并通过相机进行拍摄；