[发明专利]一种远距离被动三维成像系统

权利要求书

1.一种远距离被动三维成像系统，包括镜头、放大系统、偏振片、光场调控系统和图像处理器，使用镜头收集远距离的目标的光场信息后，输入到所述的放大系统中，所述的放大系统由一组透镜构成，用于调整成像系统的放大率，并控制本三维成像系统的纵向分辨率，所述的光场调控系统包括两个透镜、空间光调制器和摄像机，所述的放大系统输出的光场依次经过偏振片、透镜L1、空间光调制器、透镜L2到摄像机中，由摄像机记录成像结果后，经图像处理器使用算法对目标进行三维重建，其中，所述的空间光调制器位于透镜L1和透镜L2之间，所述的空间光调制器与透镜L1的距离为透镜L1的焦距f₁，所述的空间光调制器与透镜L2的距离为透镜L2的焦距f₂；

其中，需要对所述的空间光调制器上的调制图案进行处理，产生调制图案M(f_x,f_y)，公式如下：

M(f_x,f_y)＝exp{iβ[(f_x/f_x0)³+(f_y/f_y0)³]}        (1)

公式(1)中，f_x,f_y为空间频率坐标，f_x＝X/(λf₁)，f_y＝Y/(λf₁)，X、Y为放大系统成的像的平面坐标，λ入射光波长，β为调制系数，根据成像深度取值为(0，1)区间；f_x0、f_y0为空间频率放缩常数，用于控制调制图案尺寸；去除调制图案中|f_x-f_y|＞C的调制区域，C取值为空间光调制器上的入射光的光斑直径的1/6，然后得到处理后调制图案，然后按一定间隔角度旋转所述的处理后调制图案一周，获得多幅按一定间隔角度旋转的目标光场侧视图，用于对目标进行三维重建；

其中，所述的图像处理器需要对调制图案旋转不同角度后得到的目标光场侧视图进行数据重建，从而得到原物的三维图像，其重建步骤如下：

(1)共轭梯度法解二维线性方程组：首先将二维光场离散化，使用单独的下标m标记不同位置光场坐标(m＝1,2,3,4,5……)，使用单独的下标n表示不同角度、摄像机不同像素的记录矩阵(n＝1,2,3,4,5……)，目标光场的投影矩阵形式如下：

GL＝P              (2)

式中L为目标的像光场矩阵，L＝[l₁,...,l_m]^T；P为摄像机记录的投影矩阵，P＝[p₁,...,p_n]^T；G为方程组系数矩阵，描述不同位置光场对记录的投影矩阵的影响；

反投影重建的图像能够被写为：

L＝G^-1P                (3)

采用共轭梯度法对方程求解，首先需要保证方程组的系数矩阵至少为对称的半正定矩阵，同时对等式(3)等号两边左乘G^T得到：

G^TGL＝G^TP                 (4)

令H＝G^TG、Q＝G^TP，则有：

HL＝Q                 (5)

设初始迭代坐标矩阵L⁽⁰⁾＝0，初始剩余向量R₀、初始方向V₀为：

R₀＝I₀＝Q-HL⁽⁰⁾                (6)

对于第i次迭代(i＝1,2,3,4,5……)，步长γ_i为：

方程组近似解求解结果为：

剩余向量R_i为：

R_i＝Q-γ_iL⁽ⁱ⁾                  (9)

计算方向常数σ_i使相邻两次前进方向V_i-1、V_i相互共轭：

共轭方向V_i能够被表示为：

V_i＝R_i+σ_iV_i-1                      (11)

多次迭代得出重建的光场矩阵L’；

(2)对重建的光场矩阵L’的中的三维坐标(x_T、y_T、z_T)进行矫正处理，得到物空间真实坐标分布(x、y、z)：

式中x₀为横向放缩因子。