[发明专利]基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统及方法，所述成像系统包括结构光投影系统、光子接收系统、同步控制及信号处理系统，采用了单像素光子探测器和数字微镜器件组合的单光子相机结构对目标场景进行成像。根据多分辨率小波逼近原理，从初始分辨率图像开始，逐渐获取目标场景由低分辨率到高分辨率的细节信息，用于重构最终分辨率三维图像。本发明有效减少了采样次数，缩短了成像时间，适用于高分辨率三维成像应用；同时，避免了CS算法所需的计算开销，减少了重构所需的时间；利用单像素光子探测器和DMD组合的单光子相机结构，减小了系统尺寸，简化了系统结构，具有结构简单、可靠性高、成本低的特点。

主权项

1.一种利用基于多分辨率小波逼近的单像素光子计数三维成像系统进行成像方法，其特征在于过程如下：对于一次测量，信号发生器生成同步脉冲，驱动激光光源发出脉冲激光，经扩束镜扩束，照亮DMD微镜平面；根据PC生成的调制图案，DMD对脉冲激光进行空间调制，经投影透镜照射目标场景；目标场景反射光子经窄带滤光片滤除杂散光后，经成像透镜收集，由PMT测量得到光子探测信号；TCSPC将信号发生器输出的激光器发射信号与PMT光子探测信号相关联得到该脉冲的光子飞行时间TOF；上述测量过程持续一段时间构成积分时间，得到多个脉冲的TOF，PC将积分时间内的TOF累计得到本次测量的光子计数直方图，对目标场景的测量由多次测量组成，根据这些测量结果，重建目标场景三维信息；具体步骤如下：第一步，DMD使用扫描调制图案，对目标场景进行逐点扫描，根据逐点扫描机制原理，扫描所需DMD调制图案个数与初始分辨率图像像素数相同，并且每个DMD调制图案积分时间光子计数直方图记录了到达该像素的光子的飞行时间，该像素的深度值即为光子计数直方图最大值位置对应深度，强度值即为光子计数直方图的平均值，从而得到初始分辨率深度图像和强度图像；第二步，将上一分辨率的深度图像作为当前分辨率重要小波系数位置估计的依据，即首先对上一分辨率深度图像进行单层小波分解，得到其小波系数矩阵；然后，根据扩展小波树结构中相邻分辨率对应相同空间位置的小波系数间的相关性，由上一分辨率深度小波系数矩阵中重要小波系数位置估计当前分辨率需要采集的重要小波系数的位置；第三步，根据第二步估计结果，对当前分辨率每个重要小波系数生成两个对应小波基调制图案，并由DMD使用这些调制图案对脉冲激光进行调制，构成结构光，对目标场景进行探测，目标场景反射的光子由成像透镜收集，被PMT记录，TCSPC将信号发生器输出的激光器发射信号与PMT光子探测信号相关联得到该脉冲的光子飞行时间，并对每个DMD调制图案积分时间内光子飞行时间进行累计，得到一组光子计数直方图对，将直方图时间轴均匀离散为多个时间点，并计算各个时间点的深度，对于每个深度，将计算得到的当前分辨率重要小波系数与上一分辨率小波系数相结合，得到该位置的小波系数逼近结果，再综合各个深度，得到小波系数立方，再通过分别对每个深度的小波系数矩阵做小波逆变换，得到图像立方，提取每个像素的光子飞行时间直方图，直方图最大值位置对应深度即为该像素的深度值，光子计数直方图的平均值即为该像素的强度值，从而得到当前分辨率深度图像和强度图像；第四步，重复第二步和第三步，获取更高分辨率三维图像，直到获得最终分辨率三维图像。