本发明提供一种高精度单像素成像方法及系统，包括：根据目标物体，生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场并加载到空间光调制器上；空间光调制器利用所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场对光源发出的激光进行调制，调制后的激光照射到目标物体上，采集目标物体的反射回光；基于所述反射回光以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，对目标物体图像进行重构。本发明利用切比雪夫多项式不同阶数间的正交性，可以完整重构出物体图像，与散斑光场相比，该方案可大幅减少测量次数，且成像质量较高。
1.一种高精度单像素成像方法，其特征在于，包括：(S1) 根据目标物体，生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场并加载到空间光调制器上，方法包括：目标物体离散化大小为M*N像素的矩阵，目标物体的实际大小为Mdy*Ndx的矩形，其中M、N为正整数，dy、dx分别为一个像素在y，x方向的几何尺寸；
生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场Q(x, y, n, m)，其中x，y为x方向和y方向的像素点坐标，n和m分别为x方向和y方向的切比雪夫多项式的阶数，x=1,
2,...,N‑1；n=1,2,...,N‑1；y=1,2,...,M‑1；m=1,2,...,M‑1；
将不同阶数(n, m)的二维光场Q(x, y, n, m)拆分为光场Q (x, y, n, m)和光场Q (x, +y, n, m)后依次加载在空间光调制器上，其中Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, n, m)的正数‑元素，其余元素用零补齐，Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, n, m)矩阵二维调制矩阵中的负数元素并在负数元素相应位置取其绝对值，其余元素用零补齐，；
(S2) 空间光调制器利用所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场对光源发出的激光进行调制，调制后的激光照射到目标物体上，采集目标物体的反射回光；
(S3) 基于所述反射回光以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，对目标物体图像进行重构。
2.根据权利要求1所述的高精度单像素成像方法，其特征在于，所述步骤(S3)包括：利用所述反射回光计算目标物体图像的切比雪夫矩；
基于目标物体图像的切比雪夫矩以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，重构出目标物体图像。
3.根据权利要求2所述的高精度单像素成像方法，其特征在于，所述目标物体图像的切比雪夫矩为：+ ‑
其中 为光场Q (x, y, n, m)照射目标物体后产生的反射回光， 为光场Q(x, y, n, m)照射目标物体后产生的反射回光。
4.根据权利要求3所述的高精度单像素成像方法，其特征在于，重构出的目标物体图像f(x,y)为：。
5.一种高精度单像素成像系统，其特征在于，包括：空间光调制图案生成模块，用于根据目标物体，生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场并加载到空间光调制器上；
光源，用于产生激光，并将产生的激光投影照射到空间光调制器上；
空间光调制器，利用所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场对光源发出的激光进行调制，调制后的激光照射到目标物体上；
成像模块，用于基于所述反射回光以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，对目标物体图像进行重构；
输入模块，确定目标物体，将目标物体离散化大小为M*N像素的矩阵，目标物体的实际大小为Mdy*Ndx的矩形，其中M、N为正整数，dy、dx分别为一个像素在y，x方向的几何尺寸；
切比雪夫多项式分布光场生成模块，用于生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场Q(x, y, n, m)，其中x，y为x方向和y方向的像素点坐标，n和m分别为x方向和y方向的切比雪夫多项式的阶数，x=1,2,...,N‑1；n=1,2,...,N‑1；y=1,2,...,M‑1；m=1,
处理模块，用于将不同阶数(n, m)的二维光场Q(x, y, n, m)拆分为光场Q (x, y, n, ‑ +m)和光场Q (x, y, n, m)后依次加载在空间光调制器上，其中Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, ‑n, m)的正数元素，其余元素用零补齐，Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, n, m)中的负数元素并在负数元素相应位置取其绝对值，其余元素用零补齐，。
6.根据权利要求5所述的高精度单像素成像系统，其特征在于，所述空间光调制图案生成模块和成像模块由计算机实现。
7.根据权利要求5所述的高精度单像素成像系统，其特征在于，成像模块包括:切比雪夫矩计算模块，用于利用所述反射回光计算目标物体图像的切比雪夫矩；
目标重构模块，用于基于目标物体图像的切比雪夫矩以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，重构出目标物体图像。
8.根据权利要求5或6或7所述的高精度单像素成像系统，其特征在于，所述空间光调制器是数字微镜阵列或者空间光相位调制器。
9.根据权利要求5或6或7所述的高精度单像素成像系统，其特征在于，所述光源包括激光器以及准直扩束系统。
高精度单像素成像方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光学探测成像技术领域，具体是一种采用正交矩光场的高精度单像素成像方法及系统。
背景技术
[0002] 传统的光学成像广泛采用以硅为光敏材料的阵列像素探测器(如CCD和CMOS)，硅的光谱响应范围集中在可见光及其附近波段（约400‑800 nm）。对于非可见光波段的成像（如红外波段、太赫兹、X光波段等），目前市场上还未见报道的具有高分辨率且低成本的阵列探测器。而制作工作在非可见波段的单像素探测器的成本低得多，因此单像素探测成像技术可有效解决非可见光波段成像成本高的难题，同时，单像素探测器具有更高的光强灵敏度、更快的响应速度，因此在医学成像、远距离目标探测等弱光探测领域具有明显的优势。
[0003] 单像素成像技术使用无空间分辨能力的单点探测器（如光电倍增管）对目标进行时域上的多次采样。与传统扫描式单像素成像采用局部单点采样方式不同，现在的单像素成像技术通常指基于空间光调制的单像素成像，采用全局采样方式对物体空间信息进行编码，再通过单像素探测器对编码后的信息依次进行采集，最后通过计算对空间信息进行解码，重构物体图像。
[0004] 单像素成像技术最早源于量子鬼成像技术，鬼成像技术通常采用随机图案作为空间光调制图案，最常见的方式是将激光通过旋转的毛玻璃产生随机散斑光场，通过随机散斑对目标进行强度调制，记录随机散斑场的分布和探测相应的回光强度，可重构物体图像。然而基于随机散斑场获取目标信息需要大量的测量次数才能有效重构物体图案，数据采集时间长，成像效率较低。后来压缩感知技术被应用于鬼成像技术可有效减少数据采集时间。
然而，压缩感知技术的算法运行时间往往耗时较长，且成像质量取决于物体的稀疏性，难以实时获取高质量物体图像。
发明内容
[0005] 针对目前单像素成像技术中数据采集时间较长、成像质量不高的问题，本发明提出了一种高精度单像素成像方法及系统。
[0006] 为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：
[0007] 一方面，本发明提供一种高精度单像素成像方法，包括：
[0008] (S1) 根据目标物体，生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场并加载到空间光调制器上；
[0009] (S2) 空间光调制器利用所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场对光源发出的激光进行调制，调制后的激光照射到目标物体上，采集目标物体的反射回光；
[0010] (S3) 基于所述反射回光以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，对目标物体图像进行重构。
[0011] 进一步地，所述步骤(S1)包括：
[0012] 目标物体离散化大小为M*N像素的矩阵，目标物体的实际大小为 的矩形，其中M、N为正整数， 、 分别为一个像素在y，x方向的几何尺寸；
[0013] 生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场Q(x, y, n, m)，其中x，y为x方向和y方向的像素点坐标，n和m分别为x方向和y方向的切比雪夫多项式的阶数，x=1,2,...,N‑1；n=1,2,...,N‑1；y=1,2,...,M‑1；m=1,2,...,M‑1；
[0014] 将不同阶数(n, m)的二维光场Q(x, y, n, m)拆分为光场Q+(x, y, n, m)和光场Q‑(x, y, n, m)后依次加载在空间光调制器上，其中 ，+ ‑
Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, n, m)的正数元素，其余元素用零补齐，Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, n, m)中的负数元素并在负数元素相应位置取其绝对值，其余元素用零补齐。
[0015] 进一步地，所述步骤(S3)包括：
[0016] 利用所述反射回光计算目标物体图像的切比雪夫矩；
[0017] 基于目标物体图像的切比雪夫矩以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，重构出目标物体图像。
[0018] 进一步地，所述步骤(S3)中目标物体图像的切比雪夫矩为：
[0019]+
[0020] 其中 为光场Q (x, y, n, m)照射目标物体后产生的反射回光， 为光场‑Q (x, y, n, m)照射目标物体后产生的反射回光；
[0021] 进一步地，所述步骤(S3)中重构出的目标物体图像f(x,y)为：
[0022] 。
[0023] 另一方面，本发明提供一种高精度单像素成像系统，包括：
[0024] 空间光调制图案生成模块，用于根据目标物体，生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场并加载到空间光调制器上；
[0025] 光源，用于产生激光，并将产生的激光投影照射到空间光调制器上；
[0026] 空间光调制器，利用所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场对光源发出的激光进行调制，调制后的激光照射到目标物体上；
[0027] 单像素光电探测器，用于采集目标物体的反射回光；
[0028] 成像模块，用于基于所述反射回光以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，对目标物体图像进行重构。
[0029] 作为优选实施方案，所述空间光调制图案生成模块和成像模块由计算机实现。
[0030] 作为优选实施方案，所述空间光调制器可以是数字微镜阵列（DMD）或者空间光相位调制器。
[0031] 作为优选实施方案，所述光源包括激光器以及准直扩束系统。
[0032] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0033] 本发明采用具有确定数学函数表达式的满足切比雪夫多项式分布的二维结构光场替代鬼成像技术中的随机散斑光场，在此基础上重构物体图像，该方案利用切比雪夫多项式不同阶数间的正交性，可以完整重构出物体图像，与鬼成像技术中的随机散斑光场相比，该方案可大幅减少测量次数，且成像质量较高。
附图说明
[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0035] 图1是本发明一实施例的流程图；
[0036] 图2是本发明一实施例的结构图；
[0037] 图3为本发明一实施例采用的不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场；
[0038] 图4为本发明一实施例中单像素探测器探测到的不同阶数的切比雪夫矩；
[0039] 图5是本发明一实施例中重建的目标物体图像；
[0040] 图6是本发明一实施例中在欠采样条件下重建的目标物体图像。
具体实施方式
[0041] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述来清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0042] 在一实施例中，参照图1，提供一种高精度单像素成像方法，包括：
[0043] (S1) 根据目标物体，生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场并加载到空间光调制器上；
[0044] (S2) 空间光调制器利用所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场对光源发出的激光进行调制，调制后的激光照射到目标物体上，采集目标物体的反射回光；
[0045] (S3) 基于所述反射回光以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，对目标物体图像进行重构。
[0046] 在一实施例中，所述步骤(S1)包括：
[0047] 目标物体离散化大小为M*N像素的矩阵，目标物体的实际大小为 的矩形，其中M、N为正整数， 、 分别为一个像素在y，x方向的几何尺寸；
[0048] 生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场Q(x, y, n, m)，其中x，y为x方向和y方向的像素点坐标，n和m分别为x方向和y方向的切比雪夫多项式的阶数，x=1,2,...,N‑1；n=1,2,...,N‑1；y=1,2,...,M‑1；m=1,2,...,M‑1；
[0049] 将不同阶数(n, m)的二维光场Q(x, y, n, m)拆分为光场Q+(x, y, n, m)和光场Q‑+(x, y, n, m)后依次加载在空间光调制器上，其中Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, n, m)的正数‑
元素，其余元素用零补齐，Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, n, m)中的负数元素并在负数元素相应位置取其绝对值，其余元素用零补齐， 。
[0050] 在一实施例中，所述步骤(S3)包括：
[0051] 利用所述反射回光计算目标物体图像的切比雪夫矩；
[0052]+ ‑
[0053] 其中 为光场Q (x, y, n, m)照射目标物体后产生的反射回光， 为光场Q(x, y, n, m)照射目标物体后产生的反射回光。
[0054] 基于目标物体图像的切比雪夫矩以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分+ ‑布的二维光场，利用Q (x, y, n, m)、Q (x, y, n, m)的正交性以及目标物体图像的切比雪夫矩重构出目标物体图像。
[0055] 重构出的目标物体图像f(x,y)为：
[0056] 。
[0057] 本发明的理论依据如下：
[0058] 在x方向，离散的切比雪夫多项式的表达式为：
[0059] (1)
[0060] 其中x为离散坐标，n为多项式的阶数，N为离散坐标总数。
[0061] 不同阶数的切比雪夫多项式满足下列正交关系：
[0062] (2)
[0063] 其中归一化参数 满足：
[0064] (3)
[0065] 为使单像素成像系统更为简洁，简化成像算法，故采用归一化的切比雪夫多项式，表达式为：
[0066] (4)
[0067] 对于目标物体图像f(x,y)，归一化后的切比雪夫矩为：
[0068] (5)
[0069] 根据切比雪夫多项式的正交性可重构出目标物体图像f(x,y)，即目标物体图像f(x,y)满足：
[0070] (6)
[0071] 结合单像素成像系统的特性，二维光场Q(x, y, n, m)可设置为:
[0072] (7)
[0073] 由于Q(x, y, n, m)中的元素有正有负，将不同阶数(n, m)的二维光场Q(x, y, + ‑n, m)拆分为光场Q (x, y, n, m)和光场Q (x, y, n, m)后依次加载在空间光调制器上，其+
中 ，Q (x, y, n, m)保留Q(x, y,
‑
n, m)的正数元素，其余元素用零补齐，Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, n, m)中的负数元素并在负数元素相应位置取其绝对值，其余元素用零补齐。
[0074] 目标物体图像的切比雪夫矩Tnm可表示为：
[0075] (8)
[0076] 其中， 为光场Q+(x, y, n, m)照射目标物体后产生的反射回光， 为光场‑Q (x, y, n, m)照射目标物体后产生的反射回光。
[0077] 通过依次将不同阶数(n, m)的光场Q+(x, y, n, m)和光场Q‑(x, y, n, m)依次照射到目标物体上并收集反射回光 和 ，可以重构出目标物体图像f(x,y)，重构目标物体图像f(x,y)满足：
[0078] (9)
[0079] 参照图2，一实施例提供一种高精度单像素成像系统，包括：
[0080] 空间光调制图案生成模块，用于根据目标物体，生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场并加载到空间光调制器上；
[0081] 光源3，用于产生激光，并将产生的激光投影照射到空间光调制器上；
[0082] 空间光调制器2，利用所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场对光源发出的激光进行调制，调制后的激光照射到目标物体4上；
[0083] 单像素光电探测器5，用于采集目标物体4的反射回光；
[0084] 成像模块，用于基于所述反射回光以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，对目标物体图像进行重构。
[0085] 其中所述空间光调制图案生成模块和成像模块的功能均由计算机1实现。
[0086] 一实施例中，所述空间光调制图案生成模块，包括：
[0087] 输入模块，确定目标物体，将目标物体离散化大小为M*N像素的矩阵，目标物体的实际大小为 的矩形，其中M、N为正整数， 、 分别为一个像素在y，x方向的几何尺寸；
[0088] 切比雪夫多项式分布光场生成模块，用于生成一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场Q(x, y, n, m)，其中x，y为x方向和y方向的像素点坐标，n和m分别为x方向和y方向的切比雪夫多项式的阶数，x=1,2,...,N‑1；n=1,2,...,N‑1；y=1,2,...,M‑1；m=1,2,...,M‑1；
[0089] 处理模块，用于将不同阶数(n, m)的二维光场Q(x, y, n, m)拆分为光场Q+(x, ‑y , n , m)和光场Q (x , y , n , m)后依次加载在空间光调制器上，其中+
，Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, n,
‑
m)的正数元素，其余元素用零补齐，Q (x, y, n, m)保留Q(x, y, n, m)中的负数元素并在负数元素相应位置取其绝对值，其余元素用零补齐。
[0090] 一实施例中，所述成像模块包括:
[0091] 切比雪夫矩计算模块，用于利用所述反射回光计算目标物体图像的切比雪夫矩；
[0092] 目标重构模块，用于基于目标物体图像的切比雪夫矩以及所述一系列不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场，重构出目标物体图像。
[0093] 上述各模块功能的实现方法，可以采用前述各实施例中相同的方法实现，在此不再赘述。
[0094] 本发明中的空间光调制器2的类型不限，可以是数字微镜阵列（DMD）或者空间光相位调制器（SLM），其中数字微镜阵列对二值化图案的刷新速率可达到22 KHz，SLM的刷新速率约为数十Hz。
[0095] 一实施例采用图2所示结构，采用数字微镜阵列作为空间光调制器，主要用于加载空间光调制图案，对光源发出的光进行强度调制产生结构照明光场。光源3包括激光器以及准直扩束系统，本实施例采用的激光器工作在可见光波段，波长为532 nm，准直扩束系统由准直扩束透镜组成，对激光器发出的光进行扩束、准直，并投影照射到空间光调制器2上。本实施例中采用的目标物体4为一副自然图像（Lena人像图片）。本实施例采用的单像素光电探测器5为光电倍增管结构（Thorlabs PMT‑PMM02），用于获取目标物体的反射光强度并转化为电信号输出到计算机1进行目标图像重构。
[0096] 图3为本实施例采用的不同阶数的切比雪夫多项式分布的二维光场。
[0097] 图4为本实施例中单像素探测器探测到的不同阶数的切比雪夫矩；对于一个大小为M*N的矩阵，x方向的阶数n取值在0至N‑1之间，y方向的阶数m的取值在0至M‑1之间，当满采样的情况下，总共有M*N阶二维切比雪夫矩，因此单像素光电探测器5采集到的切比雪夫矩可构成一个大小为M*N的矩阵。由于照明光场将第M*N阶切比雪夫光场Q(x, y, n, m)拆+ ‑分成两幅光场Q (x, y, n, m)和Q (x, y, n, m)，相对应的单像素光电探测器5有两个探测值 和 ，那么对应的第m*n阶切比雪夫矩Tmn满足公式(8)。
[0098] 单像素光电探测器5采集到的 和 输入到计算机1中，计算机1基于公式(10)可重构出目标物体图像f(x,y)。在完整采样条件下，即采样数为M*N，重构出的目标物体图像如图5所示。切比雪夫矩也可以在欠采样的条件下重构出物体图像，当x方向的阶数n依次从0取到0.5*N，y方向的阶数m依次从0取到0.5*M时，此时采样数为0.25*M*N，基于欠采样的条件下切比雪夫光场的单像素成像方法所重构的目标物体如图6所示，此时图像仍然清晰可分辨，只是成像质量相比满采样条件下的目标物体成像结果（如图5所示）有所下降。
[0099] 以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0100] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
