基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统及方法

摘要

本发明涉及光学精密测试技术领域，公开了基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统及方法，方法包括：镜头采集待定位自发光运动物体的光场，镜头将光场成像到掩模版上，掩模版对光场进行二维信息调制，将调制后的光发给透镜，透镜对掩模版调制后的光进行汇聚，汇聚到透镜的后焦点上，位于透镜后焦点的探测器对汇聚的光进行全谱段探测，根据全谱段探测结果，计算待定位自发光运动物体的预测质心位置，并利用样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，对待定位自发光运动物体的预测质心位置进行修正，得到物体的修正质心位置，进而得到物体的运动轨迹。本发明在不获取目标场景图像的基础上实现对高速运动物体的实时定位跟踪。

权利要求

1.基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，其特征是，包括：四条光路；每一条光路，均包括：依次设置的镜头、掩模版、透镜和探测器，每一条光路上镜头、掩模版、透镜和探测器四者的中心点均处在同一条直线上；四条光路的掩模版以视场中心为中心点呈中心对称分布；

所述掩模版，其制备过程包括：构建灰度图，对灰度图进行上采样，得到上采样高分辨率灰度图；对上采样高分辨率灰度图处理，得到二值分布的调制模式掩模版图案；在石英基底上覆盖铬镀层，在铬镀层上刻蚀掩模版图案；裁出掩模版图案所覆盖的区域，得到掩模版；

所述探测器，其靶面采用紫外波段点探测器、可见光波段点探测器、中红外波段点探测器和近红外波段点探测器拼接而成；探测器置于收集透镜后焦面上，对掩模版调制后的光进行全谱段探测；

每一条光路下，镜头采集待定位自发光运动物体的光场，镜头将光场成像到掩模版上，掩模版对光场进行二维信息调制，将调制后的光发给透镜，透镜对掩模版调制后的光进行汇聚，汇聚到透镜的后焦点上，位于透镜后焦点的探测器对汇聚的光进行全谱段探测，计算机根据全谱段探测结果，计算待定位自发光运动物体的预测质心位置，并利用样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，对待定位自发光运动物体的预测质心位置进行修正，得到待定位自发光运动物体的修正质心位置，进而得到待定位自发光运动物体的运动轨迹。

2.如权利要求1所述的基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，其特征是，所述构建灰度图，根据矩阵分布，通过将矩阵中元素数值作为灰度图中像素的灰度值，来设计空间分辨率为 像素的灰度图。

3.如权利要求1所述的基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，其特征是，所述对灰度图进行上采样，采用双三次插值算法对 像素的灰度图进行上采样，一个原始像素由 个子像素表示，得到空间分辨率为 像素的上采样灰度图。

4.如权利要求1所述的基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，其特征是，所述对上采样高分辨率灰度图处理，得到二值分布的调制模式掩模版图案，是采用误差扩散抖动算法对上采样灰度图进行处理，得到二值图，将二值图作为掩模版图案。

5.如权利要求1所述的基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，其特征是，所述掩模版分为四个掩模版，分别为第一掩模版、第二掩模版、第三掩模版和第四掩模版；

所述第一掩模版 和第三掩模版 沿着竖直方向轴对称设置；

所述第二掩模版 和第四掩模版 沿着水平方向轴对称设置；

第一掩模版的像素值从左到右逐渐增加，第二掩模版的像素值从下到上逐渐增加，第三掩模版的像素值从右到左逐渐增加，第四掩模版的像素值从上到下逐渐增加，保证同一方向掩模版的区域互补。

6.如权利要求1所述的基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，其特征是，样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，具体构建过程包括：四条光路中的目标光场经过各自镜头成像到对应的掩模版上，由掩模版对目标光场进行二维信息调制，掩模版调制后的光经过透镜汇聚到透镜的后焦点；

位于透镜后焦点的探测器，对掩模版调制后的光进行全谱段探测；

在掩模版上建立二维笛卡尔坐标系，控制样本自发光运动物体沿着掩模版像素值由低到高的方向均匀移动Q个位置；Q为正整数；Q大于2；

根据探测器采集到的Q组实验数据，采用质心算法，计算出第i个位置处样本自发光运动物体的预测质心位置；

根据样本自发光运动物体第i个位置的预测质心位置和实际位置，构建样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的映射关系表。

7.基于掩模版空间调控的全谱段快速定位方法，采用如权利要求1所述的基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，其特征是，包括：获取样本自发光运动物体运动时的实际位置；在样本自发光运动物体运动过程中，采用掩模版对目标光场信息进行空间调控，采用探测器对空间调控后的光场进行全谱段探测，对调控效果进行标定，得到样本自发光运动物体的预测质心位置，构建样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表；

在待定位自发光运动物体运动过程中，获取待定位自发光运动物体，经过掩模版调制后的光强值，采用质心算法对光强值进行处理，得到当前时刻待定位自发光运动物体的预测质心位置；

采用样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，对待定位自发光运动物体的预测质心位置进行误差修正，得到待定位自发光运动物体的修正质心位置，进而得到待定位自发光运动物体的运动轨迹。

说明书

基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学精密测试技术领域，特别是涉及基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统及方法。

背景技术

[0002] 快速运动目标的实时跟踪技术，是对运动物体的空间特征信息进行获取，并估计物体在运动场景中轨迹的过程。传统的动态目标追踪方法一般采用高空间分辨率，并具有高帧频的面阵探测器捕获运动目标的序列图像，然后利用图像处理算法从捕获的序列图像中提取出目标的位置和空间分布信息。该方法跟踪快速运动物体的精度取决于图像序列的质量，图像的分辨率越高，获取的物体运动轨迹的精确度越高。另一方面，相机采集到的图像是物体在曝光时间内运动状态的平均，因此物体的快速运动会导致相机采集到的图像产生运动模糊的现象。

[0003] 到目前为止，一些专业的高速相机，成像速度可达上万帧每秒，很好的解决了上述问题。高速相机长时间工作产生的图像数据吞吐量非常庞大，对数据存储、数据传输和图像分析等产生了巨大的压力，因此难以实现对运动目标的连续追踪。并且，高速相机在一些非可见光波段无法工作或者造价极其昂贵。

[0004] 基于图像分析的快速移动物体跟踪方法需要获取场景的序列图像，而场景的图像不仅包含运动物体的空间信息，也包含场景的背景信息。获取运动物体的轨迹仅需要物体的空间信息，只占场景信息的很小一部分。换言之，场景信息的绝大部分背景信息属于冗余信息。因此通过该方法获取物体的运动轨迹会产生信息资源的浪费。并且传统方法依然存在一个比较严重的问题，即对算法要求比较高。目前成熟的图像处理算法不能提高跟踪运动物体的时间分辨率，处理大量图像数据的成本更昂贵。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统及方法；尝试在跟踪原理和模型等方面突破技术瓶颈，不获取目标场景图像的基础上实现对高速运动物体的实时定位跟踪，为高速运动物体的跟踪与检测提供一种新的研究思路及技术途径。同时，本发明的研究成果对于推动高速运动物体跟踪技术的发展、丰富“无图像”的跟踪与探测领域的研究内涵具有积极的科学意义和应用价值。

[0006] 第一方面，本发明提供了基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统；

[0007] 基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，包括：四条光路；每一条光路，均包括：依次设置的镜头、掩模版、透镜和探测器，每一条光路上镜头、掩模版、透镜和探测器四者的中心点均处在同一条直线上；四条光路的掩模版以视场中心为中心点呈中心对称分布；

[0008] 每一条光路下，镜头采集待定位自发光运动物体的光场，镜头将光场成像到掩模版上，掩模版对光场进行二维信息调制，将调制后的光发给透镜，透镜对掩模版调制后的光进行汇聚，汇聚到透镜的后焦点上，位于透镜后焦点的探测器对汇聚的光进行全谱段探测，计算机根据全谱段探测结果，计算待定位自发光运动物体的预测质心位置，并利用样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，对待定位自发光运动物体的预测质心位置进行修正，得到待定位自发光运动物体的修正质心位置，进而得到待定位自发光运动物体的运动轨迹。

[0009] 第二方面，本发明提供了基于掩模版空间调控的全谱段快速定位方法；

[0010] 基于掩模版空间调控的全谱段快速定位方法，采用第一方面所述的基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，包括：

[0011] 获取样本自发光运动物体运动时的实际位置；在样本自发光运动物体运动过程中，采用掩模版对目标光场信息进行空间调控，采用探测器对空间调控后的光场进行全谱段探测，对调控效果进行标定，得到样本自发光运动物体的预测质心位置，构建样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表；

[0012] 在待定位自发光运动物体运动过程中，获取待定位自发光运动物体，经过掩模版调制后的光强值，采用质心算法对光强值进行处理，得到当前时刻待定位自发光运动物体的预测质心位置；

[0013] 采用样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，对待定位自发光运动物体的预测质心位置进行误差修正，得到待定位自发光运动物体的修正质心位置，进而得到待定位自发光运动物体的运动轨迹。

[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0015] （1）相对于传统的目标追踪方法，本发明直接获取目标的质心位置信息，无需经过目标图像信息获取的中间环节。避免了传统的光学定位追踪系统中信息获取的冗余性，提高了信息获取效率。本发明可在一次探测过程中获取物体的质心位置而不需要获取场景的图像，运动物体的帧率仅取决于光电探测器获取数据的速度，并且不受运动模糊的影响，可以实现运动物体的高帧率实时跟踪。

[0016] （2）充分发挥单点光电探测器的性能优势。基于掩模版空间调控的跟踪方式，探测时仅关注经物体调制后反馈的光强值，减少了信息传输与处理的压力，因此占用的内存更小，探测速度更快。不止于此，与阵列探测器相比光电探测器阵列还具有更高的量子效率、更低的暗噪声和更短的响应时间等优点，在微弱光探测和不可见光波段具有广阔的应用范围。

[0017] （3）采用全谱段焦点探测器，实现全谱段探测。全谱段焦点探测器靶面由紫外波段、可见光波段、红外波段点探测器单元拼接而成，置于收集透镜后焦面时可以在全谱段进行探测，而没有传统的光电探测器谱段限制。

[0018] （4）使用掩模版作为调制器件，具有宽谱段，速度快和成本低的优势。石英基底的掩模版在紫外线到近红外区域都具有较高的透过率（透过掩模版的光强值与照射到掩模版表面的光强值的比值，表示掩模版的透光能力），而掩模版的铬镀层在紫外波段、可见光波段乃至近红外短波区域几乎不透光，理论上，可以同时实现紫外、可见、红外三个波段的宽谱段空间调控。此外，通过掩模版可实现光场的连续实时空间调控，调制速度无上限，极大地提高了对运动物体的定位速度。并且用于光场调控的掩模版的造价低，有利于此方法的推广。

附图说明

[0019] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0020] 图1为本发明的系统示意图；

[0021] 图2为本发明的四个掩模版的上下左右空间分布示意图；

[0022] 图3为本发明的掩模版设计示意图；

[0023] 图4为本发明的全谱段焦点探测器示意图；

[0024] 图5为本发明的系统标定过程示意图；

[0025] 图6为本发明的样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系示意图；

[0026] 图7为本发明的高速运动物体质心位置与实际位置对比示意图。

具体实施方式

[0027] 实施例一

[0028] 本实施例提供了基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统；

[0029] 如图1所示，基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，包括：四条光路；每一条光路，均包括：依次设置的镜头、掩模版、透镜和探测器，每一条光路上镜头、掩模版、透镜和探测器四者的中心点均处在同一条直线上；四条光路的掩模版以视场中心为中心点呈中心对称分布；

[0030] 每一条光路下，镜头采集待定位自发光运动物体的光场，镜头将光场成像到掩模版上，掩模版对光场进行二维信息调制，将调制后的光发给透镜，透镜对掩模版调制后的光进行汇聚，汇聚到透镜的后焦点上，位于透镜后焦点的探测器对汇聚的光进行全谱段探测，计算机根据全谱段探测结果，计算待定位自发光运动物体的预测质心位置，并利用样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，对待定位自发光运动物体的预测质心位置进行修正，得到待定位自发光运动物体的修正质心位置，进而得到待定位自发光运动物体的运动轨迹。

[0031] 进一步地，所述掩模版，其制备过程包括：

[0032] 构建灰度图，对灰度图进行上采样，得到上采样高分辨率灰度图；

[0033] 对上采样高分辨率灰度图处理，得到二值分布的调制模式掩模版图案；

[0034] 在石英基底上覆盖铬镀层，在铬镀层上刻蚀掩模版图案；

[0035] 裁出掩模版图案所覆盖的区域，得到掩模版。

[0036] 进一步地，所述构建灰度图，根据矩阵分布，通过将矩阵中元素数值作为灰度图中像素的灰度值，来设计空间分辨率为 像素的灰度图。

[0037] 进一步地，所述对灰度图进行上采样，采用双三次插值算法对 像素的灰度图进行上采样，一个原始像素由 个子像素表示，得到空间分辨率为 像素的上采样灰度图。

[0038] 进一步地，所述对上采样高分辨率灰度图处理，得到二值分布的调制模式掩模版图案，是采用Floyd‑Steinberg误差扩散抖动算法对上采样灰度图进行处理，得到二值图，将二值图作为掩模版图案。

[0039] 应理解地，将二值图作为掩模版图案，可以实现全谱段范围内的连续的光场调控。

[0040] 进一步地，所述掩模版分为四个掩模版，分别为第一掩模版、第二掩模版、第三掩模版和第四掩模版；

[0041] 所述第一掩模版 和第三掩模版 沿着竖直方向轴对称设置；

[0042] 所述第二掩模版 和第四掩模版 沿着水平方向轴对称设置；

[0043] 第一掩模版的像素值从左到右逐渐增加，第二掩模版的像素值从下到上逐渐增加，第三掩模版的像素值从右到左逐渐增加，第四掩模版的像素值从上到下逐渐增加，保证同一方向掩模版的区域互补。

[0044] 上述技术方案的有益效果是：通过四条光路掩模版的结构光调制，实现对自发光物体图像的连续且同时的编码调制，调制速度无上限且没有运动模糊。

[0045] 进一步地，所述掩模版对光场进行二维信息调制，是指镜头采集的光场图像通过掩模版实现光场调制。

[0046] 进一步地，所述探测器，其靶面采用紫外波段点探测器、可见光波段点探测器、中红外波段点探测器和近红外波段点探测器拼接而成；探测器置于收集透镜后焦面上，对掩模版调制后的光进行全谱段探测。

[0047] 进一步地，所述样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，具体构建过程包括：

[0048] 四条光路中的目标光场经过各自镜头成像到对应的掩模版上，由掩模版对目标光场进行二维信息调制，掩模版调制后的光经过透镜汇聚到透镜的后焦点；

[0049] 位于透镜后焦点的探测器，对掩模版调制后的光进行全谱段探测；

[0050] 在掩模版上建立二维笛卡尔坐标系，控制样本自发光运动物体沿着掩模版像素值由低到高的方向均匀移动Q个位置；Q为正整数；Q大于2；

[0051] 根据探测器采集到的Q组实验数据，采用质心算法，计算出第i个位置处样本自发光运动物体的预测质心位置；

[0052] 根据样本自发光运动物体第i个位置的预测质心位置和实际位置，构建样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的映射关系表。

[0053] 进一步地，所述利用样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，对待定位自发光运动物体的预测质心位置进行修正，得到待定位自发光运动物体的修正质心位置，包括：

[0054] 根据待定位自发光运动物体的预测质心位置，从关系表中查找到待定位自发光运动物体的预测质心位置对应的样本自发光运动物体实际位置，将查表得到的样本自发光运动物体实际位置，作为待定位自发光运动物体的修正质心位置。

[0055] 为了实现快速运动物体的全谱段实时跟踪检测，主要从不获取场景图像的角度寻找解决思路。采用掩模版空间调控的思想，依据掩模版的实际情况，采用空间抖动方法建立调制图案模型。根据多光路系统原理，建立四光路的光电探测采集系统，实现运动物体的全波段实时跟踪。设计覆盖紫外光‑可见光‑红外光的全谱段焦点探测器，在每个收集透镜后焦点对掩模版空间调控后的光场进行全谱段探测。随后开展系统标定过程，建立样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的映射关系，开发系统补偿算法，提高系统跟踪运动物体的精度。在原理上验证基于掩模版调制的快速移动物体跟踪的系统结构、实时性、宽谱段、跟踪精度的优势，最后开展实验研究，通过实验验证系统方案的共相检测精度、效率和检测稳定性等工作性能。

[0056] 图1是该发明的系统示意图。成像单元、结构光调制单元、数据采集与处理单元有机融合在一起，组成一个紧凑、轻量化的高速运动物体跟踪检测系统。其中，场景中运动物体发出的光经过透镜成像到掩模版上，由光学掩模版对目标物体所成的图像进行二维信息调制，透射的光信号经过收集透镜由全谱段焦点探测器获取总光强值。系统中，四光路分布如图2所示，四个光路的掩模版以视场中心为中心对称分布，保证互补的光路中掩模版调制区域一致。

[0057] 提出的掩模版调制图案是灰度图，而受限于加工技术，掩模版承载的是由空间抖动算法生成的二值图。具体过程如图3所示，针对原始的空间分辨率为 像素的灰度图，首先通过双三次插值算法进行上采样，一个原始像素由 个上采样像素表示，得到空间分辨率为 的上采样灰度图。然后将Floyd‑Steinberg误差扩散抖动法应用与上采样灰度图得到二值分布的调制模式，实现全谱段范围内的连续的光场调控。

[0058] 如图4所示，设计覆盖紫外光‑可见光‑红外光的全谱段焦点探测器，全谱段焦点探测器靶面典型拼接单元个数是四个，由紫外、可见光、近红外和中红外波段点探测器单元拼接而成。也可以根据需要调整拼接单元的个数，增加覆盖波段。全谱段焦点探测器置于收集透镜后焦面上，利用后焦点的空间展宽，对掩模版调制后的光进行全谱段探测。

[0059] 围绕该系统框架，快速运动物体跟踪系统，包括以下编码、探测和重构过程：

[0060] 编码过程，即光场的调制过程。将物体成像到掩模版上。通过镜头将物体成像到掩模版上，目标物体的图像落在掩模版的编码区域内。由于掩模版的编码区域为正方形，因此物体像的边长尺寸应不大于掩模版编码区域的横向宽度。系统的四光路以视场中心为中心对称分布。系统中，光路偏离视场中心导致物体成像到掩模版上的位置偏离掩模版中心。

[0061] 为提高跟踪物体的精度，分别使第一掩模版 和第三掩模版 沿y方向对称分布，第二掩模版 和第四掩模版 沿x方向对称分布， 表示掩
模版调制图案的像素坐标，从而保证物体所处同一方向掩模版的区域互补。通过四光路掩模版进行结构光调制，系统实现了对物体图像的连续、同时的编码调制，调制速度无上限且没有运动模糊。

[0062] 光信号的探测与光电转换过程。使用透镜将光信号进行采集，选取透镜，使得经物体周期性调制后的光强信息会聚至全谱段焦点探测器的靶面上，探测器在全谱段范围内高速探测，将采集到光强信号转换为电流信号并输出，对信号进行模数转换，模数转换设备以固定的采样速率对输入的电流信号等间隔采样，将模拟信号转换为数字信号，实现全谱段范围的光信号探测。

[0063] 重构过程，包括系统标定、数据处理和计算重构过程。通过系统标定建立已知样本自发光运动物体实际位置与测量质心位置的映射关系表，通过查表法对待定位自发光运动物体的质心位置坐标进行修正。首先在掩模版上建立二维笛卡尔坐标系，由计算机控制自发光物体分别沿掩模版调制图案 和 由黑到白变化方向均匀移动81个位置；将探测器采集到的81组实验数据经模数转换输入到计算机，根据质心算法计算出每个样本自发光运动物体实际位置的测量质心位置；根据每个样本自发光运动物体实际位置对应的测量质心位置，采用插值算法建立样本自发光运动物体实际位置与测量质心位置的映射关系表，如图6所示。图5为本发明的系统标定过程示意图；图6为本发明的样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系示意图，图6中X表示水平方向预测质心位置和实际位置的对应关系，图6中Y表示竖直方向预测质心位置和实际位置的对应关系。

[0064] 针对未测量到的区域，采用线性差分算法评估掩模版调制效果，标定过程中测得相邻两点的实际位置与测量质心位置对应关系，两点之间的实际位置对应的质心位置通过插值算法得到，线性插值算法即将两点间的对应关系的变化视为线性变化，由测得的质心位置得到对应的实际位置，通过系统标定结果修正质心位置。将同时采集的数据带入积分公式，初步得到物体的原始质心位置。物体的质心位置与系统标定映射关系相结合，经过算法获取校正后的物体质心位置。校正后的物体质心位置与物体的实际位置对比，如图7所示。

[0065] 根据跟踪原理设计的掩模版调制图案是空间分辨率为 像素的灰度图，而在本发明中，使用光学掩模版作为调制器件，其灰度调制难度大，难以承载灰度调制图案。因此，采用空间抖动方法将调制图案从灰度图转换成二值图，过程如图3所示。针对原始的空间分辨率为 像素的灰度图，首先通过双三次插值算法进行上采样，一个原始像素由个上采样像素表示，得到空间分辨率为 的上采样灰度图。双三次插值是一种更加复杂的插值方式，它能创造出比双线性插值更平滑的图像边缘。在这种方法中，函数f在点 (x,y) 的值可以通过矩形网格中最近的十六个采样点的加权平均得到，在这里需要使用两个多项式插值三次函数，每个方向使用一个。然后通过Floyd‑Steinberg误差扩散抖动法以较少的灰度级，通过抖动来表示更大的灰度级范围，将上采样灰度图转化为二值分布的调制模式。Floyd‑Steinberg方法实际是一种误差抖动的方法，将本像素的颜色信息通过非均匀分布的量化误差抖动到周围的像素，意味着要先将中心像素四舍五入为0或1，而后将残差加入其周围的像素中。

[0066] 针对高速运动物体跟踪监测的重大需求和技术瓶颈问题，本发明研究一种基于掩模版的高速运动物体全波段跟踪方法，尝试在跟踪原理和模型等方面突破技术瓶颈，不获取目标场景图像的基础上实现对高速运动物体的实时定位跟踪，为高速运动物体的跟踪与检测提供一种新的研究思路及技术途径。

[0067] 采用掩模版空间调控的思想，通过多个掩模版同时对光场进行二维信息编码，构建了四光路的高速运动物体系统模型，通过理论分析，论证了基于结构光调制的运动物体跟踪检测方法的可行性。通过设计光电探测器，集合红外、可见光及紫外波段的探测器单元，实现全波段的跟踪定位。随后开展了基于空间光抖动方法的掩模版调制图案的设计，考虑到透镜渐晕效应、掩模版调制图案设计和光路等系统性误差对系统的影响，提出了系统标定方案，通过测定自发光物体的预测质心位置和实际位置建立对应关系表，针对未标定区域，通过插值算法进行评估。将由质心算法得到待定位自发光运动物体质心位置，与样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表相结合，得到修正后的质心位置，从而减少系统误差的影响，极大地提高了跟踪精度。该发明在原理上验证基于结构光调制的系统结构、检测速度、检测精度和光谱范围的优势。最后开展实验研究，通过实验验证系统方案的实时性及准确性等工作性能。

[0068] 使用掩模版作为调制器件，掩模版可实现宽谱段光场调制，并且突破了现有技术中DMD调制速度的限制，定位速度仅取决于探测器的采集光强值的速度，远远大于DMD的调制速度22kHz。

[0069] 使用全谱段焦点探测器，传统的光电探测器受限与谱段限制，仅能在特定波段范围内进行探测，而全谱段焦点探测器集成了紫外波段、可见光波段、红外波段点探测器单元，可在全谱段范围内进行探测。

[0070] 多光路探测器系统，四光路系统同时探测场景调制后的光强值，可在一次探测中实现运动物体的定位，不受运动模糊的影响，极大地提高了对运动物体定位的速度。

[0071] 系统标定过程，多光路系统受限与光路偏差、透镜渐晕效应和掩模版设计误差，对定位结果产生较大影响，通过系统标定过程建立自发光物体的预测质心位置和实际位置的对应关系表，对预测质心位置进行修正，提高定位精度。

[0072] 掩模版设计， 掩模版承载的调制图案是由空间抖动算法生成的二值图。该二值图由空间分辨率为 像素的灰度图经过上采样和误差抖动算法得到的空间分辨率为像素的二值图，一个原始像素由 个像素表示，从而表示除更大灰度等级的变化，提高了掩模版空间调控的精度，从而提高了运动物体定位的精确度。

[0073] 实施例二

[0074] 本实施例提供了基于掩模版空间调控的全谱段快速定位方法；

[0075] 基于掩模版空间调控的全谱段快速定位方法，采用实施例一所述的基于掩模版空间调控的全谱段快速定位系统，包括：

[0076] S201：获取样本自发光运动物体运动时的实际位置；在样本自发光运动物体运动过程中，采用掩模版对目标光场信息进行空间调控，采用探测器对空间调控后的光场进行全谱段探测，对调控效果进行标定，得到样本自发光运动物体的预测质心位置，构建样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表；

[0077] S202：在待定位自发光运动物体运动过程中，获取待定位自发光运动物体，经过掩模版调制后的光强值，采用质心算法对光强值进行处理，得到当前时刻待定位自发光运动物体的预测质心位置；

[0078] S203：采用样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，对待定位自发光运动物体的预测质心位置进行误差修正，得到待定位自发光运动物体的修正质心位置，进而得到待定位自发光运动物体的运动轨迹。

[0079] 进一步地，所述S201：获取样本自发光运动物体运动时的实际位置；在样本自发光运动物体运动过程中，采用掩模版对目标光场信息进行空间调控，采用探测器对空间调控后的光场进行全谱段探测，得到样本自发光运动物体的预测质心位置，构建样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系表，具体包括：

[0080] S201‑1：四条光路中的目标光场经过各自镜头成像到对应的掩模版上，由掩模版对目标光场进行二维信息调制，掩模版调制后的光经过透镜汇聚到透镜的后焦点；

[0081] S201‑2：位于透镜后焦点的探测器，对掩模版调制后的光进行全谱段探测；

[0082] S201‑3：在掩模版上建立二维笛卡尔坐标系，控制样本自发光运动物体沿着掩模版像素值由低到高的方向均匀移动Q个位置；Q为正整数；Q大于2；

[0083] S201‑4：根据探测器采集到的Q组实验数据，采用质心算法，计算出第i个位置处样本自发光运动物体的预测质心位置；

[0084] S201‑5：根据样本自发光运动物体第i个位置的预测质心位置和实际位置，构建样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的映射关系表。

[0085] 由探测器接收光强值并按顺序记录，场景调制后的光信号，最后通过质心算法，和样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的映射关系表，还原自发光运动物体的空间信息。

[0086] 进一步地，S201‑4：采用质心算法，计算出第i个位置处样本自发光运动物体的预测质心位置，具体包括：

[0087] 第i个位置处第j个掩模版的调制图案调制后探测器采集的光强值 表示为：

[0088]

[0089] 其中， 为目标场景的灰度分布函数， 为第i个位置处第j个掩模版调制图案的矩阵分布，体现了对场景 进行二维积分的结果，j为模式索引， 分别表示像素点的横坐标和纵坐标；

[0090] 掩模版对应的调制图案矩阵分布，分别如下所示：

[0091] ；

[0092] ；

[0093] ；

[0094] 其中， 表示第一个掩模版对应的调制图案矩阵分布， 表示第二个掩模版对应的调制图案矩阵分布； 为中间变量；

[0095] 四光路以视场中心为中心对称分布，与掩模版 和 对称分布的掩模版的调制函数表示为：

[0096] ；

[0097] ；

[0098] 其中， 表示第三个掩模版对应的调制图案矩阵分布， 表示第四个掩模版对应的调制图案矩阵分布；

[0099] 如果样本自发光运动物体沿着第一掩模版像素由低到高的方向移动，则样本自发光运动物体的预测质心位置表示为：

[0100] ；

[0101] ；

[0102] 其中， 表示 方向质心位置， 表示 方向的质心位置， 表示第一个掩模版调制后探测器接收到的光强值， 表示第二个掩模版调制后探测器接收到的光强值，表示是一个中间变量；

[0103] ， 为场景的总光强值。

[0104] 四光路以视场中心为中心对称分布，掩模版 和 、 和分别在横向和轴向上对称分布，以对称分布的两个掩模版调制光强值之和作为场景的总光强值，则质心位置表示为：

[0105] ；

[0106] ；

[0107] 其中， 表示 方向质心位置， 表示 方向的质心位置， 表示第一个掩模版调制后探测器接收到的光强值， 表示第二个掩模版调制后探测器接收到的光强值，表示第三个掩模版调制后探测器接收到的光强值， 表示第四个掩模版调制后探测器接收到的光强值。

[0108] 应理解地，对于一幅灰度图像，我们可以根据像素的坐标建立二维笛卡尔坐标系，那么可以用二维灰度密度函数来表示一副灰度图，因此可以通过二维积分的方法获取质心位置。针对目标场景，采用承载调制图案的掩模版对光场进行结构光调制，调制后的光强值由探测器采集，从而实现场景的积分过程。

[0109] 应理解地，设置四光路同时对场景进行结构光调制，在一次探测过程中即可获取运动物体的质心位置，消除了运动模糊的影响，实现了对运动物体的实时跟踪。考虑到透镜渐晕效应和光路偏差的影响，掩模版的调制效果存在误差，无法达到理想的效果，并且光路偏差导致掩模版上的像偏离中心位置，因此在系统中四光路以视场中心为中心对称分布，场景总光强分别由横向和轴向的对称分布的滤光片积分值之和表示，保证了对称光路的掩模版调制效果相同，极大地提高了质心位置的精确度。采用掩模版作为光场调控器件，可实现光场的连续实时地调制，调制速度无上限且谱段范围宽。

[0110] 进一步地，所述S202：在待定位自发光运动物体运动过程中，获取待定位自发光运动物体，经过掩模版调制后的光强值，具体计算步骤与S201‑4的具体计算步骤是一样的，此处不再赘述。

[0111] 进一步地，所述S202：采用质心算法对光强值进行处理，得到当前时刻待定位自发光运动物体的预测质心位置，具体计算步骤与S201‑5的具体计算步骤是一样的，此处不再赘述。

[0112] 进一步地，所述S203：采用样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系，对待定位自发光运动物体的预测质心位置进行误差修正，得到待定位自发光运动物体的修正质心位置，进而得到待定位自发光运动物体的运动轨迹，具体包括：

[0113] 根据查表法，依据待定位自发光运动物体的预测质心位置，从样本自发光运动物体实际位置与预测质心位置的对应关系中，查找到样本自发光运动物体实际位置，将样本自发光运动物体实际位置作为待定位自发光运动物体的修正质心位置，进而得到待定位自发光运动物体的运动轨迹。

[0114] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。