单像素成像性能比较和图像重建算法优化研究

• 作 者: 陆天傲
• 出 处: 暨南大学
• 发表日期: 2020年01期

单像素成像是一种新颖的计算成像方法,可使用没有空间分辨能力的光电探测器并通过数值计算来进行成像。单像素成像的核心是通过空间光调制器将目标物体的二维或三维空间信息编码为一维光信号,然后对获取的光信号进行解码以重建图像。单像素成像的成像机理有望解决传统成像难以解决的问题,如在非可见光波段、弱光条件下成像或通过混浊介质成像等。因此,单像素成像已成为光学成像领域关注的热点之一。最近几年,已有多种单像素成像方案被提出,其中使用较为广泛的方案包括计算鬼成像、压缩感知单像素成像、哈达玛单像素成像、标准傅里叶单像素成像和二值化基底图案傅里叶单像素成像。这些成像方案显示出不同的成像特点、适用范围和各自的优缺点。因此,本论文系统性地对这几类单像素成像方案的成像性能进行比较研究,并提出了一种单像素成像图像重建算法优化方案。本论文首先详细地介绍了这五种典型的单像素成像方法的原理。基于空间光调制技术的单像素成像过程可分为数据获取阶段和图像重建阶段。数据获取阶段,即按某顺序投影结构光图案,获取编码后的一维光信号;图像重建阶段,即根据结构光图案和一维光信号,通过某重建算法重建图像。这些单像素成像方法的区别在于采用的结构光图案、结构光图案的投影顺序和重建算法。本论文还具体分析了五种典型单像素成像方法的共同性和差异性、优点和缺点,通过无噪仿真、有噪仿真和实验,从成像效率和抗噪声性能等方面对它们进行综合比较。无噪仿真和实验说明二值化三步相移傅里叶单像素成像具有最高的数据获取效率,计算鬼成像的数据获取效率最低;计算鬼成像重建图像的速度最快,压缩感知单像素成像重建图像的速度最慢。有噪仿真和实验说明哈达玛单像素成像在大多数噪声环境下的成像质量最高,压缩感知单像素成像的成像质量仅好于计算鬼成像。上述几方面比较的结果可为在特定应用场合选取合适的单像素成像方法提供参考。通过深入研究分析五种典型单像素成像方法,本论文还提出了一种较现有方法具有更高成像效率和噪声健壮性的单像素成像方法:基于三步相移傅里叶基底图案的压缩感知单像素成像。该方法以正交基底图案作为结构光图案,压缩感知作为重建算法,相较压缩感知单像素成像和基扫描单像素成像,成像质量更高,抗噪声性能更强。与二值化三步相移傅里叶单像素成像相比,该方法不需要对基底图案进行上采样,从而避免了对空间光调制器分辨率的浪费。此外,该成像方法的抗噪声性能也优于二值化三步相移傅里叶单像素成像。因此,该成像方法能有效提升单像素成像的成像效率和噪声健壮性,促进单像素成像的应用,在单像素成像领域可发挥重要作用。