本發(fā)明屬于散射介質(zhì)成像領(lǐng)域，具體說(shuō)是一種利用空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)基于相位多樣性的散射介質(zhì)成像方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的光學(xué)成像方法通常無(wú)法直接獲得隱藏在散射介質(zhì)后方的物體像，因此如何利用光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)穿透散射介質(zhì)對(duì)后方物體進(jìn)行成像，是長(zhǎng)久以來(lái)光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題。隨著研究的深入，人們陸續(xù)提出了許多實(shí)驗(yàn)方案，如經(jīng)典的鬼成像方法、散斑相關(guān)方法、波前校正方法等等。這些方法雖然在一定條件下可以得到較好的結(jié)果，但是都有其自身的局限性，并且這些方法都專注于如何成功地重建物體圖像，而忽略了獲得成像系統(tǒng)自身的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。1992年，paxman首次提出了相位多樣性理論。該理論主要是為了解決天文學(xué)中由于大氣擾動(dòng)而引起的成像質(zhì)量降低的問(wèn)題，受到了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的密切關(guān)注，其后許多基于該理論的實(shí)驗(yàn)方案被提出以解決相位畸變引起的成像問(wèn)題。2016年，這種理論被應(yīng)用到透過(guò)散射介質(zhì)進(jìn)行成像的實(shí)驗(yàn)研究中。其具體做法是：緊貼著散射介質(zhì)后表面放置一個(gè)孔徑光闌，通過(guò)縱向移動(dòng)相機(jī)的方式改變整個(gè)散射成像系統(tǒng)的孔徑函數(shù)；記錄多組相機(jī)移動(dòng)位置及其對(duì)應(yīng)的散斑圖像；然后在所記錄的多幀散斑圖像中心部位各自截取子散斑圖，并通過(guò)適當(dāng)算法從這些具有相位多樣性的子散斑圖中重建出物體信息。相比于其它透過(guò)散射介質(zhì)進(jìn)行成像的方法，這種基于相位多樣性的散射介質(zhì)成像方法不需要在目標(biāo)物體附近設(shè)置參考點(diǎn)，即可以實(shí)現(xiàn)非侵入式成像，并且由于獲得了成像系統(tǒng)的局部點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，只要散射介質(zhì)等條件沒(méi)有變化，如果后方目標(biāo)物體發(fā)生更換，都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的解卷積運(yùn)算從散斑圖中解出其像。然而這種方法也存在著明顯的缺點(diǎn)，比如縱向移動(dòng)相機(jī)雖然可以達(dá)到改變成像系統(tǒng)的孔徑函數(shù)的目的，但同時(shí)也會(huì)引入新的問(wèn)題，即散斑擴(kuò)散帶來(lái)的誤差。這導(dǎo)致了對(duì)于所得到的多幀散斑圖，只能在其中心部分截取子散斑圖用來(lái)重建目標(biāo)物體，且重建效果不佳。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是克服已有技術(shù)存在的不足，提出一種利用空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)基于相位多樣性的散射介質(zhì)成像方法，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，提高成像速度和成像質(zhì)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要裝置包括：非相干光源，準(zhǔn)直透鏡，目標(biāo)物體，散射介質(zhì)，孔徑光闌，空間光調(diào)制器和ccd相機(jī)；目標(biāo)物體的大小和位置必須滿足沒(méi)有超出散射介質(zhì)光學(xué)記憶效應(yīng)范圍的條件；光闌的孔徑大小決定了整個(gè)成像系統(tǒng)的主孔徑；空間光調(diào)制器用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)孔徑函數(shù)的相位函數(shù)；每次改變空間光調(diào)制器的相位控制矩陣后，拍攝一張相應(yīng)的散斑圖。

本發(fā)明所述的一種利用空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)基于相位多樣性的散射介質(zhì)成像方法，包括以下步驟：

(1)拍攝一張空間光調(diào)制器的相位控制矩陣全部為0，即沒(méi)有引入相位變化時(shí)的散斑圖；

(2)隨機(jī)改變空間光調(diào)制器的相位控制矩陣，并記錄其矩陣數(shù)據(jù)及相應(yīng)的散斑圖，多次重復(fù)此步驟，一般拍攝的散斑圖數(shù)量越多，重建目標(biāo)圖像的效果越好；

(3)確定一個(gè)合適的尺寸，然后按照該尺寸在多幀散斑圖上的某個(gè)固定位置截取子散斑圖；(4)將記錄的相位控制矩陣矩陣數(shù)據(jù)和子散斑圖輸入算法程序，重建出目標(biāo)物體圖。

其中，上述步驟(3)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(3a)確定一個(gè)尺寸，該尺寸要求不能小于目標(biāo)物體自相關(guān)圖像的大小；

(3b)在步驟(2)得到的多幀散斑圖上，按步驟(3a)確定的尺寸截取子散斑圖，要求在每一幀散斑圖上截取子散斑圖的位置都相同；

(3c)使用漢寧窗口對(duì)步驟(3b)所得到的多幅子散斑圖進(jìn)行空間濾波，以減少其邊界的不連續(xù)效應(yīng)。

上述步驟(4)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(4a)根據(jù)相位多樣性原理，由于目標(biāo)處于散射介質(zhì)的一個(gè)光學(xué)記憶效應(yīng)范圍內(nèi)，相機(jī)接收的散斑圖可表示為：

in(x)＝o(x)*hn(x)+wn(x)(1)

其中n表示得到的第n張散斑圖，o(x)為目標(biāo)物像，hn(x)為成像系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(psf)，wn(x)表示成像過(guò)程中引入的噪聲，此處假設(shè)其為加性高斯白噪聲，噪聲的方差為

hn(x)＝|f-1[|sn(u)|exp{i[φ(u)+θn(u)]}]|2(2)

公式(2)為系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)表達(dá)式，它是孔徑函數(shù)的反傅里葉變換的模的平方，其中，u表示像素到圖像中心的距離；孔徑函數(shù)的幅值|sn(u)|在孔徑之內(nèi)為1，其余部分為0；而其相位分為兩部分，θn(u)代表空間光調(diào)制器引入的已知的相位變化，φ(u)表示散射介質(zhì)引入的未知隨機(jī)相位，也就是需要求得的未知部分；

in(x)表示的相機(jī)接收的散斑圖，是一個(gè)具有正態(tài)概率密度分布的隨機(jī)變量，對(duì)散斑的所有像素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)之后，可以列出其概率密度函數(shù)：

忽略常數(shù)項(xiàng)和標(biāo)量因子，并利用帕斯瓦爾定理及卷積定理轉(zhuǎn)換到頻率域，最終得到求解隨機(jī)相位和目標(biāo)圖的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)：

式中in(u)，o(u)，hn(u)分別表示in(x)，o(x)和hn(x)的傅里葉變換；

(4b)根據(jù)最大似然估計(jì)原理，當(dāng)(4)式取最大值時(shí)φ(u)為最優(yōu)解；因此將步驟(2)中記錄的空間光調(diào)制器的相位控制矩陣數(shù)據(jù)，以及步驟(3)中得到的多幅經(jīng)濾波處理后的子散斑圖代入(4)式，使用最大似然估計(jì)法和擬牛頓算法等最優(yōu)化算法求解φ(u)的最優(yōu)解；

(4c)將步驟(4b)求得的φ(u)代入(5)式，重建出目標(biāo)圖像。

與其它透過(guò)散射介質(zhì)進(jìn)行成像的方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本方法不需要在目標(biāo)物附近設(shè)置參考點(diǎn)或參考物，屬于非侵入式成像方式；

(2)本方法使用空間光調(diào)制器調(diào)制系統(tǒng)的孔徑函數(shù)，相機(jī)位置不發(fā)生變化，也就不需要根據(jù)相機(jī)位置計(jì)算所引入的附加相位分布等環(huán)節(jié)，減少了計(jì)算量；

(3)由于相機(jī)位置不發(fā)生變化，孔徑函數(shù)的改變不會(huì)導(dǎo)致散斑擴(kuò)散及其帶來(lái)的誤差；

(4)在多幀散斑圖上截取子散斑圖的位置可以任意選取，并且重建圖的效果更好。

附圖說(shuō)明

附圖1為本發(fā)明方法的系統(tǒng)原理圖，圖中標(biāo)號(hào)分別代表：1非相干光源，2準(zhǔn)直透鏡，3目標(biāo)物體，4散射介質(zhì)，5孔徑光闌，6空間光調(diào)制器，7ccd相機(jī)。

附圖2為本發(fā)明方法一實(shí)例使用的目標(biāo)原圖。

附圖3為本發(fā)明方法一實(shí)例中ccd相機(jī)記錄的一張散斑圖。

附圖4為本發(fā)明一實(shí)例中的散斑圖，白色方框指出實(shí)例中子散斑圖的截取位置。

附圖5為本發(fā)明一實(shí)例中的子散斑圖示例。

附圖6為本發(fā)明一實(shí)例中的4張重建圖。

上述圖5中圖示編號(hào)如下：

(a)截取位置為圖3方框1位置處的20張子散斑圖中的一張；

(b)截取位置為圖3方框2位置處的20張子散斑圖中的一張；

(c)截取位置為圖3方框3位置處的20張子散斑圖中的一張；

(d)截取位置為圖3方框4位置處的20張子散斑圖中的一張。

上述圖6中圖示編號(hào)為：

(a)利用截取位置在圖3方框1處的20張子散斑圖所得的重建圖；

(b)利用截取位置為圖3方框2處的20張子散斑圖所得的重建圖；

(c)利用截取位置為圖3方框3處的20張子散斑圖所得的重建圖；

(d)利用截取位置為圖3方框4處的20張子散斑圖所得的重建圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，對(duì)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)行描述。

本例中成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，使用1張80*80像素的圖像(字母z)作為目標(biāo)圖像，見(jiàn)圖2；整個(gè)過(guò)程在matlab2016a環(huán)境下模擬實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程步驟如下：

(a)將圖2輸入matlab模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，多次改變空間光調(diào)制器的相位控制矩陣，得到20幀散斑圖(2400*2400像素)，圖3為其中1幀散斑圖；

(b)在得到的20幀散斑圖上白色方框1位置截取子散斑圖，并對(duì)子散斑圖使用漢寧窗口空間濾波，如圖4所示；然后類似地，分別在白色方框2、3、4位置截取子散斑圖，并進(jìn)行空間濾波處理；最后得到4組不同截取位置的子散斑圖，每組有20幅子散斑圖像；附圖5分別為4組子散斑圖中的其中一張；

(c)將第一組子散斑圖輸入步驟(4)中所介紹的重建算法程序，重建出第一張重建圖；隨后依次將其他三組子散斑圖輸入重建算法，分別得到另外三張重建圖，如附圖6所示。

圖6列出了重建出的四張圖像，可以看出經(jīng)過(guò)本發(fā)明方法所重建出的圖像的質(zhì)量，與子散斑圖的截取位置沒(méi)有關(guān)系，這意味著在散斑圖上截取子散斑圖的位置可以任意選定，而不是像以往方法那樣必須選擇在散斑圖像的中心部分。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的透过散射介质的成像matlab,利用空间光调制器实现基于相位多样性的散射介质成像的制作方法...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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