本發(fā)明屬于光子計數(shù)三維成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種使用單像素探測器的光子計數(shù)三維成像系統(tǒng)，以及應用于該系統(tǒng)的基于多分辨率小波逼近的光子計數(shù)三維成像方法。

背景技術(shù)：

光子計數(shù)三維成像具有探測靈敏度高、距離分辨率高的特點，可在極暗光照條件下獲得目標場景反射率和三維結(jié)構(gòu)信息，受到廣泛關(guān)注。

在光子計數(shù)三維成像中，系統(tǒng)通過測量光子從發(fā)射到經(jīng)目標場景反射被單光子探測器接收的飛行時間獲得距離信息。目前，傳統(tǒng)的光子計數(shù)三維成像系統(tǒng)可以達到亞毫米級的距離了分辨率，但是由于受限于其單點掃描成像機制，獲得高空間分辨率需要很長的成像時間([1]卡塞格林式激光雷達結(jié)構(gòu)，CN201320519712.[2]一種時間分辨光子計數(shù)成像系統(tǒng)及方法，CN201110152839.3)。

目前，為解決上述問題，已知有兩種技術(shù)途徑。一種方法仍然采用單點掃描成像機制，在成像所需測量次數(shù)不變的情況下，通過優(yōu)化測量過程，減少單點的測量時間，從而減少成像時間。例如，Ahmed Kirmani等人提出的首光子成像方法([3]Ahmed kirmani,et al,First-Photon Imaging,Science,2014,vol.343,pp:58-61.)，通過建立單光子探測過程的概率統(tǒng)計模型，結(jié)合目標相鄰像素的空間相關(guān)性，利用第一個探測到的回波光子信息，獲取目標的三維信息。另一種方法使用單像素相機架構(gòu)，其中點探測器選用具有單光子靈敏度的蓋革模式雪崩二極管(Geiger-mode avalanche photoelectric diodes,GM-APD)或光電倍增管(photomultiplier tube,PMT)。這種方法利用目標場景強度圖像的稀疏性，通過壓縮感知(Compressed Sensing，CS)算法獲取目標空間信息，極大地減少了成像所需測量次數(shù)。例如，Howland等人([4]G.A.Howland,P.B.Dixon,and J.C.Howell,Photon-counting compressive sensing laser radar for 3D imaging,Appl.Opt.50,5917-5920,2011.)通過將CS算法和單像素探測器相結(jié)合獲取目標場景空間信息，并使用距離門控獲取距離信息。此外，中國科學院上海技術(shù)物理研究所的馬彥鵬等人研制了基于壓縮感知的激光雷達成像系統(tǒng)([5]一種基于壓縮感知的激光雷達成像系統(tǒng)CN201410403458.1)。

第一種方法在目標場景的低反射區(qū)域，特別是邊緣細節(jié)部分成像不準確，容易出現(xiàn)平滑現(xiàn)象。這兩種技術(shù)途徑均需要較復雜的后續(xù)算法處理，尤其是第二種基于CS的方法需要迭代計算解最優(yōu)化問題重構(gòu)圖像，計算開銷巨大，重構(gòu)時間隨著成像分辨率而成指數(shù)增長，成像速度緩慢，不適用于實時應用場景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種快速、準確、高分辨率的基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數(shù)三維成像系統(tǒng)及方法，解決傳統(tǒng)光子計數(shù)三維成像方法受限于空間分辨率、成像時間長的問題。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數(shù)三維成像系統(tǒng)及其方法，由結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)、光子接收系統(tǒng)、同步控制及信號處理系統(tǒng)構(gòu)成三維成像系統(tǒng)，所述結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)包括激光光源、擴束鏡、數(shù)字微鏡器件DMD以及投影透鏡；光子接收系統(tǒng)包括窄帶濾光片、成像透鏡以及光電倍增管PMT；同步控制及信號處理系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、時間相關(guān)單光子模塊TCSPC以及計算機PC；

所述信號發(fā)生器生成同步脈沖，驅(qū)動激光光源發(fā)出脈沖激光，經(jīng)擴束鏡擴束，照亮DMD微鏡平面；根據(jù)PC生成的調(diào)制圖案，DMD對脈沖激光進行空間調(diào)制，經(jīng)投影透鏡照射目標場景；目標場景反射光子經(jīng)窄帶濾光片濾除雜散光后，經(jīng)成像透鏡收集，由PMT測量得到光子探測信號；TCSPC將信號發(fā)生器輸出的激光器發(fā)射信號與PMT光子探測信號相關(guān)聯(lián)得到該脈沖的光子飛行時間TOF。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：(1)與傳統(tǒng)光子計數(shù)三維成像方法相比，本發(fā)明采用的多分辨率小波逼近方法自適應采集目標場景重要信息，有效減少了測量次數(shù)，縮短了成像時間，適用于高分辨率三維成像應用。(2)與現(xiàn)有的基于CS的光子計數(shù)三維成像方法相比，本發(fā)明避免了CS算法所需的計算開銷，減少了重構(gòu)所需的時間。(3)本發(fā)明減小了系統(tǒng)尺寸，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低的特點。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數(shù)三維成像系統(tǒng)示意圖，包括超短脈沖激光光源(圖1(a))、擴束鏡(圖1(b))、數(shù)字微鏡器件(圖1(c))、投影透鏡的投影鏡頭(圖1(d))、窄帶濾光片(圖1(e))、成像透鏡(圖1(f))、光電倍增管(圖1(g))、信號發(fā)生器(圖1(h))、時間相關(guān)單光子模塊(圖1(i))以及計算機(圖1(j))。

圖2是擴展小波樹的結(jié)構(gòu)示意圖，數(shù)字64、128、256/512代表四個分辨率，箭頭表示小波系數(shù)相關(guān)性。擴展小波樹結(jié)構(gòu)是一種小波分解提供的一種多分辨率的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，不同分辨率對應相同空間區(qū)域的小波系數(shù)之間具有相關(guān)性。本發(fā)明所述基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數(shù)三維成像方法利用了擴展小波樹結(jié)構(gòu)，由以獲取的上一分辨率重要系數(shù)位置估計當前分辨率所需采樣的重要系數(shù)位置，從而生成所需的DMD調(diào)制圖案。

圖3是本發(fā)明基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數(shù)三維成像方法中某一分辨率的流程圖，其中，圖3(a)是結(jié)構(gòu)光投影脈沖，圖3(b)是目標場景反射光子，圖3(c)是光子計數(shù)直方圖，圖3(d)是小波系數(shù)立方，圖3(e)是圖像立方，圖3(f)是像素飛行時間直方圖，圖3(g)和圖3(h)分別是當前分辨率深度圖像和強度圖像。圖3描述了由已獲取的上一分辨率深度圖像小波系數(shù)估計當前重要小波系數(shù)位置，生成DMD調(diào)制圖案，得到當前分辨率深度圖像與強度圖像，并估計下一分辨重要小波系數(shù)位置的多分辨率小波逼近過程。

圖4是本發(fā)明基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數(shù)三維成像系統(tǒng)及方法的成像結(jié)果，以及與文獻[4]方法得到的結(jié)果的比較圖。圖4(a)是目標場景照片，圖4(b)和圖4(c)分別是采樣率為5％時使用本發(fā)明所述的系統(tǒng)和方法得到的強度圖像和深度圖像，圖4(d)和圖4(e)是文獻[4]方法得當?shù)膹姸葓D像和深度圖像。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數(shù)三維成像系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)、光子接收系統(tǒng)、同步控制及信號處理系統(tǒng)構(gòu)成，所述結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)包括激光光源(圖1(a))、擴束鏡(圖1(b))、數(shù)字微鏡器件(digital micromirror device,DMD)(圖1(c))以及投影透鏡(圖1(d))，其中脈沖激光經(jīng)擴束后由DMD進行空間調(diào)制，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光投影。光子接收系統(tǒng)包括窄帶濾光片(圖1(e))、成像透鏡(圖1(f))以及單像素光子計數(shù)型的光電倍增管(photomultiplier tube，PMT)(圖1(g))，其中回波光子由PMT測量，得到光子探測信號，窄帶濾光片的作用是阻擋雜散光，提高接收信噪比。同步控制及信號處理系統(tǒng)包括信號發(fā)生器(圖1(h))、時間相關(guān)單光子模塊(time-corrected single-photon counting，TCSPC)(圖1(i))以及計算機(personal computer,PC)(圖1(j))，其中信號發(fā)生器生成激光器驅(qū)動脈沖，TCSPC將激光器發(fā)射信號與PMT光子探測信號相關(guān)聯(lián)得到光子飛行時間(time-of-flight，TOF)，PC將一段時間內(nèi)的TOF綜合得到光子計數(shù)直方圖，用于三維圖像重建。

本發(fā)明基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數(shù)三維成像系統(tǒng)中，對于一次測量，信號發(fā)生器生成同步脈沖，驅(qū)動激光光源發(fā)出脈沖激光，經(jīng)擴束鏡擴束，照亮DMD微鏡平面；根據(jù)PC生成的調(diào)制圖案，DMD對脈沖激光進行空間調(diào)制，經(jīng)投影透鏡照射目標場景；目標場景反射光子經(jīng)窄帶濾光片濾除雜散光后，經(jīng)成像透鏡收集，由PMT測量得到光子探測信號；TCSPC將信號發(fā)生器輸出的激光器發(fā)射信號與PMT光子探測信號相關(guān)聯(lián)得到該脈沖的光子飛行時間(time-of-flight,TOF)。上述測量過程持續(xù)一段時間，稱為積分時間，得到多個脈沖的TOF，PC將積分時間內(nèi)的TOF累計得到本次測量的光子計數(shù)直方圖。對目標場景的測量由多次測量組成，根據(jù)這些測量結(jié)果，重建目標場景三維信息。

本發(fā)明基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數(shù)三維成像方法，從初始分辨率圖像開始，利用多分辨率小波逼近逐漸獲取目標場景由低分辨率到高分辨率的細節(jié)信息，用于重構(gòu)最終分辨率三維圖像，具體步驟如下：

第一步，DMD使用掃描調(diào)制圖案，對目標場景進行逐點掃描。根據(jù)逐點掃描機制原理，掃描所需DMD調(diào)制圖案個數(shù)與初始分辨率圖像像素數(shù)相同，并且，每個DMD調(diào)制圖案積分時間光子計數(shù)直方圖記錄了到達該像素的光子的飛行時間，該像素的深度值即為光子計數(shù)直方圖最大值位置對應深度，強度值即為光子計數(shù)直方圖的平均值，從而得到初始分辨率深度圖像和強度圖像。

第二步，由于深度圖像比強度圖像在小波域中更加稀疏，將上一分辨率的深度圖像作為當前分辨率重要小波系數(shù)位置估計的依據(jù)，以減少所需采樣次數(shù)。具體地，首先對上一分辨率深度圖像進行單層小波分解，得到其小波系數(shù)矩陣。然后，根據(jù)擴展小波樹結(jié)構(gòu)(圖2)中相鄰分辨率對應相同空間位置的小波系數(shù)間的相關(guān)性，由上一分辨率深度小波系數(shù)矩陣中重要小波系數(shù)位置估計當前分辨率需要采集的重要小波系數(shù)的位置。

第二步中所述重要小波系數(shù)，指的是對應圖像邊緣、紋理等重要信息的絕對值較大的小波系數(shù)，只占自然圖像小波系數(shù)矩陣中很少一部分。使用少量重要小波系數(shù)可以在不改變視覺質(zhì)量的前提下重建圖像。這個原理已廣泛應用于圖像和視頻壓縮算法，如JPEG2000。小波分解提供了一種分層的多分辨率圖像數(shù)據(jù)表示結(jié)構(gòu)，稱為小波樹結(jié)構(gòu)。小波樹相鄰分辨率對應相同空間位置的小波系數(shù)具有相關(guān)性，如果某一低分辨率的小波系數(shù)是重要小波系數(shù)，其相鄰高分辨率對應空間位置的小波系數(shù)也有很大可能是重要小波系數(shù)。戴慧東等人將同一分辨率小波系數(shù)相關(guān)性加入小波樹，構(gòu)成擴展小波樹結(jié)構(gòu)(具體可參加文獻[6]，H.Dai,et al.Adaptive compressed sampling based on extended wavelet trees.2014,Applied Optics 53(29):6619-6628.)，如圖2所示。

第三步，根據(jù)第二步估計結(jié)果，對當前分辨率每個重要小波系數(shù)生成兩個對應小波基調(diào)制圖案，并由DMD使用這些調(diào)制圖案對脈沖激光進行調(diào)制，構(gòu)成結(jié)構(gòu)光(圖3(a))，對目標場景進行探測。目標場景反射的光子由成像透鏡收集，被PMT記錄(圖3(b))。TCSPC將信號發(fā)生器輸出的激光器發(fā)射信號與PMT光子探測信號相關(guān)聯(lián)得到該脈沖的光子飛行時間。對每個DMD調(diào)制圖案積分時間內(nèi)光子飛行時間進行累計，得到一組光子計數(shù)直方圖對(圖3(c))。將直方圖時間軸均勻離散為多個時間點，并計算各個時間點的深度，對于每個深度，將計算得到的當前分辨率重要小波系數(shù)與上一分辨率小波系數(shù)相結(jié)合，得到該位置的小波系數(shù)逼近結(jié)果，再綜合各個深度，得到小波系數(shù)立方(圖3(d))，再通過分別對每個深度的小波系數(shù)矩陣做小波逆變換，得到圖像立方(圖3(e))，提取每個像素的光子飛行時間直方圖(圖3(f))，直方圖最大值位置對應深度即為該像素的深度值，光子計數(shù)直方圖的平均值即為該像素的強度值，從而得到當前分辨率深度圖像(圖3(g))和強度圖像(圖3(h))。

第三步中所述由重要小波系數(shù)位置生成DMD調(diào)制圖案，構(gòu)成結(jié)構(gòu)光，以及由結(jié)構(gòu)光測量結(jié)果重建深度圖像和強度圖像的方法如下：

以常見的Haar小波為例，任一Haar小波水平子帶系數(shù)可由表示為：

式中，f表示最終分辨率圖像，x₁,x₂是圖像像素索引，j是小波尺度(決定了該系數(shù)的分辨率)，k＝(k₁,k₂)是該系數(shù)在系數(shù)矩陣中的位置，e表示三種小波子帶系數(shù)類型：水平子帶系數(shù)(e＝1)、垂直子帶系數(shù)(e＝2)以及對角子帶系數(shù)(e＝3)。公式(1)中，兩個空間域積分對應兩個小波基圖案。因此，在多分辨率小波逼近中，任一小波系數(shù)可由兩次結(jié)構(gòu)光測量結(jié)果計算得到，其中DMD調(diào)制圖案為構(gòu)成該系數(shù)的小波基圖案。公式(1)的結(jié)論可以推廣到垂直子帶系數(shù)和對角子帶系數(shù)。

第四步，重復第二步和第三步，獲取更高分辨率三維圖像，直到獲得最終分辨率三維圖像。

實施例

本發(fā)明基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數(shù)三維成像系統(tǒng)選用PicoQuant公司LDH系列830nm波長脈沖激光器作為結(jié)構(gòu)光光源，具有4mW平均發(fā)射功率、10MHz脈沖重復頻率以及300ps脈沖寬度。所用DMD是Vialux ALP 4.2系列，具有1024×768分辨率和4G片上內(nèi)存，微鏡最高翻轉(zhuǎn)頻率約為22.7kHz。本實施例中，積分時間設(shè)置為1ms。投影透鏡的投影鏡頭和成像透鏡分別選用50mm和35mm尼康標準鏡頭。單光子探測器選用濱松H7422P-50光子計數(shù)型PMT。窄帶濾光片透過波長寬度為10nm。TCSPC為PicoQuant公司的PicoHarp300。

如圖4(a)所示，目標場景是由字母“NJ”、“U”、“ST”硬紙板，以及黑色橡膠墊背景組成的，各個字母硬紙板尺寸如圖4(a)中的標注所示。目標物放在距離本發(fā)明所述系統(tǒng)1.5～1.8m范圍內(nèi)。本次測量中，采樣率設(shè)為全部像素(512×512)的5％。

首先，通過DMD使用掃描調(diào)制圖案，獲得64×64分辨率的初始分辨率深度圖像和強度圖像。

然后，根據(jù)擴展小波樹結(jié)構(gòu)，由該深度圖像小波系數(shù)估計128×128分辨率重要小波系數(shù)位置，生成一組DMD調(diào)制圖案，對目標場景進行測量。經(jīng)目標場景反射的光子由成像透鏡收集，被PMT記錄，平均接收功率為0.125pW。TCSPC將發(fā)生脈沖與接收脈沖相關(guān)，記錄每個DMD調(diào)制圖案積分時間內(nèi)的光子飛行時間，并綜合成光子計數(shù)直方圖。經(jīng)深度離散，小波系數(shù)矩陣計數(shù)，小波逆變換得到空間分辨率為128×128的圖像立方。對于每個空間像素，提取其距離軸信息，找出該像素的深度值和強度值，得到128×128分辨率的強度圖像和深度圖像。

接下來，利用多分辨率小波逼近，依次獲取128×128、256×256分辨率三維圖像，直至最終獲取如圖4(b)和圖4(c)所示的512×512分辨率強度圖像和深度圖像。圖4(d)和圖4(e)是文獻[4]所提出的方法在5％采樣率下的重建結(jié)果?？梢钥闯?，本發(fā)明得到的強度圖像和深度圖像的質(zhì)量均優(yōu)于文獻[4]等現(xiàn)有技術(shù)所提出的方法。此外，本發(fā)明方法三維圖像重建用時17.5秒，而文獻[4]的方法重建用時超過了20分鐘。