[發(fā)明專利]基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數三維成像系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106772430B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發(fā)明（設計）人: 顧國華;王成;戴慧東;何偉基;葉凌;冒添逸;陳錢;姜睿妍;俞媛媛;葛雨涵
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

本發(fā)明公開了一種基于多分辨率小波逼近的單像素光子計數三維成像系統(tǒng)及方法，所述成像系統(tǒng)包括結構光投影系統(tǒng)、光子接收系統(tǒng)、同步控制及信號處理系統(tǒng)，采用了單像素光子探測器和數字微鏡器件組合的單光子相機結構對目標場景進行成像。根據多分辨率小波逼近原理，從初始分辨率圖像開始，逐漸獲取目標場景由低分辨率到高分辨率的細節(jié)信息，用于重構最終分辨率三維圖像。本發(fā)明有效減少了采樣次數，縮短了成像時間，適用于高分辨率三維成像應用；同時，避免了CS算法所需的計算開銷，減少了重構所需的時間；利用單像素光子探測器和DMD組合的單光子相機結構，減小了系統(tǒng)尺寸，簡化了系統(tǒng)結構，具有結構簡單、可靠性高、成本低的特點。

技術領域

本發(fā)明屬于光子計數三維成像技術領域，特別是一種使用單像素探測器的光子計數三維成像系統(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三維成像方法。

背景技術

光子計數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構信息，受到廣泛關注。

在光子計數三維成像中，系統(tǒng)通過測量光子從發(fā)射到經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構，CN201320519712.[2]一種時間分辨光子計數成像系統(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，結合目標相鄰像素的空間相關性，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，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。例如，Howland等人([4]G.A.Howland,P.B.Dixon,and J.C.Howell,Photon-countingcompressive 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)化問題重構圖像，計算開銷巨大，重構時間隨著成像分辨率而成指數增長，成像速度緩慢，不適用于實時應用場景。

發(fā)明內容

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三維成像系統(tǒng)及方法，解決傳統(tǒng)光子計數三維成像方法受限于空間分辨率、成像時間長的問題。