[發(fā)明專利]一種基于插值的光子計數(shù)非視域三維成像超分辨方法

在審

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• 申請日: 2021-01-19
• 公開（公告）號: CN112882057A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇秀琴;王定杰;郝偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G01S17/894
• 分類號: G01S17/894
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 汪海艷

本發(fā)明公開了一種基于插值的光子計數(shù)非視域三維成像超分辨方法。該方法包括以下兩個步驟：步驟一：對低分辨率的采集數(shù)據(jù)選擇合適的插值方法，完成數(shù)據(jù)插值，得到更新的采集數(shù)據(jù)；步驟二：根據(jù)非視域重建算法對更新后的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行反演重建，得到更高分辨率的三維圖像；該方法可以有效地解決基于光子計數(shù)技術(shù)的非視域成像系統(tǒng)在進(jìn)行高分辨率、高幀率成像時需要大量累積時間的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及非視域成像領(lǐng)域，具體地說是一種基于插值的光子計數(shù)非視域三維成像超分辨方法。

背景技術(shù)

隨著單光子探測技術(shù)的快速發(fā)展，利用時間相關(guān)光子計數(shù)(Time-correlatedSingle photoncounting,TCSPC)技術(shù)對非視域(Non-line-of-sight,NLOS)目標(biāo)進(jìn)行三維成像在近十年得到了快速的發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的光電探測手段，光子計數(shù)技術(shù)可探測的光電流強(qiáng)度比光電探測器本身在室溫下的熱噪聲水平還要低(10^-14W)，因此該技術(shù)特別適用于非視域成像、單光子成像這種極微弱光成像技術(shù)。然而，由于單光子探測器對單個回波光子的探測屬于概率探測，在這種探測體制下，單個脈沖的回波光子數(shù)往往小于1，因此常常需要大量的累積時間(脈沖數(shù))來獲取足夠豐富的目標(biāo)回波信息。對于采用單點(diǎn)式探測器的成像系統(tǒng)，其成像過程中單個像素累積脈沖數(shù)與成像分辨率和成像幀率的代數(shù)關(guān)系如下式所述：

式中，K代表掃描過程中單像素上的累積脈沖數(shù)，PRF代表脈沖激光器的重復(fù)頻率，S代表成像幀率(單位：幀/秒)，M×M代表成像分辨率，也即采樣點(diǎn)數(shù)。

由此可見，為了保證單個像素具有足夠的回波光子(即足夠的累積脈沖數(shù))，且需要保證較高的成像分辨率，就要極大降低成像幀率(即單幀圖像的成像時間大大加長)。例如文獻(xiàn)Lindell D B,Wetzstein G,O'Toole M.Wave-based non-line-of-sight imagingusing fast f-k migration[J].ACM Transactions on Graphics(TOG),2019,38(4):1-13.，Lindell D B等人開發(fā)的成像系統(tǒng)在室內(nèi)暗環(huán)境下展示了較低分辨率下的實(shí)時成像(64×64/2Hz；32×32/4Hz)，然而為了對室外場景中的目標(biāo)進(jìn)行128×128的三維成像，需要花費(fèi)50分鐘采集數(shù)據(jù)，其原因在于：一、作為一種極弱光成像，室外環(huán)境中極強(qiáng)的背景噪聲嚴(yán)重降低了信噪比，因此每個像素就需要大量的累計脈沖來提高回波信號的信噪比；二、高分辨率的成像意味著采樣點(diǎn)數(shù)的急劇增加，也即總的數(shù)據(jù)采集時間增加，其他類似典型案如文獻(xiàn)O'Toole M,Lindell D B,Wetzstein G.Confocal non-line-of-sight imagingbased on the light-cone transform[J].Nature,2018,555(7696):338-341與Liu X,Guillen I,La Manna M,et al.Non-line-of-sight imaging using phasor-fieldvirtual wave optics[J].Nature,2019,572(7771):620-623.。

針對這一問題，一種很好的解決方案采用面陣式單光子探測器，即通過一個尺寸為M×M的探測器陣列，通過一次照射，而不需要耗時長久的掃描過程，可以獲得同樣的成像分辨率。在已有的工作中，文獻(xiàn)Nam J H,Brandt E,Bauer S,et al.Real-time Non-line-of-Sight imaging of dynamic scenes[J].arXiv preprint arXiv:2010.12737,2020.采用16×1的陣列探測器，輔以特殊的掃描方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時級的非視域成像。然而受限于大尺寸陣列探測器的制造工藝和成本，采用這種方案進(jìn)行高分辨率、高幀率的非視域成像技術(shù)還有很大的困難。

發(fā)明內(nèi)容