[發明專利]一種高采樣效率的傅里葉單像素成像方法

有效

• 申請號: 202110323806.4
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113114882B
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 張子邦;鐘金鋼;邱子恒
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: H04N23/50
• 分類號: H04N23/50;H04N23/80
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 鄭浦娟

1.一種高采樣效率的傅里葉單像素成像方法，其特征在于，首先，對目標場景圖像的傅里葉譜進行非均勻密度采樣，采樣密度相對于傅里葉系數的重要性的關系符合函數分布；然后，利用被采樣的傅里葉系數進行空間光調制，產生對應的結構光；接著將結構光投射到目標場景，之后再進行結構光探測以及重建算法處理，最終重建出目標場景圖像；

對目標場景圖像的傅里葉譜進行非均勻密度采樣的過程如下：

(1)先根據所需成像分辨率的大小A×B，將多張彩色自然圖像裁剪成分辨率為A×B的彩色圖像，然后將這些彩色圖像轉換成灰度圖像，接著對這些灰度圖像進行二維傅里葉變換得到多張傅里葉譜；

(2)將這些傅里葉譜疊加起來得到一張總的傅里葉譜，傅里葉系數個數為A×B，傅里葉系數幅值大的代表其重要性高，傅里葉系數幅值小的代表其重要性低；實值圖像的傅里葉譜具有共軛對稱性，所以只需要選擇對稱的其中一塊區域，該區域內有P個傅里葉系數，對該區域內的所有傅里葉系數按照傅里葉系數幅值大小進行降序排序，從而得到一個重要性降序排列向量，便于之后對重要性高的傅里葉系數實施高概率采樣，對重要性低的傅里葉系數實施低概率采樣；

(3)指定采樣率，生成一個離散高斯函數：

其中，k＝0,1,2,...,P-1，對應各個傅里葉系數在重要性降序排列向量中的位置；g(k)表示第k個傅里葉系數對應的高斯函數值，所以生成的高斯函數的離散點數與重要性降序排列向量的大小一致；σ是標準差，其值取決于采樣率η，當采樣率小于50％的時候，σ與η存在如下函數關系：

σ＝(2η)²/π；

高斯函數的值域范圍為(0,1]；

(4)生成一個與重要性降序排列向量大小一致的隨機數向量r(k)，該隨機數向量中每個隨機數的范圍為[0,1]，將該隨機數向量與高斯函數進行比較，如果g(k)＞r(k)，那么在重要性降序排列向量中對應的第k個傅里葉系數就會被采樣，由此最終得到一個高斯采樣路徑，該路徑中所包含的傅里葉系數個數為M。

2.根據權利要求1所述的傅里葉單像素成像方法，其特征在于，傅里葉譜的采樣密度相對于傅里葉系數的重要性服從一維高斯函數分布，即對重要性高的傅里葉系數實施高概率采樣，對重要性低的傅里葉系數實施低概率采樣。

3.根據權利要求1所述的傅里葉單像素成像方法，其特征在于，傅里葉系數的重要性高低取決于傅里葉系數的幅值，幅值越大則重要性越高，幅值越小則重要性越低。

4.根據權利要求1所述的傅里葉單像素成像方法，其特征在于，每個被采樣的傅里葉系數都對應一組N張正弦條紋圖案，組內的正弦條紋圖案具有相同的空間頻率(f_x,f_y)但不同的相位其中，第i張正弦條紋圖案的初相位為

利用被采樣的傅里葉系數進行空間光調制的過程如下：

利用空間光調制器按照重要性降序排列向量中傅里葉系數的排列順序以及每組正弦條紋圖案的初相位從小到大的順序來顯示所生成的正弦條紋圖案，令照明光源的照明光投射于空間光調制器，此時利用空間光調制器對照明光源產生的照明光場進行調制，產生含有正弦條紋圖案的結構光。

5.根據權利要求4所述的傅里葉單像素成像方法，其特征在于，空間光調制器采用N步相移法產生一套大小為A×B像素，空間頻率為(f_x,f_y)，初相位為的正弦條紋圖案，其中，第i張正弦條紋圖案的初相位為i＝1,2,...,N，N≥3；

結構光中的正弦條紋圖案的生成過程如下：

根據不同的初相位，利用如下公式生成每個傅里葉系數對應空間頻率(f_x,f_y)的多灰度級的正弦條紋圖案

然后利用Floyd-Steinberg誤差擴散二值化算法對所得正弦條紋圖案進行二值化，最終生成的一套正弦條紋圖案，一共有M×N張圖案，坐標x、y完成歸一化，坐標取值范圍為[0,1]。