[發明專利]一種基于單光子探測的三維信息采集和重建方法

在審

• 申請號: 202110792694.7
• 申請日: 2021-07-14
• 公開（公告）號: CN115615349A
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 胡雪梅;常晨;倪思琪;岳濤
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01S17/08;G01S17/894
• 代理公司: 江蘇法德東恒律師事務所 32305
• 代理人: 李媛媛

本發明公開了一種基于單光子探測的三維信息采集和重建方法。該方法的具體步驟如下：(1)搭建皮秒級別時間分辨率的非視域成像系統；(2)皮秒激光器發射激光并由二維掃描振鏡投射到中繼面；(3)收光鏡頭收集到達中繼面探測區域中的所有光子并投射到空間光調制器上進行調制，單光子雪崩探測器和計數器檢測和記錄光子事件并由數據預處理得到三維光子瞬態圖τ′；(4)根據調制后的τ′恢復出完整的非共聚焦光子數據τ_recon；(5)將τ_recon利用NMO變換近似為共聚焦數據τ_{recon_conf}；(6)將τ_{recon_conf}利用共聚焦后向算法重建出包含隱藏場景表面反照率信息。利用本方法可將采集時間降低為原先的10％?20％。

技術領域

本發明涉及計算攝像學和圖像處理領域，尤其涉及一種基于單光子探測的三維信息采集和重建方法。

背景技術

實現對隱藏在可見視野之外場景的成像可以極大程度地拓展現有成像技術的成像邊界，在機器視覺、國防、遙感、醫學成像和自動駕駛等領域具有重要的研究意義和廣泛的應用價值。區別于傳統的成像技術，非視域(NLOS)成像技術通過采集場景的間接光傳輸成分和計算重建，獲取可視域范圍之外場景的信息。近十年來，非視域成像技術獲得了廣泛的關注并取得了階段性的進展，成像質量和計算重建速度在不斷提升。然而，信號采集時間長，不能實現實時非視域成像成為制約該成像技術的發展瓶頸。

另一方面，自2006年以來，壓縮感知在“探索信號的稀疏冗余機制、極大程度降低信號采集要求的同時，實現幾乎無損地重建信號”問題上提供了扎實的理論和方法依據，在生物、天文、醫療成像等領域得到了充分和廣泛的應用，為在保證重建效果的同時減少非視域成像的采集時間以期實現實時成像提供了借鑒和參考。因此，如何將壓縮感知應用于非視域成像是當前解決成像速度慢這一瓶頸問題的有益嘗試。

然而，壓縮感知雖然在二維場景中取得了不錯的效果，但對于非視域成像中的三維場景，如何處理深度信息尚未有很好的理論支持，并且從硬件的角度出發，相較于傳統的光子采集方式，空間光調制器和透鏡的使用涉及到一系列幾何光學知識，需要根據儀器的光學特性進行嚴謹的設計，這增加了壓縮感知在非視域成像中應用的成本。

發明內容

針對以上現有非視域成像方法中存在的問題與思考，本發明的目的在于提出一種基于單光子探測的三維信息采集和重建方法。

為達上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種基于單光子探測的三維信息采集和重建方法，包括如下步驟：

步驟1，基于光子飛行時間采集原理搭建皮秒級別時間分辨率的非視域成像系統，該系統包括皮秒激光器、二維掃描振鏡、收光鏡頭、空間光調制器、聚光透鏡、單光子雪崩探測器和時間相關光子時間統計計數器，其中皮秒激光器用于發射激光，二維掃描振鏡負責調控激光出射方向，收光鏡頭用于將攜帶時空信息的光子匯聚到空間光調制器進行調制，聚光透鏡用于匯聚調制后的光子輸送給單光子雪崩探測器；

步驟2，開啟皮秒激光器發射激光，二維掃描振鏡將激光投射到由漫反射平整白墻充當的中繼面，光子在中繼面和隱藏場景中發生多次反射；

步驟3，經過中繼面和隱藏場景的多次反射和衰減后，最開始發射的光子只有極少部分能夠回到中繼面探測區域，此時由收光鏡頭收集所有這些經多次反射后的光子，并投射到空間光調制器上，空間光調制器調制經收集透鏡聚焦之后的中繼面探測區域得到的光子信息，并最終由聚光透鏡匯聚調制后的信息輸送給單光子雪崩探測器記錄，時間相關光子時間統計計數器據此記錄光子事件并生成光子計數直方圖，經過數據預處理得到三維光子瞬態圖τ′；

步驟4，根據調制后的三維光子瞬態圖τ′壓縮恢復出包含所有光子信息的非共聚焦光子數據τ_recon；