[發明專利]散射瞬態圖像采集系統和瞬態圖像校正方法

在審

• 申請號: 202210432996.8
• 申請日: 2022-04-24
• 公開（公告）號: CN114820362A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 金欣;杜東宇
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

本發明公開一種散射瞬態圖像采集系統和瞬態圖像校正方法，包括主動光源、超快探測器、光路設計裝置、信號整形裝置、掃描裝置、采集控制裝置、計算機裝置、散射介質和成像目標；光路設計裝置用來對主動光源和超快探測器進行光路位置排布；主動光源用于發射主動光子；超快探測器用來記錄光子的飛行時間；信號整形裝置用于將帶噪信號整形為標準信號；掃描裝置用于掃描整個散射場景；采集控制裝置用于協調控制系統各部件以完成整個采集流程；計算機裝置用于編寫程序、進行數據校正及實現場景重建；散射介質會對光子進行非線性地反射、折射和衰減；成像目標是待重建的目標物體。本發明能夠同時采集散射場景的空域和時域信息并對采集圖像進行精確校準。

技術領域

本發明涉及計算機成像學領域，特別是涉及一種散射瞬態圖像采集系統和瞬態圖像校正方法。

背景技術

自然界中的散射介質會擾亂場景中光線的傳播，同時也會衰減光線的強度，改變了光線原本攜帶的場景中目標物體的信息，給人類的觀測帶來挑戰。例如，濃霧降低了駕駛員的可視范圍，給霧霾天氣下的交通運輸帶來挑戰；渾濁海水降低了水下機器人的可視能力，給深海科考探測帶來挑戰；濃煙降低了消防人員的可視能力，給被困人員的搜索救援帶來挑戰。一種可工作于強散射環境下的成像系統能夠透過散射介質，清晰重建目標信息，有助于霧霾天氣下的交通運輸、渾濁深海中的科考探測及濃煙環境下被困人員的搜索救援等應用。

現有的散射成像系統大多數拍攝場景中的二維強度圖像，通過利用圖像中的局部空域特征或增強圖像的對比度來重建散射場景。然而這種方法由于只利用了光子的局部空域信息，因此，只能重建場景的二維圖像，且重建精度較低。瞬態圖像包含了光子的空域信息和時域信息，能夠為散射重建提供更高維度的數據，然而獲取可用于散射重建的空時瞬態圖像需要多個系統部件間嚴格的同步協調機制，以及對原始采集數據進行復雜預處理與時域校正。現有技術中缺乏一種適用于散射環境的瞬態圖像采集系統和圖像校準方法。

發明內容

為了彌補上述現有技術的不足，本發明提出一種散射瞬態圖像采集系統和瞬態圖像校正方法，以解決無法同時采集場景空域和時域信息及采集的散射場景瞬態圖像不準確的問題。

本發明的技術問題通過以下的技術方案予以解決：

一種散射瞬態圖像采集系統，包括主動光源、超快探測器、光路設計裝置、信號整形裝置、掃描裝置、采集控制裝置、計算機裝置、散射介質和成像目標；所述光路設計裝置包括共焦式光路架構和非共焦式光路架構，其連接了掃描裝置和超快探測器，用來對主動光源和超快探測器進行光路位置排布；所述主動光源用于向場景中發射主動光子；所述超快探測器用來記錄所采集光子的飛行時間；所述信號整形裝置位于主動光源和超快探測器之間，用于將帶噪信號整形為標準信號；所述掃描裝置位于采集控制裝置、光路設計裝置和散射介質三者之間，用于控制由主動光源發出光線的方向，進而掃描整個散射場景；所述采集控制裝置位于計算機裝置和掃描裝置之間，用于協調控制系統各部件以完成整個采集流程；所述計算機裝置位于采集控制裝置與超快探測器之間，用于給采集控制裝置編寫程序、將超快探測器采集的原始瞬態圖像數據進行數據校正、及利用散射重建算法實現場景重建；所述散射介質會對光子進行非線性地反射、折射和衰減；所述成像目標是散射場景中待重建的目標物體，其位于散射介質后側或內部。

在一些實施例中，所述主動光源包括如下中的一者：能夠發射超短脈沖信號的脈沖光源、幅度調制或頻率調制的連續光源、強度較為恒定的常值光源；所述超快探測器包括如下中的一者：單光子雪崩二極管，條紋相機及幅度調制連續波光子飛行時間相機。

在一些實施例中，所述光路設計裝置用于排布主動光源和超快探測器的位置，使二者處于共焦式光路或非共焦式光路；共焦式光路架構中，還包括分束器，主動光源和超快探測器分布于分束器兩路垂直光路的對應側，所述分束器是指具有將一路光線分為兩路的光學器件；共焦式光路架構中的主動光源和超快探測器共享同一光路；非共焦式光路架構中，主動光源和超快探測器的光路之間相互獨立。