基于单像素相机系统的红外二维及三维成像技术

Single-pixel cameras (SPC) retrieve spatial information by using non-pixelated detectors. It can overcome the limitation of a traditional imaging system based on focal-plane detector arrays (FPDA). For wavelength, e.g. infrared light, where FPDAs are underdeveloped, SPC provides an novel alternative imaging technique. Significant progress of SPC in the visible spectrum has recently demonstrated promising potential applications and therefore brings intensive study on SPC. ..This project proposes to apply the SPC technique in infrared imaging, aims to develop an SPC-based infrared imaging technology for both two and three dimensional imaging with high quality and low-cost. To achieve high quality two-dimensional images, effort will be devoted to increase efficiency of correlation algorithms and improve hardware system. Different types of three-dimensional imaging methods will be applied in SPC system, and comparison will be made on their performance. A best system will be chosen and refined into an applicable and low-cost stage. ..This project focuses on a cutting-edge imaging research topic and proposes several plans and concepts with high novelty and creativity as well as sound feasibility. Based on these facts we suggest the important significance to be approved and supported!

单像素相机使用不需要空间分辨率的单像素探测器实现图像重构，突破了传统成像系统对面阵探测器的依赖。对于面阵探测器技术不成熟的特殊波段(如红外波段)，该技术提供了一种极具应用潜力的全新成像手段。最近该技术在可见光波段得到了很大的发展，展现了极强的应用价值，也因此成为新兴成像技术领域的研究热点。..本研究项目将单像素相机和红外成像这两个研究热点相结合，希望通过单像素成像实现高质量、低成本的红外成像技术。项目计划从提高关联测量效率、优化红外系统设计等方面全面提高红外单像素相机的性能。在得到高质量二维图像的基础上，研究不同的三维成像原理在单像素相机系统上的实现方案。通过对比、优化，设计出实用性强、造价低的三维红外单像素成像系统。..本项目紧跟热点，把握研究前沿，提出了许多具有前瞻性的创新概念。具有重要的科研和实用意义。

本项目“基于单像素相机系统的红外二维及三维成像技术”的研究工作目前已完成。我们按照预期计划对基于单像素成像的三维成像技术在红外波段的应用展开了全面的理论、实验及应用研究。我们开展了结构光照明方式与采样效率之间的关系的研究，首次给出了不同照明条件下的单像素成像采样策略。针对单像素成像迭次速度限制成像速度的局限，首次提出基于单一固定的光学掩模板光场调制的关联成像技术。结合上述研究基础，发展了红外波段的单像素三维成像技术。利用二维扫描振镜、光栅和铟镓砷单像素探测器对目标进行全扫描，得到目标的二维畸变条纹图。利用傅里叶变换轮廓术还原和计算目标物体的高度信息。通过实验结果表明，该系统可以达到近毫米量级精度的高度信息还原。该三维红外单像素成像技术结合了逐点扫描的简单配置和FTP的高精度还原能力。真实值与重构值之间的高度误差不大于1.4 mm，即误差小于总高度的4 %。通过研究，我们证实了该技术是一种简单易实现、低成本的三维红外三维成像手段，能够极大的拓宽红外三维成像的应用范围。发表SCI学术论文8篇，撰写邀请报告“单像素成像在特殊波段及三维成像的应用发展”，申请专利2项。项目发展的两项实用型技术，快速单像素成像与目标检测、高精度红外单像素三维成像技术有望在未来得到应用推广。