基于结构光场照明的单像素成像技术及应用研究

Single-pixel imaging techniques fundamentally differ from conventional imaging techniques in terms of mechanism. The former has been expected to be capable of break through some restrictions of the conventional imaging techniques in applications. With the fact that there exists an obvious gap in quality between the single-pixel imaging and the conventional one, this project aims at researches of a high-quality single-pixel imaging technique. The technique is expected to be used in imaging through scattering media, which overcomes a difficulty of diffuse light imaging by conventional cameras. To improve the quality of image, it is proposed to replace speckle light field used in ghost imaging with analytic structure light field. With the replacement, Mathematical model of image reconstruction algorithm also has strict analytical expression. Preliminary experimental studies have demonstrated the feasibility of this scheme. Researches to carry out in this project are as follows: mechanism and image reconstruction algorithm of structure light field based single-pixel imaging, experiments in single-pixel imaging, full-color and 3-D single-pixel imaging, compressive single-pixel imaging, evaluation of imaging quality and related affective factors, structure light field based single-pixel imaging through scattering media. This project is of great scientific sense for single-pixel imaging techniques and relative applications.

单像素成像，在成像机理上与传统成像有本质的区别，可以突破传统相机的应用局限。本项目针对目前单像素成像技术的成像质量和传统成像技术相比有较大差距这一问题，提出一种有望实现高成像质量的单像素成像技术，并应用到透过散射介质的成像，解决传统相机对散射光成像的局限。为了实现高质量成像，本项目提出采用具有确定数学函数解析表达的结构光场取代赝热光源鬼成像技术中的散斑光场，因此与之对应的图像重建算法也可以采用具有严格解析表达的确定性数学模型。初步实验研究证明了该方案具有可行性。研究内容包括：基于结构光场照明的单像素成像机理和图像重建算法研究、单像素成像实验研究、单像素彩色和三维成像技术研究、压缩感知单像素成像技术研究、像质评价及影响成像质量的相关因素研究、基于结构光场照明的单像素成像技术在透过散射介质成像方面的应用研究。本项目的研究，不论从单像素成像技术本身，还是从其应用方面来讲，都具有重要的科学意义。

针对已有基于随机散斑光场照明的单像素成像技术的成像质量差等技术缺陷和应用瓶颈，项目明确提出采用具有确定性数学表达的结构光场照明，取代过往的随机散斑光场照明，研究了傅里叶基底结构光照明的单像素成像机理，建立了傅里叶单像素成像理论和图像重建算法等。（1）提出了一种基于傅里叶谱获取的结构光照明单像素成像技术，利用四步相移大幅提高信噪比，在单像素探测器“看”不见目标物体的情况下（例如透过毛玻璃散射介质等）也可以获得高质量成像，在单像素成像质量方面取得了突破性进展；（2）根据Helmholtz互易性原理，建立了基于结构光照明的三维单像素成像理论和方法，由此提出了一种互易的结构光投影三维傅里叶单像素成像技术，首次只利用一个单像素探测器实现了亚毫米精度的量化三维单像素成像；（3）研究了使用拜耳彩色滤波编码方法彩色单像素成像，实现了只利用一个单像素探测器的彩色成像。（4）研究了单像素成像阴影形成机理，提出了一种能有效消去单像素成像阴影的方法。（5）研究并实现了针对动态目标的快速傅里叶单像素成像技术研究，提出了一种二值化的傅里叶基结构光场的产生方法。（6）开展了压缩单像素成像技术研究，建立了傅里叶单像素压缩成像理论和方法，由此提出了一种只需利用一个单像素探测器，一次成像就可以同时获得多光谱、三维、反射率分布等多种图像的压缩成像方法，大大提高了成像效率。（7）开展并实现了显微单像素成像，特别是根据Helmholtz互易性，建立了基于单像素成像原理的显微层析成像的理论和方法，实现了显微层析成像。（8）研究了加密的单像素广播成像，由此提出了一种加密的单像素广播成像技术。（9）开展了傅里叶基结构光照明单像素成像技术和哈达玛基结构光照明单像素成像技术的比较研究，在理论和实验上详细比较、分析了两种结构光照明技术的优缺点，以及在采样方式、抗噪能力、成像质量、成像效率等方面的比较研究。（10）开展了将单像素成像方法应用到光伏器件的性能表征的应用研究，提出了一种基于单像素成像技术的同时获取光伏器件的功能图像和形貌图像的方法，有望解决目前光伏器件性能表征速度低问题。（11）提出了一种无透镜单像素成像技术，以此设计出一种结构简单、紧凑、无机械扫描运动的多功能扫描仪。