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单像素成像的原理和前景

发布:laserline    |    2018-12-14 23:37    阅读:11860
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你的相机有多少像素?真正应该问的问题是你的相机需要多少像素?现代数码相机采用具有数百万像素的硅焦平面阵列(FPA)图像传感器。用于数字图像捕获的硅基电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)像素化传感器的发展是一个快速变化的领域。从手机到专业数码单反(SLR)相机,构成传感器芯片的像素数量既是性能指标,也是营销必需品。

图1 计算成像配置。DMD可以通过选择性地将入射光束重定向到法线±24°对光进行空间滤波。a,单像素摄像头配置。物体被泛光照射并成像到DMD上,其中DMD上显示的一系列二进制图案可用于掩模图像。单个光电探测器用于测量每个掩模图案的总滤波强度,从而允许重建对象的图像。b,结构照明配置。DMD用于将一系列光图案投射到物体上,并且单个光电探测器测量总反向散射光。如前所述,强度测量序列允许重建对象的图像。

制造一个仅有一个像素的相机也是可能的。单像素摄像机在某些情况下可能比传统摄像机更具竞争优势。例如,由于该技术仅需要一个光敏检测器,因此它可以是比多像素探测器更便宜的替代品。此外,所使用的单像素检测器可以提供更高的性能,例如更高的检测效率,更低的暗计数或更快的定时响应。这种增强作用对于由散射或吸收损耗而非常微弱的情况下可能具有重要意义,例如医学成像或远程3D成像。最后,单像素相机能够在数据采集步骤进行压缩感测,从而减少数据存储和数据传输需求,这是遥感应用或高光谱成像时的一个重要考虑。在过去的十年左右,出现了单个像素摄像头对可见光波段成像的许多示范,多光谱成像,高光谱成像,红外成像,太赫兹成像,气体成像,实时视频,后处理的视频,显微镜,3D成像,多模态成像,X射线衍射断层摄影,光声成像,全息相位成像,磁共振成像,眼科成像,和远距离成像。

图2 利用压缩感知评估正则化和非正则化图像重建。使用光电倍增管检测器和可见光照明的单像素相机的实验结果。从左到右,产生奈奎斯特采样极限和获得良好条件图像重建问题所需更高百分比的模式数量。对于等效条件和测量次数,定性地证明使用正则化算法来改善图像质量。图片取自格拉斯哥大学的徽章和标识。

那么单像素相机又是如何工作的呢?单像素相机是通过询问具有一系列空间分辨图案,并在在没有空间分辨率的情况下测量检测器上的相关强度来生成图像的技术。从根本上说,它是用单个像素执行一种类型的多态扫描,以同时感测来自许多地方的弱强度信息。这种方法的潜力在于能够比传统的基于扫描的方法更快地恢复多像素图像,并且进一步受益于可以使用的商业可用技术。单像素摄像机由两个主要部分组成:空间光调制器(SLM)和单像素探测器。

图3 跨越波长谱和应用区域的单像素成像系统的实验环境。

本质上,DMD是可编程二进制传输掩模,可用于将光的图案投影到场景(DLP)上,也称为结构化照明,或者等效地,它可用于构造检测到的图像强度,有时也称为作为结构化检测。压缩感知在图像重建中的作用类似于玩游戏“二十个问题”, 其中一名玩家提出问题,要求一个简单的“是”或“否”的答案,以识别对手脑海中的特定人。很快显而易见,一种随机猜测名字的策略是完全没有结果的,因为活着、死去和虚构的人物的状态空间是无法理解的。此外,该游戏允许基于先前答案的自适应提问策略。可以用几个有针对性的问题来唯一地描述一个人,这是与“稀疏性”密切相关的特性,而这是许多测量的关键,并且产生了数据压缩和压缩感知的领域。事实上,就空间频率而言,图像的稀疏性是图像压缩技术的核心,如JPEG。

图4 3D成像实验结果。使用2.5米范围内的短脉冲激光照射包含白色聚苯乙烯人体头部模型和立方体的场景。由从场景反向散射的第一个光子触发的到达时间被添加到整合了许多激光脉冲的直方图。获取许多DMD图案的直方图允许准确地确定场景强度/反射率(左)和深度图(右)。

英国格拉斯哥大学的科学家在放置在待成像物体之前或之后的空间光调制器上加载时变图案,并且利用单像素检测器进行同步强度测量。然后利用压缩感测的原理,生成图像。由于该方法适用于各种各样的探测器技术,因此图像可以在FPA技术无法波及的波长处或以高帧速率或三维方式收集。

单像素摄像机无疑是有趣的,是探索稀疏性和数据反转概念的理想操场。然而,问题仍然是基于这些原理的相机与传统系统相比是否具有性能优势?单像素成像系统的性能主要取决于探测器本身。低噪声,高稳定性和大面积是任何传感器设计中的竞争属性,尤其希望工作的极端波长。类似地,DMD的性能也限制了工作波长范围。尽管微镜的反射率远远超出红外线,但DMD施加强度调制的能力受到寄生衍射效应的限制。因此,在现有的成像挑战中,单像素相机似乎有两个主要的可能优势。第一个是低成本相机的设计,第二个是高速或时间分辨成像。高性能和低成本成像系统的驱动无疑为在不久的将来许多独特的成像技术提供了空间,包括有害气体泄漏的可视化和自动驾驶车辆的三维态势感知。相关内容以《Principles and prospects for single-pixel imaging》为题,发表在《Nature Photonics》杂志上。

来源: Nature Photonics

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