单像素成像及其在三维重建中的应用

不同于数码相机使用光电探测器阵列来获取图像,单像素成像通过使用一系列掩膜图案对场景进行采样,并将这些掩膜图案中的信息与单像素探测器测量得到的相应光强做关联计算以重建图像。虽然在传统可见光成像领域,单像素成像性能远不如数码相机,但许多研究成果表明,其在复合波长、太赫兹、X射线以及三维成像等一些非常规应用中具有一定优势。介绍了单像素成像技术的发展历程,用数学模型对其成像原理进行了解释,并分析了影响其性能的要点。此外,文中还对三维单像素成像技术的研究工作及其潜在的应用前景进行了总结和展望。     

太赫兹单像素计算成像原理及其应用(特邀)

太赫兹成像技术具有透视性、安全性以及光谱分辨能力等独特优点,有着广泛的应用前景。由于太赫兹面阵探测器的技术成熟度低、价格昂贵,太赫兹成像技术在较长时间内以单点扫描方案为主,存在系统复杂、成像耗时长等问题。近年来,基于计算成像算法的太赫兹单像素成像技术发展迅速,成为了获取太赫兹图像的重要途径之一。文章综述了太赫兹单像素计算成像技术的基本原理、技术实现手段和应用前景,总结了现存的一些关键问题,并展望了一些今后可能的发展方向。     

单像素复振幅成像（特邀）

传统光学成像系统主要依靠阵列探测器对目标的空间分布进行探测来达到成像的目的。而单像素成像不需要阵列探测器,在探测端只需要使用一个单点探测器来记录光场的信号,然后利用关联算法来重构目标物体的图像信息。由于单点探测器的技术较为成熟,且成本较为低廉,因此这种成像方式在近些年得到了研究人员的广泛关注,期望单像素成像技术能够应用在X射线、红外、太赫兹等波段。另外,单像素成像技术在生物荧光成像、多光谱成像、三维成像、光场复振幅成像等应用领域也得到了深入的研究。其中光场波前的相位探测在天文观测、医学诊断、光学测量等领域至关重要,研究人员针对这一问题提出了多种基于单像素成像技术进行复振幅成像的方法,这些研究有效地拓展了单像素成像技术的实际应用场景。文中主要介绍了单像素成像技术的历史发展及其基本工作原理,并着重介绍了单像素成像技术在复振幅成像应用中的工作。     

紧凑双光路单像素成像系统（特邀）

不同于使用阵列探测器的常规数码相机,单像素相机使用不具空间分辨能力的单像素探测器对目标进行成像。由于其工作波长覆盖广、灵敏度高,单像素相机在特殊波段和弱光照明等特殊场景中较普通相机更有优势,在遥感探测、显微成像、军事侦察等领域得到广泛应用。提出一种紧凑型单像素成像系统,该系统利用数字微镜阵列的工作特性形成了对称的折叠双光路以快速完成差分测量。紧凑的结构降低了相机系统的体积,使系统可采用标准尼康镜头作为成像透镜。系统具有双光路差分成像、双光路平均降噪、宽谱波段成像、双光路交替采样等多种模式,并且可根据场景对重建图像信噪比、实时帧率、成像波段的不同需求切换应用模式。基于系统样机的实验结果表明其能实现预期的功能、达到相应的性能。紧凑型单像素成像系统的提出是一次较成功的单像素成像工程化尝试,为单像素成像技术后续的实际应用奠定了较好的技术和工程基础。     

单像素成像在特殊波段及三维成像的应用发展

与传统的面阵成像技术不同,单像素成像技术作为一种新型的计算成像技术,使用不具备空间分辨能力的桶探测器,结合空间光场调制技术,通过关联算法重构待成像物体的空间强度信息,在研究界得到了广泛的关注。近年来,单像素成像技术被广泛应用于各种波段的成像领域,尤其是在某些面阵探测器价格昂贵甚至无法制备的特殊波段,单像素成像技术逐步发展为一项低成本高成像质量的替代技术。并且,在三维成像技术中,大量基于单像素成像的相关研究工作也被相继提出。文中主要介绍了单像素成像技术的基本原理及应用发展历程,并着重介绍了其在条纹结构投影三维成像技术中的应用工作。     

傅里叶单像素成像技术与应用

非可见光成像是光学成像领域中的难题之一。单像素成像作为一种新型的计算成像技术,利用空间光调制技术,可实现只使用一个无空间分辨能力的单像素探测器获取物体的空间信息。因此单像素成像是解决传统成像在非可见光波段成像难题的潜在解决方案之一。近年,傅里叶单像素成像技术被证明是一种可以兼得高成像质量和高成像效率的单像素成像技术。自2015年被提出至今,傅里叶单像素成像已经从二维成像推广到三维成像、从灰度成像推广到彩色成像、从静态成像推广到动态成像、从单模态成像推广到多模态成像、从宏观成像推广到显微成像,发展出一系列的成像技术。对傅里叶单像素成像技术的基本原理、与之相关的成像技术和应用进行了综述,并讨论了现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。     

基于深度学习的单像素相机超分辨率成像优化

基于压缩感知和单像素成像的基本原理,设计了一种用于图像超分辨率重建的新型深度卷积神经网络架构.这种单像素超分辨率成像算法成功地将深度学习图像超分辨率重建技术与压缩感知单像素成像技术相结合,从而发展出一种全新的深度学习单像素成像优化方法.与传统的常规压缩感知图像重构算法相比,该算法有效提升了图像超分辨率重建精度和单像素成像质量.通过图像重建的仿真实验和单像素相机的成像实验验证,结果表明这种基于深度学习的新型单像素相机成像方式具有良好的性能表现.     

太赫兹单像素成像及其动态掩模材料的研究进展

太赫兹成像技术在安全检查、医学成像等领域展现出了巨大的应用潜力。相比传统的机械扫描成像和焦平面阵列成像，单像素成像具有系统简单、成像速度快及成本低等优势。其可结合空间光调制技术，运用关联算法重构出目标的二维太赫兹空间信息。从太赫兹单像素成像的基本概念和发展历程出发，着重分析了单像素成像中编码掩模的原理、材料、发展应用及可能面临的挑战。     

单像素成像在三维测量中的应用

在条纹投影等传统结构光三维测量技术中,在全局光照的干扰下,无法获得高质量、高精度的三维测量结果。典型的全局光照效应包括互反射和次表面散射。互反射发生在凹陷的光亮反射表面,而次表面散射发生在半透明材料表面。单像素成像(Single-pixel imaging, SI)技术可以通过没有空间分辨率的探测器捕获场景,然而,大多数现代数码相机采用传统像素化的图像传感器。在这里,我们提出了将单像素成像技术扩展到像素化的图像传感器中,将图像传感器上的每个像素都被视为是一个独立的单像素成像单元,可以同时获取图像。实验表明,这种单像素成像方法可以完全分解直接光照和全局光照,实现在全局光照干扰下的高质量、高精度三维重建。     

单像素高效感知方法概述

资源受限平台的高效率视觉感知是信息领域的瓶颈难题。不同于传统阵列探测成像,单像素成像基于压缩感知原理将多维图像编码为一维采集数据,有效提升了数据压缩率,且灵敏度高、工作波段宽,逐渐成为研究热点。然而,单像素成像重建的图像中仍包含大量对高层语义理解无关的信息,导致传输、存储、计算的资源浪费。单像素感知是一种直接从一维采集数据解耦高级语义推断结果的新型感知技术,无需重建多维图像,相较传统先成像-后感知的技术路径大幅提升了感知效率,在遥感探测、智慧交通、生物医学、国防军事等众多领域具有广阔的应用前景。文中重点梳理了单像素感知技术的发展历程,详细介绍了单像素感知技术的方法架构以及在视觉应用中的研究进展,最后对其未来发展趋势进行了展望。     

Efficient Spatially-Variant Single-Pixel Imaging Using Block-Based Compressed Sensing

Single-pixel imaging is an important alternative to conventional camera. Only a single-pixel detector is needed to capture image data by measuring the correlation of the target scene and a series of sensing patterns. Conventionally, Nyquist-Shannon theorem requires measurements not less than the image pixels for an error-free reconstruction. Compressed sensing (CS) enables image reconstructions with fewer measurements but the image quality and computational cost remain the primary concerns. This paper presents an efficient single-pixel imaging technique based on blocked-based CS in which the sensing matrices are designed based on spatially-variant resolution (SVR). The proposed method decreases the number of measurements as well as the image reconstruction time using the SVR sensing patterns. Furthermore, it takes advantage of block-based CS to reduce the expenses of computational resources. The proposed method is evaluated and compared to conventional uniform resolution (UR) image reconstruction in terms of image quality and reconstruction time. The results show that the proposed method consistently reduces the reconstruction time and able to give better image quality at lower sampling ratio (SR). This provides an efficient reconstruction for single-pixel imaging which is desirable in practical application and situations where low sampling rate is required.

     

水平大气环境34 km单像素成像实验

搭建了远距离、高分辨率单像素成像实验装置,完成了白昼时段水平34 km距离、分辨率0.8 m的自然目标的单像素成像。单像素成像测量基采用多尺度排序的Hadamard矩阵,调制后经两个光电探测器进行差分来实现Hadamard调制测量,利用压缩率25%的测量信号和快速Walsh变换算法,实现了成像速度2帧/秒@128 pixel128 pixel。定义了一种人机交互的信噪比评价方法计算重建图像质量,研究了单像素成像积分时间与图像质量关系,评价结果与视觉效果相符合。提出的单像素成像方案在低成本的远距离红外成像方面有潜在应用价值。     

单像素成像与超表面成像（特邀）

单像素成像作为一种典型的计算成像方式,利用单像素探测器测量一系列掩模图像照射目标之后的光强值,进而通过不同重构算法恢复目标图像。相较于多像素探测器(CCD或CMOS),单像素成像克服了硬件的限制,在某些特殊波段,探测效率更高,响应更快。超表面是由亚波长的金属或介质单元构成的二维人造结构。在可见光波段,超表面可以调控入射光的多种自由度以实现多通道全息图的显示;在微波波段,超表面可以与导波模式进行耦合辐射出多种模式图案。简单介绍了单像素成像的研究背景、成像原理和重构算法、超表面成像的研究背景,并主要讨论了两种成像方式在可见光波段以及微波波段的结合以及相关研究,最后提出了未来的发展方向。     

基于深度学习的多分辨显微关联成像系统设计

显微成像技术作为研究细胞和生物组织的主要工具,对生物医学的发展起到了极大的推动作用。生物样本的复杂化和生物医学领域对时间和空间分辨率的多样化需求决定了单一功能生物成像系统应用的局限性。为满足生物医学领域的多样化需求,解决成像质量与成像时间之间的矛盾,设计了一种基于深度学习的多分辨显微关联成像系统。该系统通过对显微镜进行硬件设计改造和软件处理,将深度学习与关联成像技术有效结合,当采样率仅为60%时,成像系统能够较好地恢复图像细节,大幅降低欠采样带来的噪声,同时显著提升系统成像的时间分辨率。另外,为了满足所设计的小型多分辨显微关联成像系统的实际需求,采用基于重参数化思想的超高效轻量超分网络,在资源受限的设备下实现实时高质量成像。所提出的成像系统可以在保证成像质量的同时显著缩短成像时间和减少内存占用。不同类型生物样本和分辨率板的测试结果进一步表明了系统的鲁棒性和抗噪性能,研究结果对生物医学领域具有重要意义。     

太赫兹超分辨率成像评述I:非实时成像

作为太赫兹波最重要的应用之一,太赫兹成像技术在生物医疗、安防安检、无损检测和质量监控等方面都具有非常重要的应用前景。由于受衍射极限的限制,传统太赫兹成像技术的分辨率只能达到工作波长级别,还无法满足很多应用的需求。本文对几种非实时的太赫兹超分辨率成像手段进行了介绍,包括近场扫描显微成像、基于空间调制器的单探测器成像、基于时间反转的成像和基于空间频谱采样的成像,并对每一种成像手段的原理、发展过程及其优缺点进行了综述和讨论,最后对非实时太赫兹超分辨率成像的发展进行了展望。     

太赫兹数字全息成像的研究进展

随着太赫兹成像技术的发展,人们对太赫兹成像系统的成像性能如分辨率、成像速率、成像维度等均提出了越来越高的要求。为了消除衍射对太赫兹成像的影响,提高太赫兹成像系统所能达到的性能指标,许多学者已针对太赫兹数字全息技术进行了研究。首先对太赫兹数字全息的基本原理进行了概述,阐述并分析了目前国内外有关太赫兹数字全息成像的研究进展,这些研究显示太赫兹数字全息技术在提高成像分辨率、扩展成像维度等方面具有很大的发展潜力,且具备实时成像的能力,具有十分广阔的应用及发展前景。