主动照明非视域二次半影成像方法与流程

1.本发明涉及光学成像领域。


背景技术：

2.非视域成像是一种针对于视域外目标的计算成像方法，该方法采集物体多次散射或反射到周围场景中的光场信息，并利用该信息来间接还原目标的图像。
3.搜寻和救援活动中的物体处于密闭空间由于大面积遮挡而无法被探测到的情况时有发生。
4.近些年，随着非视域成像技术的逐渐发展，针对上述情况，产生了基于透射窗口的被动非视域半影成像技术。现有的基于透射窗口的被动非视域半影成像模型，如图1所示：该模型利用目标经过前方的一个透射窗口在接收平面上形成半影分布，然后利用该分布可以将隐藏目标计算重构出来。这种方式经过实验验证可行。但是有一个很大的缺点，就是要求目标可以自身发光，这大大限制了该种成像的应用领域。因为在很多情况下，并不能保证所有的隐藏目标都可以自身发光，且在目标物体光强较弱的情况下，对相机要求高，相机接收不到成像面半影分布的情况会经常出现，无法重构出目标图像。因此，现有技术中没有基于透射窗成像系统对目标物体光强较弱或非主动发光目标物体进行精确图像重构的方法，以上问题亟需解决。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决现有基于透射窗的半影成像技术中目标物体光强较弱或目标物体非主动发光条件下如何进行精确图像重构的问题，本发明提供了一种主动照明非视域二次半影成像方法。
6.主动照明非视域二次半影成像方法，该成像方法是基于透射窗的主动照明成像系统实现的，透射窗的主动照明成像系统包括脉冲光源、选通相机、遮挡物和接收面；
7.脉冲光源、选通相机和接收面均位于遮挡物的一侧，目标物体位于遮挡物的另一侧，且脉冲光源和选通相机均位于遮挡物与接收面之间；遮挡物上设有透射窗；
8.脉冲光源用于向接收面出射光，该光经接收面第一次散射后，穿过透射窗入射至目标物体，经目标物体第二次散射后穿过透射窗入射至接收面，又经接收面第三次散射后，入射至选通相机；其中，入射至目标物体上的光在目标物体上形成一次半影，从目标物体入射至接收面上的光，在接收面上形成二次半影，且脉冲光源不在目标物体的视域范围内；
9.该成像方法包括如下步骤：
10.s1、预设选通相机选通门起始时间和宽度，通过选通相机采集经接收面第三次散射后的光，从而获得经接收面第三次散射后的光的光场强度分布y；
11.s2、根据目标物体和二次半影所在场景中的物理位置，获得目标物体的正向传输矩阵a；其中，目标物体的正向传输矩阵a为经目标物体第二次散射后的光，入射到接收面形成二次半影后，再经接收面上二次半影所在区域第三次散射后，入射到选通相机中的光场
分布矩阵；
12.s3、利用光场强度分布y和正向传输矩阵a，求解目标物体散射出的光场强度分布的最优解
13.s4、利用目标物体散射出的光场强度分布的最优解对最优解去半影照明解算操作后，重构出目标物体的图像。
14.优选的是，s2、根据目标物体和二次半影所在场景中的物理位置，获得目标物体的正向传输矩阵a的实现方式包括如下步骤：
15.s21、根据目标物体和二次半影所在场景中的物理位置，获得经目标物体第二次散射后的光，入射到接收面形成二次半影后，再经接收面上二次半影所在区域第三次散射后，入射到选通相机中的光场分布映射系数a
i,j
；
16.其中，经目标物体上任意一点第二次散射后的光，入射到接收面形成二次半影后，再经接收面上二次半影所在区域第三次散射后，入射到选通相机中的光场分布映射系数a
i,j
的实现方式为：
[0017][0018]
其中，
[0019]
x
j
为目标物体上第j个点的位置矢量，j为目标物体区域的离散变量；
[0020]
q
i
为接收面进行第三次散射时，接收面的二次半影区域上的第i个点的位置矢量，i为二次半影区域的离散变量；
[0021]
p
o
为遮挡物上透射窗内的第o个点的位置矢量，o为透射窗区域的离散变量；
[0022]
m为选通相机的位置矢量；
[0023]
为目标物体上x
j
处面元的法向量；
[0024]
为接收面进行第三次散射时，接收面的二次半影区域上q
i
处面元的法向量；
[0025]
α为接收面上二次半影区域和目标物体区域离散单元的比例系数；
[0026]
f(q
i
‑
x
j
,m
‑
q
i
)为接收面上，q
i
‑
x
j
入射方向的光辐射度与m
‑
q
i
出射方向的光辐射度之间的双向反射分布函数；
[0027]
为向量q
i
‑
x
j
与向量间的夹角；
[0028]
为向量x
j
‑
q
i
与向量间的夹角；
[0029]
v(x
j
,q
i
；p
o
)为与位置矢量x
j
、q
i
和p
o
相关的布尔值可见度函数；
[0030]
s22、根据所有入射到选通相机中的光场分布映射系数，获得目标物体的正向传输矩阵a；
[0031]
其中，正向传输矩阵a包括i
×
j个光场分布映射系数，a
i,j
作为正向传输矩阵a中第i行第j列所对应的光场分布映射系数。
[0032]
优选的是，s3、利用光场强度分布y和正向传输矩阵a，求解目标物体散射出的光场
强度分布的最优解的实现方式为：
[0033][0034]
u
′
为经目标物体散射出的光场强度分布；
[0035]
ψ(u
′
)为对u
′
进行约束的正则化先验模型；
[0036]
λ为正则化系数。
[0037]
优选的是，正则化先验模型为tv正则化先验模型、稀疏性正则化先验模型或非负正则化先验模型。
[0038]
优选的是，u
′
满足如下关系：
[0039]
y＝au
′
n
ꢀꢀ
(公式三)；
[0040]
n表示场景中的噪声分布。
[0041]
优选的是，s4、利用目标物体散射出的光场强度分布的最优解对最优解去半影照明解算操作后，重构出目标物体的图像的实现方式为：
[0042]
s41、获取打到目标物体上位置矢量x
j
处的光场强度u(x
j
)；x
j
为目标物体上第j个点的位置矢量，j为目标物体区域的离散变量；
[0043]
s42、通过目标物体散射出的光场强度分布的最优解获得目标物体上位置矢量x
j
处散射出的离散光场强度
[0044]
s43、通过u(x
j
)和求解目标物体上位置矢量x
j
处的表面反射特征系数ρ(x
j
)，从而获得目标物体的表面反射特征系数分布ρ，其中，ρ(x
j
)为ρ中的一个元素；
[0045]
s44、对ρ进行可视化处理，从而获得目标物体的图像。
[0046]
优选的是，s41、获取打到目标物体上位置矢量x
j
处的光场强度u(x
j
)的实现方式为：
[0047][0048]
其中，
[0049]
x
j
为目标物体上第j个点的位置矢量，j为目标物体区域的离散变量；
[0050]
g
c
为接收面进行第三次散射时，接收面的照明区域上的第c个点的位置矢量，c为照明区域的离散变量；
[0051]
为向量x
j
‑
g
c
与向量间的夹角；
[0052]
为接收面进行第一次散射时，接收面的照明区域上g
c
处面元的法向量；
[0053]
为向量g
c
‑
x
j
与向量间的夹角；
[0054]
为目标物体上x
j
处面元的法向量；
[0055]
v(g
c
,x
j
；p
o
)为与位置矢量g
c
、x
j
和p
o
相关的布尔值可见度函数；
[0056]
p
o
为遮挡物上透射窗内的第o个点的位置，o为透射窗区域的离散变量；
[0057]
h(g
c
)为接收面进行第一次散射时，接收面的照明区域上g
c
处的光强；
[0058]
δs为接收面上照明区域的离散面元的大小；
[0059]
n1(x
j
)为目标物体上x
j
处的噪声。
[0060]
优选的是，s43、通过u(x
j
)和求解目标物体上位置矢量x
j
处的表面反射特征系数ρ(x
j
)的实现方式为：
[0061][0062]
优选的是，s1中，预设选通相机选通门宽度和起始时间，通过选通相机采集经接收面第三次散射后的光，从而获得经接收面第三次散射后的光的光场强度分布y的实现方式为：
[0063]
s11、预设选通相机的选通门开门时间点t
open
，及其选通相机的选通门关门时间点t
close
，根据选通相机的选通门的开门时间点和关门时间点，获得选通相机的选通门宽度τ＝t
close
‑
t
open
；
[0064]
s12、根据选通相机的选通门的开门时间点t
open
和其选通门关门时间点t
close
，确定矩形窗函数w(t)，其中，
[0065][0066]
t为观测时间；
[0067]
s13、根据矩形窗函数w(t)，获得光场强度分布y，所述
[0068][0069]
其中，y(t)为选通相机视场内的混合光场分布；
[0070]
τ为选通相机的选通门宽度。
[0071]
本发明带来的有益效果是：通过使用本发明给出的成像系统，可以实现在目标发光强度很弱，或者不发光的情况下，获取目标的图像，同时也可以确保主动照明的脉冲光源不在目标的视域范围内，增加了场景的实用性。
[0072]
本发明成像方法通过选通相机选择采集经接收面第三次散射后的光，从而获得经接收面第三次散射后的光的光场强度分布y；并利用目标物体和二次半影所在场景中的物理位置，获得目标物体的正向传输矩阵a；利用光场强度分布y和正向传输矩阵a，求解目标物体散射出的光场强度分布的最优解利用目标物体散射出的光场强度分布的最优解经去半影照明解算操作后，重构出目标物体的图像；整个成像过程简单，并且成像过程中通过选通相机选择本发明所需要的数据，所需的数据量少，运算过程简单；
[0073]
且利用目标物体和二次半影所在场景中的物理位置，可准确获得目标物体的正向传输矩阵a；为进一步获取精确的重构图像奠定准确的数据基础。
[0074]
透射窗口成像构型在日常生活中随处可见，例如房屋内的窗户，利用本技术可以实现对房屋内不发光的隐藏目标进行重建。甚至在窗口与不发光的隐藏目标不处于正对位置时，仍然可以对目标进行重建，适用于远距离侦查。
附图说明
[0075]
图1是背景技术中现有的基于透射窗口的被动非视域半影成像模型原理示意图；
[0076]
图2为接收面4上所形成的二次半影示意图；
[0077]
图3本发明所述的基于透射窗的主动照明成像系统的原理示意图。
具体实施方式
[0078]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0079]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0080]
参见图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的主动照明非视域二次半影成像方法，该成像方法是基于透射窗的主动照明成像系统实现的，透射窗的主动照明成像系统包括脉冲光源1、选通相机2、遮挡物3和接收面4；
[0081]
脉冲光源1、选通相机2和接收面4均位于遮挡物3的一侧，目标物体5位于遮挡物3的另一侧，且脉冲光源1和选通相机2均位于遮挡物3与接收面4之间；遮挡物3上设有透射窗3
‑
1；
[0082]
脉冲光源1用于向接收面4出射光，该光经接收面4第一次散射后，穿过透射窗3
‑
1入射至目标物体5，经目标物体5第二次散射后穿过透射窗3
‑
1入射至接收面4，又经接收面4第三次散射后，入射至选通相机2；其中，入射至目标物体5上的光在目标物体5上形成一次半影，从目标物体5入射至接收面4上的光，在接收面4上形成二次半影，且脉冲光源1不在目标物体5的视域范围内；
[0083]
该成像方法包括如下步骤：
[0084]
s1、预设选通相机2选通门起始时间和宽度，通过选通相机2采集经接收面4第三次散射后的光，从而获得经接收面4第三次散射后的光的光场强度分布y；
[0085]
s2、根据目标物体5和二次半影所在场景中的物理位置，获得目标物体5的正向传输矩阵a；其中，目标物体5的正向传输矩阵a为经目标物体5第二次散射后的光，入射到接收面4形成二次半影后，再经接收面4上二次半影所在区域第三次散射后，入射到选通相机2中的光场分布矩阵；
[0086]
s3、利用光场强度分布y和正向传输矩阵a，求解目标物体5散射出的光场强度分布的最优解
[0087]
s4、利用目标物体5散射出的光场强度分布的最优解对最优解去半影照明解算操作后，重构出目标物体5的图像。
[0088]
本实施方式中，本发明成像方法通过选通相机2选择采集经接收面4第三次散射后的光，从而获得经接收面4第三次散射后的光的光场强度分布y；并利用目标物体5和二次半影所在场景中的物理位置，获得目标物体5的正向传输矩阵a；从而利用光场强度分布y和正向传输矩阵a，求解目标物体5散射出的光场强度的最优解最优解经去半影照明解算操作后，重构出目标物体5的图像；整个成像过程简单，并且成像过程中通过选通相机2选择
本发明所需要的数据，所需的数据量少，运算过程简单；
[0089]
通过使用本发明成像方法，可以实现在目标发光强度很弱，或者不发光的情况下，获取目标的图像，同时也可以确保主动照明的光源不在目标的视域范围内，增加了场景的实用性。
[0090]
进一步的，s2、根据目标物体5和二次半影所在场景中的物理位置，获得目标物体5的正向传输矩阵a的实现方式包括如下步骤：
[0091]
s21、根据目标物体5和二次半影所在场景中的物理位置，获得经目标物体5第二次散射后的光，入射到接收面4形成二次半影后，再经接收面4上二次半影所在区域第三次散射后，入射到选通相机2中的光场分布映射系数a
i,j
；
[0092]
其中，经目标物体5上任意一点第二次散射后的光，入射到接收面4形成二次半影后，再经接收面4上二次半影所在区域第三次散射后，入射到选通相机2中的光场分布映射系数a
i,j
的实现方式为：
[0093][0094]
其中，
[0095]
x
j
为目标物体5上第j个点的位置矢量，j为目标物体5区域的离散变量；
[0096]
q
i
为接收面4进行第三次散射时，接收面4的二次半影区域上的第i个点的位置矢量，i为二次半影区域的离散变量；
[0097]
p
o
为遮挡物3上透射窗3
‑
1内的第o个点的位置矢量，o为透射窗3
‑
1区域的离散变量；
[0098]
m为选通相机2的位置矢量；
[0099]
为目标物体5上x
j
处面元的法向量；
[0100]
为接收面4进行第三次散射时，接收面4的二次半影区域上q
i
处面元的法向量；
[0101]
α为接收面4上二次半影区域和目标物体5区域离散单元的比例系数；
[0102]
f(q
i
‑
x
j
,m
‑
q
i
)为接收面4上，q
i
‑
x
j
入射方向的光辐射度与m
‑
q
i
出射方向的光辐射度之间的双向反射分布函数；
[0103]
为向量q
i
‑
x
j
与向量间的夹角；
[0104]
为向量x
j
‑
q
i
与向量间的夹角；
[0105]
v(x
j
,q
i
；p
o
)为与位置矢量x
j
、q
i
和p
o
相关的布尔值可见度函数；
[0106]
s22、根据所有入射到选通相机2中的光场分布映射系数，获得目标物体5的正向传输矩阵a；
[0107]
其中，正向传输矩阵a包括i
×
j个光场分布映射系数，a
i,j
作为正向传输矩阵a中第i行第j列所对应的光场分布映射系数。
[0108]
更进一步的，s3、利用光场强度分布y和正向传输矩阵a，求解目标物体5散射出的光场强度分布的最优解的实现方式为：
[0109][0110]
u
′
为经目标物体5散射出的光场强度分布；
[0111]
ψ(u
′
)为对u
′
进行约束的正则化先验模型；
[0112]
λ为正则化系数。
[0113]
本优选实施方式中，利用上述公式二对进行最优化，使得对应在取值最小的情况下，u
′
的取值作为最优解整个实现过程简单，便于实现。
[0114]
本优选实施方式中，u
′
为经目标物体5散射出的光场强度分布，其包含目标物体5的表面反射特征系数分布和基于主动照明的一次半影光场强度分布两部分。
[0115]
更进一步的，正则化先验模型为tv正则化先验模型、稀疏性正则化先验模型或非负正则化先验模型。
[0116]
本优选实施方式中，把表示图像特征的先验模型作为正则化约束条件，可采用tv正则化先验模型、稀疏性正则化先验模型或非负正则化先验模型求解实现方式简单。
[0117]
更进一步的，u
′
满足如下关系：
[0118]
y＝au
′
n
ꢀꢀ
(公式三)；
[0119]
n表示场景中的噪声分布。
[0120]
更进一步的，s4、利用目标物体5散射出的光场强度分布的最优解对最优解去半影照明解算操作后，重构出目标物体5的图像的实现方式为：
[0121]
s41、获取打到目标物体5上位置矢量x
j
处的光场强度u(x
j
)；x
j
为目标物体5上第j个点的位置矢量，j为目标物体5区域的离散变量；
[0122]
s42、通过目标物体5散射出的光场强度分布的最优解获得目标物体5上位置矢量x
j
处散射出的离散光场强度
[0123]
s43、通过u(x
j
)和求解目标物体5上位置矢量x
j
处的表面反射特征系数ρ(x
j
)，从而获得目标物体5的表面反射特征系数分布ρ，其中，ρ(x
j
)为ρ中的一个元素；
[0124]
s44、对ρ进行可视化处理，从而获得目标物体5的图像。
[0125]
本优选的实施方式中，给出了获得目标物体5的图像的一种具体实现手段，整个过程实现方式简单，便于实现。
[0126]
更进一步的，s41、获取打到目标物体5上位置矢量x
j
处的光场强度u(x
j
)的实现方式为：
[0127][0128]
其中，
[0129]
x
j
为目标物体5上第j个点的位置矢量，j为目标物体5区域的离散变量；
[0130]
g
c
为接收面4进行第三次散射时，接收面4的照明区域上的第c个点的位置矢量，c
为照明区域的离散变量；
[0131]
为向量x
j
‑
g
c
与向量间的夹角；
[0132]
为接收面4进行第一次散射时，接收面4的照明区域上g
c
处面元的法向量；
[0133]
为向量g
c
‑
x
j
与向量间的夹角；
[0134]
为目标物体5上x
j
处面元的法向量；
[0135]
v(g
c
,x
j
；p
o
)为与位置矢量g
c
、x
j
和p
o
相关的布尔值可见度函数；
[0136]
p
o
为遮挡物3上透射窗3
‑
1内的第o个点的位置，o为透射窗3
‑
1区域的离散变量；
[0137]
h(g
c
)为接收面4进行第一次散射时，接收面4的照明区域上g
c
处的光强；
[0138]
δs为接收面4上照明区域的离散面元的大小；
[0139]
n1(x
j
)为目标物体5上x
j
处的噪声。
[0140]
更进一步的，s43、通过u(x
j
)和求解目标物体5上位置矢量x
j
处的表面反射特征系数ρ(x
j
)的实现方式为：
[0141][0142]
更进一步的，
[0143]
s1中，预设选通相机2选通门宽度和起始时间，通过选通相机2采集经接收面4第三次散射后的光，从而获得经接收面4第三次散射后的光的光场强度分布y的实现方式为：
[0144]
s11、预设选通相机2的选通门开门时间点t
open
，及其选通相机2的选通门关门时间点t
close
，根据选通相机2的选通门的开门时间点和关门时间点，获得选通相机2的选通门宽度τ＝t
close
‑
t
open
；
[0145]
s12、根据选通相机2的选通门的开门时间点t
open
和其选通门关门时间点t
close
，确定矩形窗函数w(t)，其中，
[0146][0147]
t为观测时间；
[0148]
s13、根据矩形窗函数w(t)，获得光场强度分布y，所述
[0149][0150]
其中，y(t)为选通相机2视场内的混合光场分布；
[0151]
τ为选通相机2的选通门宽度。
[0152]
本优选实施方式中，y(t)为选通相机2视场内的混合光场分布，混合光场中包含脉冲光源1经接收面4一次散射后进入选通相机2的光；脉冲光源1经接收面4一次散射后，经遮挡物3二次散射后，再经接收面4三次散射后进入选通相机2的光；脉冲光源1经接收面4一次散射后，穿过遮挡物3上透射窗3
‑
1后经目标物体5二次散射后，再经接收面4三次散射后进入选通相机2的光。其中，y(t)中的三部分光走过的距离长短各不相同，进入选通相机2的起始时间点及时间长度各不相同。
[0153]
w(t)是与观测时间t相关的矩形窗函数；
[0154]
t
open
为选通相机2中选通门的开门时间点，即：脉冲光源1发出的光经接收面4一次
散射后，透过遮挡物3上透射窗3
‑
1后经目标物体5二次散射后，再经接收面4三次散射后，开始进入选通相机2的时间点。
[0155]
t
close
为选通相机2中选通门的关门时间点，即：脉冲光源1发出的光经接收面4一次散射后，透过遮挡物3上透射窗3
‑
1后经目标物体5二次散射后，再经接收面4三次散射后，全部进入选通相机2后的时间点。
[0156]
选通门的宽度为τ，是脉冲光源1发出的光经接收面4一次散射后，透过遮挡物3上透射窗3
‑
1后经目标物体5二次散射后，再经接收面4三次散射后，进入选通相机2走过距离所用的时间长度。
[0157]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。