本發明屬于散射介質成像領域，具體說是一種利用空間光調制器實現基于相位多樣性的散射介質成像方法。

背景技術：

傳統的光學成像方法通常無法直接獲得隱藏在散射介質后方的物體像，因此如何利用光學技術實現穿透散射介質對后方物體進行成像，是長久以來光學成像技術領域的重要研究課題。隨著研究的深入，人們陸續提出了許多實驗方案，如經典的鬼成像方法、散斑相關方法、波前校正方法等等。這些方法雖然在一定條件下可以得到較好的結果，但是都有其自身的局限性，并且這些方法都專注于如何成功地重建物體圖像，而忽略了獲得成像系統自身的點擴散函數。1992年，paxman首次提出了相位多樣性理論。該理論主要是為了解決天文學中由于大氣擾動而引起的成像質量降低的問題，受到了相關領域學者的密切關注，其后許多基于該理論的實驗方案被提出以解決相位畸變引起的成像問題。2016年，這種理論被應用到透過散射介質進行成像的實驗研究中。其具體做法是：緊貼著散射介質后表面放置一個孔徑光闌，通過縱向移動相機的方式改變整個散射成像系統的孔徑函數；記錄多組相機移動位置及其對應的散斑圖像；然后在所記錄的多幀散斑圖像中心部位各自截取子散斑圖，并通過適當算法從這些具有相位多樣性的子散斑圖中重建出物體信息。相比于其它透過散射介質進行成像的方法，這種基于相位多樣性的散射介質成像方法不需要在目標物體附近設置參考點，即可以實現非侵入式成像，并且由于獲得了成像系統的局部點擴散函數，只要散射介質等條件沒有變化，如果后方目標物體發生更換，都可以通過簡單的解卷積運算從散斑圖中解出其像。然而這種方法也存在著明顯的缺點，比如縱向移動相機雖然可以達到改變成像系統的孔徑函數的目的，但同時也會引入新的問題，即散斑擴散帶來的誤差。這導致了對于所得到的多幀散斑圖，只能在其中心部分截取子散斑圖用來重建目標物體，且重建效果不佳。

技術實現要素：

本發明所要解決的問題是克服已有技術存在的不足，提出一種利用空間光調制器實現基于相位多樣性的散射介質成像方法，簡化實驗步驟，提高成像速度和成像質量。

為了實現上述目的，本發明采用圖1所示的系統結構，主要裝置包括：非相干光源，準直透鏡，目標物體，散射介質，孔徑光闌，空間光調制器和ccd相機；目標物體的大小和位置必須滿足沒有超出散射介質光學記憶效應范圍的條件；光闌的孔徑大小決定了整個成像系統的主孔徑；空間光調制器用來調節系統孔徑函數的相位函數；每次改變空間光調制器的相位控制矩陣后，拍攝一張相應的散斑圖。

本發明所述的一種利用空間光調制器實現基于相位多樣性的散射介質成像方法，包括以下步驟：

(1)拍攝一張空間光調制器的相位控制矩陣全部為0，即沒有引入相位變化時的散斑圖；

(2)隨機改變空間光調制器的相位控制矩陣，并記錄其矩陣數據及相應的散斑圖，多次重復此步驟，一般拍攝的散斑圖數量越多，重建目標圖像的效果越好；

(3)確定一個合適的尺寸，然后按照該尺寸在多幀散斑圖上的某個固定位置截取子散斑圖；(4)將記錄的相位控制矩陣矩陣數據和子散斑圖輸入算法程序，重建出目標物體圖。

其中，上述步驟(3)的具體實現過程如下：

(3a)確定一個尺寸，該尺寸要求不能小于目標物體自相關圖像的大小；

(3b)在步驟(2)得到的多幀散斑圖上，按步驟(3a)確定的尺寸截取子散斑圖，要求在每一幀散斑圖上截取子散斑圖的位置都相同；

(3c)使用漢寧窗口對步驟(3b)所得到的多幅子散斑圖進行空間濾波，以減少其邊界的不連續效應。

上述步驟(4)的具體實現過程如下：

(4a)根據相位多樣性原理，由于目標處于散射介質的一個光學記憶效應范圍內，相機接收的散斑圖可表示為：

in(x)＝o(x)*hn(x)+wn(x)(1)

其中n表示得到的第n張散斑圖，o(x)為目標物像，hn(x)為成像系統點擴散函數(psf)，wn(x)表示成像過程中引入的噪聲，此處假設其為加性高斯白噪聲，噪聲的方差為

hn(x)＝|f-1[|sn(u)|exp{i[φ(u)+θn(u)]}]|2(2)

公式(2)為系統點擴散函數表達式，它是孔徑函數的反傅里葉變換的模的平方，其中，u表示像素到圖像中心的距離；孔徑函數的幅值|sn(u)|在孔徑之內為1，其余部分為0；而其相位分為兩部分，θn(u)代表空間光調制器引入的已知的相位變化，φ(u)表示散射介質引入的未知隨機相位，也就是需要求得的未知部分；

in(x)表示的相機接收的散斑圖，是一個具有正態概率密度分布的隨機變量，對散斑的所有像素進行統計之后，可以列出其概率密度函數：

忽略常數項和標量因子，并利用帕斯瓦爾定理及卷積定理轉換到頻率域，最終得到求解隨機相位和目標圖的兩個目標函數：

式中in(u)，o(u)，hn(u)分別表示in(x)，o(x)和hn(x)的傅里葉變換；

(4b)根據最大似然估計原理，當(4)式取最大值時φ(u)為最優解；因此將步驟(2)中記錄的空間光調制器的相位控制矩陣數據，以及步驟(3)中得到的多幅經濾波處理后的子散斑圖代入(4)式，使用最大似然估計法和擬牛頓算法等最優化算法求解φ(u)的最優解；

(4c)將步驟(4b)求得的φ(u)代入(5)式，重建出目標圖像。

與其它透過散射介質進行成像的方法相比，本發明具有以下優點：

(1)本方法不需要在目標物附近設置參考點或參考物，屬于非侵入式成像方式；

(2)本方法使用空間光調制器調制系統的孔徑函數，相機位置不發生變化，也就不需要根據相機位置計算所引入的附加相位分布等環節，減少了計算量；

(3)由于相機位置不發生變化，孔徑函數的改變不會導致散斑擴散及其帶來的誤差；

(4)在多幀散斑圖上截取子散斑圖的位置可以任意選取，并且重建圖的效果更好。

附圖說明

附圖1為本發明方法的系統原理圖，圖中標號分別代表：1非相干光源，2準直透鏡，3目標物體，4散射介質，5孔徑光闌，6空間光調制器，7ccd相機。

附圖2為本發明方法一實例使用的目標原圖。

附圖3為本發明方法一實例中ccd相機記錄的一張散斑圖。

附圖4為本發明一實例中的散斑圖，白色方框指出實例中子散斑圖的截取位置。

附圖5為本發明一實例中的子散斑圖示例。

附圖6為本發明一實例中的4張重建圖。

上述圖5中圖示編號如下：

(a)截取位置為圖3方框1位置處的20張子散斑圖中的一張；

(b)截取位置為圖3方框2位置處的20張子散斑圖中的一張；

(c)截取位置為圖3方框3位置處的20張子散斑圖中的一張；

(d)截取位置為圖3方框4位置處的20張子散斑圖中的一張。

上述圖6中圖示編號為：

(a)利用截取位置在圖3方框1處的20張子散斑圖所得的重建圖；

(b)利用截取位置為圖3方框2處的20張子散斑圖所得的重建圖；

(c)利用截取位置為圖3方框3處的20張子散斑圖所得的重建圖；

(d)利用截取位置為圖3方框4處的20張子散斑圖所得的重建圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明，對本發明的一個具體實施例進行描述。

本例中成像系統實驗裝置如圖1所示，使用1張80*80像素的圖像(字母z)作為目標圖像，見圖2；整個過程在matlab2016a環境下模擬實現。

整個數值模擬過程步驟如下：

(a)將圖2輸入matlab模擬的實驗環境，多次改變空間光調制器的相位控制矩陣，得到20幀散斑圖(2400*2400像素)，圖3為其中1幀散斑圖；

(b)在得到的20幀散斑圖上白色方框1位置截取子散斑圖，并對子散斑圖使用漢寧窗口空間濾波，如圖4所示；然后類似地，分別在白色方框2、3、4位置截取子散斑圖，并進行空間濾波處理；最后得到4組不同截取位置的子散斑圖，每組有20幅子散斑圖像；附圖5分別為4組子散斑圖中的其中一張；

(c)將第一組子散斑圖輸入步驟(4)中所介紹的重建算法程序，重建出第一張重建圖；隨后依次將其他三組子散斑圖輸入重建算法，分別得到另外三張重建圖，如附圖6所示。

圖6列出了重建出的四張圖像，可以看出經過本發明方法所重建出的圖像的質量，與子散斑圖的截取位置沒有關系，這意味著在散斑圖上截取子散斑圖的位置可以任意選定，而不是像以往方法那樣必須選擇在散斑圖像的中心部分。

總結

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