一种基于时域和频域相协调的傅立叶单像素成像重构方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115953334A(43)申请公布日2023.04.11(21)申请号202211624292.7G06N3/08(2023.01)(22)申请日2022.12.16(71)申请人哈尔滨工业大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号(72)发明人张勇蒋鹏飞刘建龙张建隆杨振刘学(74)专利代理机构哈尔滨龙科专利代理有限公司23206专利代理师李智慧(51)Int.Cl.G06T5/10(2006.01)G06V10/764(2022.01)G06V10/774(2022.01)G06N3/0464(2023.01)权利要求书2页说明书4页附图1页(54)发明名称一种基于时域和频域相协调的傅立叶单像素成像重构方法(57)摘要本发明公开了一种基于时域和频域相协调的傅立叶单像素成像重构方法，所述方法包括采集过程和重构过程，其中：采集过程是在设置的采样模式下利用傅立叶基底图案对被测目标进行编码，然后通过单像素探测器获得其光强值，根据光强值获得对应空间频率的傅立叶系数，从而获得目标的欠采样傅立叶频谱。通过实验装置对目标采集完毕后，采用基于时域和频域相协调的重构方法从采集的欠采样傅立叶频谱中重构出目标图像。本发明的重构方法利用神经网络将时域信息和频域信息相协调对欠采样频谱进行重构，能够解决传统傅立叶单像素欠采样条件下质量下降的问题，从而提高单像素成像效率。CN115953334ACN115953334A权利要求书1/2页1.一种基于时域和频域相协调的傅立叶单像素成像重构方法，其特征在于所述方法包括采集过程和重构过程，具体步骤如下：步骤一、采集过程步骤一一、计算机生成傅立叶基底图案步骤一二、设定采样方式，使用空间光调制器加载相关的傅立叶基底图案；步骤一三、使用单像素探测器获得目标的空间频率为(fx,fy)的调制光强，从而获得空间频率为(fx,fy)的傅立叶频谱T(fx,fy)；步骤一四、重复步骤一三的操作，直到所有采样的点测量完成，最终获得目标的欠采样频谱T；步骤二、重构过程通过重构过程直接从欠采样频谱T中恢复出目标的图像，包括以下步骤：步骤二一、构建数据集，根据采集过程原理，对数据集的图像进行模拟欠采样傅立叶单像素成像测量，获得数据集的欠采样频谱数据集Y；步骤二二、制作数据集的监督标签，对数据集的图像进行全采样获得频域标签，即全采样的傅立叶频谱Y1，将全采样的傅立叶频谱Y1进行傅立叶逆变换，获得时域标签，即全采样的时域图像Y2；步骤二三、设计并搭建重构网络；步骤二四、使用步骤二一获得的欠采样数据集Y训练重构网络，得到最佳模型；步骤二五、使用步骤二四训练得到的最佳模型，将实验装置采集的欠采样频谱输入到最佳模型之中，获得傅立叶单像素成像的重构结果。2.根据权利要求1所述的基于时域和频域相协调的傅立叶单像素成像重构方法，其特征在于所述步骤一二中，空间光调制器采用空间光调制器或数字微镜装置。3.根据权利要求1所述的基于时域和频域相协调的傅立叶单像素成像重构方法，其特征在于所述步骤一三中，获得对应空间频率的频谱方法采用四步相移法或三步相移法。4.根据权利要求3所述的基于时域和频域相协调的傅立叶单像素成像重构方法，其特征在于所述频谱方法采用四步相移法时，步骤一三的具体步骤如下：获取对应空间频率为(fx,fy)的傅立叶频谱T(fx,fy)，根据四步相移法分别将空间频率为(fx,fy)而初相位分别为0、π/2、π、3π/2的四个傅立叶基底图案照射到物体上或者将物体的反射光照射到DMD上，这四个傅立叶基底图案分别记为P0、Pπ/2、Pπ和P3π/2，单像素探测器依次采集信号得到光强值D0、Dπ/2、Dπ和D3π/2，根据单像素探测器测量的四个光强值，得到频率为(fx,fy)的傅立叶频谱T(fx,fy)表达式为：T(fx,fy)＝[D0(fx,fy)‑Dπ(fx,fy)]+j[D3π/2(fx,fy)‑Dπ/2(fx,fy)]。5.根据权利要求3所述的基于时域和频域相协调的傅立叶单像素成像重构方法，其特征在于所述频谱方法采用三步相移法时，步骤一三的具体步骤如下：获取对应空间频率为(fx,fy)的傅立叶频谱T(fx,fy)，采用三步相移法分别将空间频率为(fx,fy)而初相位分别为0、2π/3和4π/3的三个傅立叶基底图案照射到物体上或者将物体的反射光照射到DMD上，这三个傅立叶基底图案分别记为P0、P2π/3和P4π/3，单像素探测器依次采集信号得到光强值D0、D2π/3和D4π/3，根据单像素探测器测量的三个光强值，得到频率为(fx,fy)的傅立叶频谱T(fx,fy)表达式为：2CN115953334A权利要求书2/2页6.根据权利要求1所述的基于时域和频域相协调的傅立叶单像素成