CN104156908A - 高时间分辨率的频域瞬态成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高时间分辨率的频域瞬态成像方法，包括以下步骤：1)通过调制成像系统对被测对象采集一组图像集I_x,y(f,φ)；2)从频率为f的所述图像集I_x,y(f,φ)中提取出基波图像和谐波图像Iⁿ _x,y(nf)；3)对所述基波图像和所述谐波图Iⁿ _x,y(nf)像进行幅值和相位的校正；4)将校正后的所述基波图像和所述谐波图像Iⁿ _x,y(nf)组成频谱图像集I^p _x,y(f)，然后沿着所述频谱图像集的频率f做傅里叶变换得到瞬态图像i_x,y(t)。该方法从采集得到的有限工作频率的图像数据中提取出高次谐波分量，获得更高频率的信息，从而提高瞬态图像的时间分辨率。

Description

高时间分辨率的频域瞬态成像方法

技术领域

本发明涉及光学和计算机视觉领域，特别涉及一种高时间分辨率的频域瞬态成像方法。

背景技术

对于一般成像系统来说光速可以认为是无穷大的，因此传统图像记录的是在光照稳定的条件下的对象的光响应。但是对象的光瞬态响应包含了更多的信息。采集对象的光瞬态响应的信息的技术称为瞬态成像。瞬态成像的一种方法是采用超高速的相机，并且需要超短脉冲光源。这种方法属于时域采集方案，其时间分辨率取决于相机的成像速度。缺点为所采用的超高速成像系统系统和光源非常昂贵，而且采集过程复杂非常耗时。另一种方法是采用调制成像系统，所需的系统与TOF(飞行时间)深度相机原理相同，区别在于深度相机采用固定频率的脉冲进行成像，而瞬态成像所用的调制成像系统需要用多个频率分别进行成像。这种方法属于频域采集方案，成像系统在每个工作频率上采集的数据就是瞬态图像的在该频率的频谱，通过傅里叶变换及相关去噪算法或采用优化方法可以求解出瞬态图像。频域瞬态成像的时间分辨率主要取决于调制成像系统的工作频率。由于硬件系统的限制，调制成像系统只能工作在有限的频率范围，这限制了得到的瞬态图像的时间分辨率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中调制成像系统工作的频率范围有限导致瞬态图像的时间分辨率较低的技术缺陷，发明了一种高时间分辨率的频域瞬态成像方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高时间分辨率的频域瞬态成像方法，该方法包括以下步骤：1)通过调制成像系统对被测对象采集一组图像集I_x,y(f,φ)；2)从频率为f的所述图像集I_x,y(f,φ)中提取出基波图像和谐波图像Iⁿ _x,y(nf)；3)对所述基波图像和所述谐波图Iⁿ _x,y(nf)像进行幅值和相位的校正；4)将校正后的所述基波图像和所述谐波图像Iⁿ _x,y(nf)组成频谱图像集I^p _x,y(f)，然后沿着所述频谱图像集的频率f做傅里叶变换得到瞬态图像i_x,y(t)。

上述技术方案中，步骤1)中所述调制成像系统至少包括一个信号发生器、一个光源及一个成像系统。

上述技术方案中，步骤1)中所述通过调制成像系统对被测对象采集一组频率为f的图像集I_x,y(f,φ)的步骤为：a)所述信号发生器控制所述光源以频率f发射方波信号，并控制所述成像系统的快门以同频率成像；b)采集所述光源的控制信号和所述成像系统的快门的控制信号的相位差为φ时得到的图像及φ-90°得到的图像组成所述图像集 $I_{x,y}(f,\mathrm{\φ})=I_{x,y}^r(f,\mathrm{\φ})+j{I}_{x,y}^i(f,\mathrm{\φ}),$ 其中j为虚数符号。

上述技术方案中，步骤1)中所述调制成像系统选择从低到高的频率范围选择等间隔工作频率以及从0到2π的相位选择等间隔相位对被测对象进行采集图像。

上述技术方案中，步骤2)中从所述频率为f的图像集I_x,y(f,φ)中提取出基波图像和谐波图像Iⁿ _x,y(nf)的步骤为：

${I^n}_{x,y}\left(\mathrm{nf}\right)=\frac{2}{K}\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{x,y}(f,k{\mathrm{\φ}}_s)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πnk}}{K}\right).$

上述技术方案中，步骤3)中在对所述基波图像和所述谐波图Iⁿ _x,y(nf)像进行幅值和相位的校正之前，先对所述调制成像系统进行标定，其步骤为：

A)选取一个表面均匀的漫反射板，放置在所述调制成像系统之前；

B)对所述漫反射板进行数据采集，得到一组图像C_x,y(f,φ)；

C)采用参数化模型 $C_{x,y}(f,\mathrm{\φ})=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}^n\left(\mathrm{nf}\right)\exp \{-j[\mathrm{n\φ}-{\mathrm{\φ}}_0^n\left(\mathrm{nf}\right)\left]\right\}$ 拟合得到参数Aⁿ(nf)和

上述技术方案中，步骤4)将校正后的所述基波图像和所述谐波图像Iⁿ _x,y(nf)组成频谱图像集I^p _x,y(f)的步骤中，如果一个频率点有多幅图像，则保留基波图像或最低次谐波的图像；如果一个频率点没有图像，则用幅值线性插值和相位线性插值补足该频率点的图像。

本发明具有如下有益效果：本发明的高时间分辨率的频域瞬态成像方法，从采集得到的有限工作频率的图像数据中提取出高次谐波分量，获得更高频率的信息，从而提高瞬态图像的时间分辨率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明调制成像系统示意图；

图2是本发明高时间分辨率的频域瞬态成像方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，本发明提供了一种调制成像系统，该系统至少包括：一个信号发生器、一个光源和一个成像系统；

如图2所示，为利用上述调制成像系统实施的高时间分辨率的频域瞬态成像方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S100：通过调制成像系统对被测对象采集一组图像集I_x,y(f,φ)，其中，f为工作频率，φ是可调相位；

更为具体地，首先信号发生器控制光源以频率f发射方波信号，并控制成像系统的快门以同频率成像；若采集光源的控制信号和成像系统的快门的控制信号的相位差为φ时得到的图像若采集光源的控制信号和成像系统的快门的控制信号的相位差为φ-90°时得到的图像因此，采集得到的图像集为j为虚数符号；其中，该调制成像系统选择从低到高的频率范围选择等间隔工作频率(即工作频率f＝nf_s，f∈[f_L，f_H]，其中n为正整数，f_s为频率间隔，f_L,f_H分别为调制成像系统的最小和最大调制频率)以及从0到2π的相位选择等间隔相位(即φ＝mφ_s，φ_s为相位间隔，m＝0,1,...,K，K＝2π/φ_s)对被测对象进行采集图像。

步骤S102：从频率为f的所述图像集I_x,y(f,φ)中提取出基波图像和谐波图像Iⁿ _x,y(nf)，其中n为正整数；

其中，从频率为f的图像集I_x,y(f,φ)中提取出基波图像和谐波图像Iⁿ _x,y(nf)的具体方法步骤为：

${I^n}_{x,y}\left(\mathrm{nf}\right)=\frac{2}{K}\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{x,y}(f,k{\mathrm{\φ}}_s)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πnk}}{K}\right).$

步骤S104：对基波图像和谐波图Iⁿ _x,y(nf)像进行幅值和相位的校正；

在进行校正之前，首先对调制成像系统进行标定(对于一个调制成像系统，标定仅需执行一次)，获得在每个工作频率下光源信号的基波和谐波的幅值Aⁿ(nf)和相移然后将Iⁿ _x,y(nf)除以标定的步骤为：

1)选取一个表面均匀的漫反射板，放置在调制成像系统之前；

2)对漫反射板进行数据采集，得到一组图像C_x,y(f,φ)；

3)采用以下参数化模型拟合得到参数Aⁿ(nf)和

$C_{x,y}(f,\mathrm{\φ})=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}^n\left(\mathrm{nf}\right)\exp \{-j[\mathrm{n\φ}-{\mathrm{\φ}}_0^n\left(\mathrm{nf}\right)\left]\right\}.$

步骤S106：将校正后的基波图像和谐波图像Iⁿ _x,y(nf)组成频谱图像集I^p _x,y(f)，然后沿着频谱图像集的频率f做傅里叶变换得到瞬态图像i_x,y(t)；

在将校正后的基波图像和谐波图像Iⁿ _x,y(nf)组成频谱图像集I^p _x,y(f)的进程中，如果一个频率点有多幅图像，则保留基波图像或最低次谐波的图像；如果一个频率点没有图像，则用幅值线性插值和相位线性插值补足该频率点的图像，最终得到频率间隔为f_s的频谱图像集I^p _x,y(f)。

本发明的高时间分辨率的频域瞬态成像方法，从采集得到的有限工作频率的图像数据中提取出高次谐波分量，获得更高频率的信息，从而提高瞬态图像的时间分辨率。

下面对本发明实施例高时间分辨率的频域瞬态成像方法进行实例分析，具体为对一个对象进行瞬态成像的实例，步骤如下：

步骤200：设置调制成像系统的工作频率5MHz～165MHz，间隔f_s＝1MHz，相位0～π，间隔φ_s＝π/200，采集得到一组图像I_x,y(f,φ)。

步骤202：对于频率为f的图像集I_x,y(f,φ)，提取出基波图像和谐波图像；

${I^n}_{x,y}\left(\mathrm{nf}\right)=\frac{2}{K}\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{x,y}(f,k{\mathrm{\φ}}_s)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πnk}}{K}\right).$

由于高次谐波幅值较小，只选择3次谐波，即n的最大值为3。

步骤204：用标定参数对基波图像和谐波图像进行校正；

${I^n}_{x,y}\left(\mathrm{nf}\right)={I^n}_{x,y}\left(\mathrm{nf}\right)/\left\{A^n\left(\mathrm{nf}\right)\exp \right[{\mathrm{\φ}}_0^n\left(\mathrm{nf}\right)\left]\right\}.$

步骤206：用校正后的基波图像和谐波图像组成频谱图像集I^p _x,y(f)，频率间隔为f_s＝1MHz。其中5～165MHz频段采用基波图像，166～330MHz频段采用二次谐波图像，331～495MHz频段采用三次谐波图像。0～5MHz频段和166～495MHz频段中不存在的图像，用幅值线性插值和相位线性插值补足。

步骤208：重构瞬态图像i_x,y(t)＝FFT[I^p _x,y(f)]。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (7)

1.一种高时间分辨率的频域瞬态成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过调制成像系统对被测对象采集一组图像集I_x,y(f,φ)；

2)从频率为f的所述图像集I_x,y(f,φ)中提取出基波图像和谐波图像Iⁿ _x,y(nf)；

3)对所述基波图像和所述谐波图像Iⁿ _x,y(nf)进行幅值和相位的校正；

4)将校正后的所述基波图像和所述谐波图像Iⁿ _x,y(nf)组成频谱图像集I^p _x,y(f)，然后沿着所述频谱图像集的频率f做傅里叶变换得到瞬态图像i_x,y(t)。

2.根据权利要求1所述的高时间分辨率的频域瞬态成像方法，其特征在于，步骤1)中所述调制成像系统至少包括一个信号发生器、一个光源及一个成像系统。

3.根据权利要求2所述的高时间分辨率的频域瞬态成像方法，其特征在于，步骤1)中所述通过调制成像系统对被测对象采集一组图像集I_x,y(f,φ)的步骤为：

a)所述信号发生器控制所述光源以频率f发射方波信号，并控制所述成像系统的快门以同频率成像；

b)采集所述光源的控制信号和所述成像系统的快门的控制信号的相位差为φ时得到的图像及φ-90°得到的图像组成所述图像集 $I_{x,y}(f,\mathrm{\φ})=I_{x,y}^r(f,\mathrm{\φ})+j{I}_{x,y}^i(f,\mathrm{\φ}),$ 其中j为虚数符号。

4.根据权利要求1所述的高时间分辨率的频域瞬态成像方法，其特征在于，步骤1)中所述调制成像系统选择从低到高的频率范围选择等间隔工作频率以及从0到2π的相位选择等间隔相位对被测对象进行采集图像。

5.根据权利要求1所述的高时间分辨率的频域瞬态成像方法，其特征在于，步骤2)中从所述频率为f的图像集I_x,y(f,φ)中提取出基波图像和n次谐波图像Iⁿ _x,y(nf)的步骤为：

${I^n}_{x,y}\left(\mathrm{nf}\right)=\frac{2}{K}\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{x,y}(f,k{\mathrm{\φ}}_s)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πnk}}{K}\right).$

6.根据权利要求1-5任一项中所述的高时间分辨率的频域瞬态成像方法，其特征在于，步骤3)中在对所述基波图像和所述谐波图像Iⁿ _x,y(nf)进行幅值和相位的校正之前，先对所述调制成像系统进行标定，其步骤为：

A)选取一个表面均匀的漫反射板，放置在所述调制成像系统之前；

B)对所述漫反射板进行数据采集，得到一组图像C_x,y(f,φ)；

C)采用参数化模型 $C_{x,y}(f,\mathrm{\φ})=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}^n\left(\mathrm{nf}\right)\exp \{-j[\mathrm{n\φ}-{\mathrm{\φ}}_0^n\left(\mathrm{nf}\right)\left]\right\}$ 拟合得到参数Aⁿ(nf)和

7.根据权利要求1所述的高时间分辨率的频域瞬态成像方法，其特征在于，步骤4)将校正后的所述基波图像和所述谐波图像Iⁿ _x,y(nf)组成频谱图像集I^p _x,y(f)的步骤中，如果一个频率点有多幅图像，则保留基波图像或最低次谐波的图像；如果一个频率点没有图像，则用幅值线性插值和相位线性插值补足该频率点的图像。