基于關(guān)聯(lián)成像及圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的距離測量方法

魏　凱,戴　博,秦　川,張大偉

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093)

基于關(guān)聯(lián)成像及圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的距離測量方法

魏凱,戴博,秦川,張大偉

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要針對(duì)現(xiàn)有的距離測量方法僅能測量距離,功能較為單一的問題。提出一種基于關(guān)聯(lián)成像和圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的距離測量方法,其可達(dá)到測量距離和成像的目的。通過實(shí)驗(yàn)測量檢測光路光強(qiáng),由計(jì)算機(jī)模擬不同傳播距離參考光路光強(qiáng),將兩路光強(qiáng)做相關(guān)運(yùn)算獲得一系列目標(biāo)物體圖像,用峰值信噪比評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量,峰值信噪比最大的圖像對(duì)應(yīng)的參考距離即為測量值。文中利用Matlab設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了文中方法達(dá)到了獲得目標(biāo)物體圖像和準(zhǔn)確測量的效果。

關(guān)鍵詞關(guān)聯(lián)成像;距離測量;峰值信噪比

An Effective Distance Measurement Method Based on CorrelationImaging and Image Quality Evaluation

WEI Kai,DAI Bo,QIN Chuan,ZHANG Dawei

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractExisting distance measurement methods are capable of only distance measurement.An effective distance measurement method based on correlation imaging and image quality evaluation that can measure distance and image is proposed.The detection intensity is obtained from experiments,and the reference intensity of different propagation distance simulated by computer.A series of images can be obtained by calculating correlation of above two intensities.The peak signal to noise ratio (PSNR) is employed to evaluate the quality of images.The reference distance of image of maximal PSNR is the measured distance.Matlab experiments show the method can accurately measure distance and obtain the images.

Keywordscorrelation imaging;distance measurement;PSNR

關(guān)聯(lián)成像,又稱鬼成像(Ghost Imaging),是一種不同于傳統(tǒng)激光成像方式[1]的新型成像技術(shù),由于其特殊的物理特性引起越來越多的研究關(guān)注[2-10]。關(guān)聯(lián)成像最初是利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)實(shí)現(xiàn)的[11],但之后人們利用贗熱光、熱光源同樣可實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像。目前已有一些關(guān)于成像光源和成像本質(zhì)的研究工作[12-14],但基于關(guān)聯(lián)成像的應(yīng)用研究較少。本文基于關(guān)聯(lián)成像基本原理,提出了一種新穎有效的距離測量方法,同時(shí)能獲得目標(biāo)物體的圖像。

1基于關(guān)聯(lián)成像的測距方法

利用惠更斯-菲涅耳理論和經(jīng)典光學(xué)相關(guān)理論來研究關(guān)聯(lián)成像原理并提出一種基于關(guān)聯(lián)成像的測距方法。關(guān)聯(lián)成像測距最主要的任務(wù)是獲得參考光路光強(qiáng)和檢測光路光強(qiáng),將這兩個(gè)光強(qiáng)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算成像。本文中檢測光路光強(qiáng)通過實(shí)驗(yàn)測量,參考光路光強(qiáng)通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn),并且目標(biāo)物體的圖像已知。

1.1　檢測光路光強(qiáng)

圖1是關(guān)聯(lián)成像測距的實(shí)驗(yàn)方案圖。圖中激光發(fā)射器(LS)產(chǎn)生波長為λ的連續(xù)激光,經(jīng)過空間濾波器(SF)和透鏡(L1)轉(zhuǎn)換成平行光,設(shè)光源到空間光相位調(diào)制器的距離為S1,平行光透過空間光相位調(diào)制器(SLM)后改變光場的空間相位[14],該光束傳播距離D后,照射到目標(biāo)物體(T),透過目標(biāo)物體(T)和透鏡(L2)后被桶形探測器(BD)檢測,得到檢測光路光強(qiáng)Br[3]。迭代上述操作N次,且每次操作使用由不同相位生成的隨機(jī)相位板,設(shè)每次操作空間光相位調(diào)制器所調(diào)制的相位用ψr(x,y)表示,則透過空間光相位調(diào)制器的光場分布Er(x,y,0)可由式(1)計(jì)算,其中E0為照射到空間光相位調(diào)制器前的入射光光場分布,i是虛數(shù)單位。根據(jù)惠更斯-菲涅耳理論可知,傳播任意距離D處的光場分布Er(x,y,D)可用式(2)計(jì)算得到

Er(x,y,0)=E0e-iψr(x,y)

(1)

Er(x,y,D)=E0(x,y,0)?HD(x,y)

(2)

其中,HD(x,y)表示光在傳播距離D處的菲涅耳傳播函數(shù);符號(hào)?表示卷積運(yùn)算,在檢測光路上傳播距離D后的光強(qiáng)Ir(x,y,D)可由式(3)得到

(3)

圖1　關(guān)聯(lián)成像測距實(shí)驗(yàn)方案圖

設(shè)T(x,y)表示目標(biāo)物體,光透過目標(biāo)物體被桶形探測器檢測到的檢測光路光強(qiáng)Br由式(4)得到

Br=∫∫Ir(x,y,D)T(x,y)dxdy

(4)

1.2　參考光路光強(qiáng)

設(shè)參考光路的傳播距離為Z,且D不一定等于Z。由計(jì)算機(jī)構(gòu)造不同距離Z的菲涅耳傳播函數(shù)HZ(x,y),根據(jù)式(5)和式(6),可得到不同傳播距離Z所對(duì)應(yīng)的參考光路光場分布Er(x,y,Z)和參考光強(qiáng)Ir(x,y,Z)

Er(x,y,Z)=E0(x,y,0)?HZ(x,y)

(5)

(6)

1.3　關(guān)聯(lián)成像和距離測量

根據(jù)關(guān)聯(lián)成像原理,如式(7)所示。將上述得到的Br和Ir(x,y,Z)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算可到目標(biāo)物體圖像O

O=Br?Ir(x,y,Z)=〈ΔBrΔIr(x,y,Z)〉

(7)

假設(shè)光源完全非相干,則光強(qiáng)相關(guān)性可由式(8)和式(9)表示

O∝∫∫T(x,y)h(x,y)dxdy

(8)

(9)

其中,h(x,y)是此光學(xué)成像系統(tǒng)中照射到物體之前光強(qiáng)的點(diǎn)分布函數(shù),決定了關(guān)聯(lián)成像圖像清晰度。h(x,y)區(qū)間越小成像質(zhì)量越好,且由式(9)可知h(x,y)的值跟D和Z有關(guān),當(dāng)且僅當(dāng)D=Z時(shí),h(x,y)最小,此時(shí)成像質(zhì)量最優(yōu)?；陉P(guān)聯(lián)成像的測距方法依據(jù)參考光路光強(qiáng)和檢測光路光強(qiáng)的相關(guān)性來成像,成像質(zhì)量最優(yōu)時(shí)的參考光路距離Z等于檢測距離D,用峰值信噪比(PSNR)判斷圖像質(zhì)量優(yōu)劣。

在進(jìn)行距離測量時(shí),按圖1所示配置可得到檢測光路光強(qiáng),通過計(jì)算機(jī)仿真出不同傳播距離的參考光路光強(qiáng),將其分別與檢測光路光強(qiáng)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,得到一系列恢復(fù)圖像。計(jì)算恢復(fù)圖像的PSNR來判斷其質(zhì)量,根據(jù)式(10)可得一系列恢復(fù)圖像的峰值信噪比

(10)

(11)

其中,MSE表示原圖像和恢復(fù)圖像之間的均方誤差;K表示圖像總像素?cái)?shù)量;Pi表示目標(biāo)物體原圖像第i個(gè)像素值;P’i表示恢復(fù)圖像第i個(gè)像素值,MSE值可由式(11)計(jì)算。PSNR值越大表明恢復(fù)圖像的質(zhì)量越好,當(dāng)PSNR值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的參考距離Z即是待測距離D。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證本文所提出的測距方法正確性和有效性,本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示,其中,激光發(fā)生器到空間光相位調(diào)制器的距離S1=400mm,激光波長λ=0.623 8μm,空間光相位調(diào)制器像素間距19μm,每次迭代操作中使用空間光調(diào)制器上256×256個(gè)隨機(jī)相位進(jìn)行調(diào)制。目標(biāo)物體尺寸為5.12cm×5.12cm,其到空間光調(diào)制器的距離D=450mm,是待測的量,設(shè)迭代次數(shù)N=16 000,在200~650mm區(qū)間,間隔50mm取不同的Z值進(jìn)行成像計(jì)算,用Matlab軟件在配置為雙核3.4GHz主頻,內(nèi)存4GB的計(jì)算機(jī)上按上述參數(shù)進(jìn)行模擬仿真。圖2為原目標(biāo)物體圖像及不同參考光路傳播距離的恢復(fù)圖像。

圖2　目標(biāo)物體原圖及不同Z值對(duì)應(yīng)恢復(fù)圖像

從圖2可知,檢測光路光強(qiáng)Br的傳播距離不等于參考光路光強(qiáng)分布Ir(x,y,Z)的傳播距離時(shí),通過關(guān)聯(lián)運(yùn)算也能成像,但成像質(zhì)量較差,且這兩個(gè)距離偏差越大,成像質(zhì)量越差,只有兩者距離相等時(shí),成像質(zhì)量才最佳,通過圖3更容易得出上述結(jié)論。

圖3　不同Z值恢復(fù)圖像的PSNR曲線圖

圖3是不同Z值恢復(fù)圖像對(duì)應(yīng)的PSNR曲線圖,PSNR最大值對(duì)應(yīng)的參考距離即是測量距離。由圖3可知,恢復(fù)圖像PSNR值隨著Z的增加先逐漸增大再逐漸減小,在Z=450mm時(shí)最大,而目標(biāo)物體的實(shí)際距離D=450mm,恰好等于待測量距離的真實(shí)值D,從而驗(yàn)證了本文方法的正確性和有效性。僅用沒有空間分辨能力的桶形探測器實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)物體到空間光調(diào)相板之間的距離測量,同時(shí)也達(dá)到了獲得目標(biāo)物體圖像的目標(biāo)。

3結(jié)束語

基于關(guān)聯(lián)成像的距離測量方法根據(jù)關(guān)聯(lián)成像原理,光經(jīng)過空間光相位調(diào)制器調(diào)制,在檢測光路上傳播距離D得到探測光強(qiáng)。根據(jù)惠更斯-菲涅耳理論,通過計(jì)算機(jī)輔助,模擬不同傳播距離參考光路光強(qiáng),分別與檢測光強(qiáng)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,得到一系列不同的恢復(fù)圖像。光在這兩個(gè)光路上傳播相等距離時(shí),光場分布最相似,相關(guān)性最佳,故成像質(zhì)量最佳,即為圖像質(zhì)量最佳所對(duì)應(yīng)的參考光路傳播距離就是待測距值。本文方案拓展了關(guān)聯(lián)成像一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域,由于是通過成像來測量距離,不僅能實(shí)現(xiàn)距離測量,且也獲得了目標(biāo)物體的圖像等信息。但成像速度較慢,成像分辨率較低,這是需進(jìn)一步研究與改進(jìn)的方向。

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作者簡介:魏凱(1988—),男,碩士研究生。研究方向:關(guān)聯(lián)成像等。戴博(1986—),男,博士,講師。研究方向:全光信號(hào)處理等。秦川(1980—),男,博士,副教授。研究方向:數(shù)字圖像處理等。張大偉(1977—),男,博士,教授。研究方向:光學(xué)薄膜等。

收稿日期:2015- 05- 11

中圖分類號(hào)TP391.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)01-102-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.027