[发明专利]一种基于视场耦合约束的直接光照与全局光照分离方法

说明书

本发明涉及一种基于视场耦合约束的直接光照与全局光照分离方法，属于光学成像领域。本发明所涉及的分离直接光照与全局光照的方法应用于空间光调制器与像素阵列探测器所组成的共轴成像系统。在成像过程中，首先，通过单像素成像方法，解算得到像素阵列探测器每个像素对应于空间光调制器视角的光传输系数；然后，根据视场耦合约束，得到每个像素光传输系数中的直接光照分量，光传输系数的其余部分即为全局光照分量，从而实现在光传输层面的直接光照和全局光照的分离目标；最后，通过光照耦合重构算法可分别获得直接光照分量和全局光照分量成像结果。由于充分利用了直接光照分量一定满足视场耦合约束，而全局光照分量基本不满足该约束的重要关系，本发明可在存在各种全局光照条件下，分离直接光照和全局光照分量。

技术领域

本发明涉及一种基于视场耦合约束的直接光照与全局光照分离方法，当存在各种全局光照条件下，可实现直接光照和全局光照分量的分离，属于光学成像领域。

背景技术

光学成像系统对场景反射光的强度进行探测，从而获取场景信息。场景的反射光是包含有直接光照分量和全局光照分量的混合量，且二者分别反映场景的不同信息。例如，直接光照分量反映物点处材质的反射特性，全局光照分量反映了由物体几何形状产生的复杂光学相互作用。然而，传统光学成像系统中每个像素探测的是二者合成后的结果，因此使用传统成像系统实现二者的分离是一个具有挑战性的难题。

单像素成像(Single-pixel Imaging)方法是一种全新的成像方式，它利用空间光调制器(如投射器)向场景投射一系列基模式图案，同时使用不具有空间分辨率的光电探测器对叠加了基图案模式的场景进行拍摄。这种成像方法通过单像素成像的图像重构算法对采集到的数据进行解算，重构得到空间光调制器视角下的图像。单像素探测器采集到的信号具有能量大，信噪比高的特点，特别适合于能量较弱的弱光信号探测。同时，基于这种成像机理，由于光电探测器所接收的空间光调制器不同像素位置处的光被基图案模式编码，使得不同像素位置的出射光具有不同的编码模式，从而为实现直接光照和全局光照的分离提供了基础。

发明内容

本发明提出了一种基于视场耦合约束的直接光照与全局光照分离方法，可在存在各种全局光照条件下，分离直接和全局光照分量。为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。

实现本发明提出的一种基于视场耦合约束的直接光照与全局光照分离方法主要需要空间光调制器与像素阵列探测器以及分束器。在成像过程中，首先，通过单像素成像方法，解算得到像素阵列探测器每个像素对应于空间光调制器视角的光传输系数；然后，根据视场耦合约束，得到每个像素光传输系数中的直接光照分量，光传输系数的其余部分即为全局光照分量，从而实现在光传输层面的直接光和全局光的分离目标；最后，通过光照耦合重构算法可分别获得像素阵列视角下直接光照分量和全局光照分量成像结果。

本发明的一种基于视场耦合约束的直接光照与全局光照分离方法的实现过程包括以下步骤：

(1)先将空间光调制器和像素阵列探测器面向目标场景放置，空间光调制器的投射区域应与像素阵列探测器采用共轴光路成像方式；

(2)通过单像素成像方法获得每个像素对应于空间光调制器的光传输系数；

(3)根据视场耦合约束，得到每个像素光传输系数中的直接光照分量，光传输系数的其余部分即为全局光照分量；

(4)通过光照耦合重构算法分别获得直接光照分量和全局光照分量成像结果，光照耦合重构算法将全部像素阵列探测器像素光传输系数中的直接光照分量与全局光照分量分别求和，得到分离的直接光照和全局光照成像结果。

所述步骤(3)中的视场耦合约束为像素阵列探测器中每个像素能够通过场景的直接光照而观测到的空间光调制器像素位置，视场耦合约束可表达为：