[发明专利]一种基于插值的光子计数非视域三维成像超分辨方法

说明书

本发明公开了一种基于插值的光子计数非视域三维成像超分辨方法。该方法包括以下两个步骤：步骤一：对低分辨率的采集数据选择合适的插值方法，完成数据插值，得到更新的采集数据；步骤二：根据非视域重建算法对更新后的采集数据进行反演重建，得到更高分辨率的三维图像；该方法可以有效地解决基于光子计数技术的非视域成像系统在进行高分辨率、高帧率成像时需要大量累积时间的问题。

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，特别涉及非视域成像领域，具体地说是一种基于插值的光子计数非视域三维成像超分辨方法。

背景技术

随着单光子探测技术的快速发展，利用时间相关光子计数(Time-correlatedSingle photoncounting,TCSPC)技术对非视域(Non-line-of-sight,NLOS)目标进行三维成像在近十年得到了快速的发展。相比于传统的光电探测手段，光子计数技术可探测的光电流强度比光电探测器本身在室温下的热噪声水平还要低(10^-14W)，因此该技术特别适用于非视域成像、单光子成像这种极微弱光成像技术。然而，由于单光子探测器对单个回波光子的探测属于概率探测，在这种探测体制下，单个脉冲的回波光子数往往小于1，因此常常需要大量的累积时间(脉冲数)来获取足够丰富的目标回波信息。对于采用单点式探测器的成像系统，其成像过程中单个像素累积脉冲数与成像分辨率和成像帧率的代数关系如下式所述：

式中，K代表扫描过程中单像素上的累积脉冲数，PRF代表脉冲激光器的重复频率，S代表成像帧率(单位：帧/秒)，M×M代表成像分辨率，也即采样点数。

由此可见，为了保证单个像素具有足够的回波光子(即足够的累积脉冲数)，且需要保证较高的成像分辨率，就要极大降低成像帧率(即单帧图像的成像时间大大加长)。例如文献Lindell D B,Wetzstein G,O'Toole M.Wave-based non-line-of-sight imagingusing fast f-k migration[J].ACM Transactions on Graphics(TOG),2019,38(4):1-13.，Lindell D B等人开发的成像系统在室内暗环境下展示了较低分辨率下的实时成像(64×64/2Hz；32×32/4Hz)，然而为了对室外场景中的目标进行128×128的三维成像，需要花费50分钟采集数据，其原因在于：一、作为一种极弱光成像，室外环境中极强的背景噪声严重降低了信噪比，因此每个像素就需要大量的累计脉冲来提高回波信号的信噪比；二、高分辨率的成像意味着采样点数的急剧增加，也即总的数据采集时间增加，其他类似典型案如文献O'Toole M,Lindell D B,Wetzstein G.Confocal non-line-of-sight imagingbased on the light-cone transform[J].Nature,2018,555(7696):338-341与Liu X,Guillen I,La Manna M,et al.Non-line-of-sight imaging using phasor-fieldvirtual wave optics[J].Nature,2019,572(7771):620-623.。

针对这一问题，一种很好的解决方案采用面阵式单光子探测器，即通过一个尺寸为M×M的探测器阵列，通过一次照射，而不需要耗时长久的扫描过程，可以获得同样的成像分辨率。在已有的工作中，文献Nam J H,Brandt E,Bauer S,et al.Real-time Non-line-of-Sight imaging of dynamic scenes[J].arXiv preprint arXiv:2010.12737,2020.采用16×1的阵列探测器，辅以特殊的扫描方式，实现了实时级的非视域成像。然而受限于大尺寸阵列探测器的制造工艺和成本，采用这种方案进行高分辨率、高帧率的非视域成像技术还有很大的困难。

发明内容