一种体散射瞬态成像方法及计算机可读存储介质技术

本发明专利技术提供一种体散射瞬态成像方法及计算机可读存储介质，方法包括：采集体散射场景的目标物体的共焦式空时瞬态图像，目标物体在零时刻发出球面波，则目标物体代表散射波场的时域边界条件，而采集平面固定在零深度平面，则瞬态图像代表体散射波场的空域边界条件；基于体散射场景建立体散射光传输模型；利用体散射光传输模型将体散射波场的空域边界条件转换到时域边界条件得到所述目标物体的重建结果。有效避免了求解过程中的计算近似并充分利用了散射光信息，可以在信号光子极度衰减的体散射场景中重建复杂物体；提高了重建精度；提升了在强散射环境的成像能力，扩大了散射重建的范围，具有重要的应用价值。具有重要的应用价值。具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种体散射瞬态成像方法及计算机可读存储介质


[0001]本专利技术涉及计算机视觉与数字图像处理
，尤其涉及一种体散射瞬态成像方法及计算机可读存储介质。

技术介绍

[0002]散射介质广泛存在于自然界中，如生物组织、云雾和浑浊深海等，由于散射介质会对光线进行非线性的反射、折射和衰减，传统的光学成像系统无法直接获取场景信息，这给医学观测、自动驾驶和深海探测等领域带来挑战。而体散射成像旨在突破传统成像方式，计算重建被散射介质淹没的目标信息，这将为医学诊疗、智能交通和科学探测提供关键的技术支持。
[0003]光在自由空间中传播时，遵循严格的几何光学路径,因此探测器采集到光子信号强度全部来源于经目标物反射的光子，同时基于这种传播特性，自由空间中传播的信号光子也标记了目标物的特征。然而光在体散射介质中传播时，由于散射作用而改变了原始的传播方向，同时部分光线未经过目标物体而直接进入探测器，造成了信号光子与散射光子在时域分布上的高度耦合，当目标物完全沉浸在体散射介质中时，信号光子也丢失了所携带的目标特征。这种现象随着散射程度的增加而愈加明显，信号光子强度也极具衰减。因此从强散射环境中重建目标面临着巨大的挑战。
[0004]现有的大多数研究工作分析散射介质的局部特性，利用波前整形、散斑相关或反卷积重建等方法实现了透过散射层成像，然而这些方法局限在小尺度范围内，在实际宏观体散射场景如浓雾或浑浊水质中并不适用；另外一些方法基于反射率或透射率模型在色度空间中增强图像对比度实现了在薄雾环境中的去散射，然而这类方法只建模了单次散射过程，因而无法应用在强散射场景中；近来，还有一些方法直接建模了光散射过程并对其求逆来实现强散射介质中的成像，然而这类方法依赖于复杂的优化迭代算法进行求解，因而只能重建二维简单目标对象，且重建精度低。
[0005]现有技术中体散射成像方法存在算法重建范围小、强散射重建能力差、重建精度低的问题。
[0006]以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本专利技术的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了解决现有的问题，提供一种体散射瞬态成像方法及计算机可读存储介质。
[0008]为了解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下所述：
[0009]一种体散射瞬态成像方法，包括如下步骤：S1：采集体散射场景的目标物体的共焦式空时瞬态图像，所述目标物体在零时刻发出球面波，则所述目标物体代表体散射波场的
时域边界条件，而采集平面固定在零深度平面，则采集的所述瞬态图像代表所述体散射波场的空域边界条件；S2：基于所述体散射场景建立体散射光传输模型；S3：利用所述体散射光传输模型将所述体散射波场的空域边界条件转换到时域边界条件得到所述目标物体的重建结果。
[0010]优选地，得到所述目标物体的重建结果包括如下步骤：S31：将所述瞬态图像进行二维空域傅立叶变换得到第一变换结果，对所述第一变换结果进行一维时域数值变换得到第二变换结果；S32：将所述第二变换结果在频域中进行时域
‑
空域插值得到插值图像将时间信息转化为空间信息；S33：将所述插值图像进行三维空域傅立叶逆变换得到所述目标物体的所述重建结果。
[0011]优选地，将所述瞬态图像φ(x,y,z＝0,t)进行二维空域傅立叶变换得到所述第一变换结果对所述转换结果进行一维时域数值变换得到所述第二变换结果具体通过如下公式表达：
[0012][0013]离散化表述为：
[0014][0015]其中，A为传输矩阵，大小为M
×
M,M为时间采样的长度；
[0016]对矩阵A进行求逆运算得到所述第二变换结果
[0017]其中，(x,y,z)是所述目标物体所在空间的三维坐标，t是时刻，D是体散射介质的散射系数，f是光的频率，μ
a
是体散射介质的吸收系数，k
x
是波矢量的第一分量，k
y
是波矢量的第二分量，c是光的传播速度，i是虚数单位，e是指数函数，d是微分算子。
[0018]优选地，采用大型稀疏矩阵的求逆方法对矩阵A进行求逆运算，所述大型稀疏矩阵的求逆方法包括但不限于极小残差法、共轭梯度法或广义极小残差法。
[0019]优选地，将所述第二变换结果在频域中进行时域
‑
空域插值得到所述插值图像Φ
′
(k
x
,k
y
,k
z
)，采用的插值模型f＝f(k
z
)；其中，k
z
是波矢量的第三分量。
[0020]优选地，所述插值模型为光的色散关系：
[0021][0022]所述第二变换结果与所述插值图像Φ
′
(k
x
,k
y
,k
z
)的转换关系表示为：
[0023][0024]优选地，将所述插值图像Φ
′
(k
x
,k
y
,k
z
)进行三维空域傅立叶逆变换得到所述目标物体的所述重建结果φ(x,y,z,t＝0)，具体地：
[0025][0026]优选地，采用共焦式成像系统采集共焦式空时瞬态图像，所述共焦式成像系统主动光源与超快探测器共享同一光路。
[0027]优选地，基于所述体散射场景采用波动方程、辐射传输方程或辐射传输方程的近似方程建立所述体散射光传输模型。
[0028]本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一所述方法的步骤。
[0029]本专利技术的有益效果为：提供一种体散射瞬态成像方法及计算机可读存储介质，本专利技术通过将采集的图像表示为散射波场的空域边界条件，待重建的散射场景表示为散射波场的时域边界条件，从而将散射成像过程建模为散射波场的边界值转换问题，即采集图像到成像目标的映射可由散射波场的空域边界条件到时域边界条件的转换实现；通过这种基于边界值转换的体散射瞬态成像方法，有效避免了求解过程中的计算近似并充分利用了散射光信息，可以在信号光子极度衰减的体散射场景中重建复杂物体。
[0030]进一步地，有效避免了对散射光模型进行求逆这一病态问题的求解，提高了重建精度。
[0031]再进一步地，本专利技术充分利用微弱的信号光子信息，并对信号光子与散射光子进行有效解耦，最终提升了算法在强散射环境如浓雾或浑浊水质中的成像能力，扩大了散射重建的范围，具有重要的应用价值。
附图说明
[0032]图1是本专利技术实施例中一种体散射瞬态成像方法的示意图。
[0033]图2是本专利技术实施例中一种瞬态成像装置的示意图。
[0034]图3是本专利技术实施例中得到所述目标物体的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种体散射瞬态成像方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：采集体散射场景的目标物体的共焦式空时瞬态图像，所述目标物体在零时刻发出球面波，则所述目标物体代表体散射波场的时域边界条件，而采集平面固定在零深度平面，则采集的所述瞬态图像代表所述体散射波场的空域边界条件；S2：基于所述体散射场景建立体散射光传输模型；S3：利用所述体散射光传输模型将所述体散射波场的空域边界条件转换到时域边界条件得到所述目标物体的重建结果。2.如权利要求1所述的体散射瞬态成像方法，其特征在于，得到所述目标物体的重建结果包括如下步骤：S31：将所述瞬态图像进行二维空域傅立叶变换得到第一变换结果，对所述第一变换结果进行一维时域数值变换得到第二变换结果；S32：将所述第二变换结果在频域中进行时域
‑
空域插值得到插值图像将时间信息转化为空间信息；S33：将所述插值图像进行三维空域傅立叶逆变换得到所述目标物体的所述重建结果。3.如权利要求2所述的体散射瞬态成像方法，其特征在于，将所述瞬态图像φ(x，y，z＝0，t)进行二维空域傅立叶变换得到所述第一变换结果对所述转换结果进行一维时域数值变换得到所述第二变换结果具体通过如下公式表达：离散化表述为：其中，A为传输矩阵，大小为M
×
M,M为时间采样的长度；对矩阵A进行求逆运算得到所述第二变换结果其中，(x，y，z)是所述目标物体所在空间的三维坐标，t是时刻，D是体散射介质的散射系数，f是光的频率，μ
a
是体散射介质的吸收系数，k
x
是波矢量的第一分量，k
y
是波矢量的第二分量，c是光的传播速度，i是虚数单位，e是指数函数，d是微分算子。4.如权利要求3所述的体散射瞬态成像方法，其特征在于，采用大型稀疏矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：金欣，杜东宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：