刘宏杰同学在傅里叶单像素成像研究中取得新进展
傅里叶单像素成像（Fourier single-pixel imaging，FSI）与传统成像方法不同，它采用无法捕获空间信息的单像素检测器。在FSI中，空间光调制器被用来产生一系列不同的照明模式，用于照亮物体。随后，单像素检测器捕获场景的总光强。每个光强度表示照明模式和物体之间的相关性。通过相关计算，重建目标图像。FSI受益于使用单像素探测器，与使用像素探测器的传统成像系统相比，它具有几个优势。第一，通过使用单像素探测器，可以开发更简单、更经济的成像系统。第二，通过FSI获得的数据具有很高的安全性。第三，单像素探测器具有高光灵敏度，因此，它可以在广泛的强度范围内工作。然而，FSI的成像方式导致成像速度慢，严重阻碍了其广泛应用。为了提升FSI的成像速度，本研究提出了一种自适应采样策略(Adaptive Sampling Strategy, ASS)。该策略能够在采样过程中根据不同的对象定制不同的采样掩膜，并且不需要任何先验信息。 傅里叶单像素成像系统如图1所示。空间光调制器将傅里叶基底图案上载至光束中照射在被拍摄的物体上，最后总光强被单像素探测器捕获。不断改变傅里叶基底图案的频率和初始相位得到一系列强度分布，结合四步相移法能够计算得到物体完整频谱。 |
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| 图1. 傅里叶单像素成像系统 |
本研究与传统方法的区别在于采样路径的不同。在传统的方法中，采样从零频开始，并遵循从低频到高频的螺旋路径。得到的采样分布在频谱中形成一个圆形区域，如图2(a)所示，其中白点表示采样的频率系数，黑点表示未采样的频率系数。相比之下，ASS的特点是径向采样。沿半径收集傅里叶系数，从零频开始，向更高频率前进。采样路径用图2(b)中的橙色箭头表示。沿着每条路径依次收集系数，如红色虚线箭头所示。红色点箭头的方向对采样分布没有影响，因为每个方向上高频系数的评估是独立的。最终采样分布不是固定的，这取决于场景的具体特点。为了方便采样分布的自适应调整，我们提出了一种识别高模傅立叶系数的判断方法，该方法的步骤如图3所示。 |
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| 图2. 传统方法和提出方法的采样路径和采样分布比较:(a)传统方法，(b)提出方法。 |
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| 图3. ASS径向采样流程图 |
分析比较不同采样比下最佳采样分布(Optimal Sampling Distribution, OSD)、ASS和低频采样(Low-Frequency Sampling, LFS)的成像结果，结果如图4所示。图4(a)为实验获得的完整频谱重建的图像，图4(b)、(c)、(d)分别为OSD、ASS和LFS的实验结果。使用LFS获得的图像表现出频率截断的效果，噪声强度明显高于ASS。通过分析实验结果，可以明显看出，在所有三种采样比下，使用LFS获得的USAF重建图像中的细节都表现出明显的退化。原来的图案在这些图像中变得无法辨认。ASS的性能优于LFS，特别是在8%的采样率下，仍然保留了一些细节。实验结果表明，随着采样比的减小，LFS的图像退化速度快于ASS。实验结果证明了该方法的有效性。 |
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| 图4. 实验的结果(a) 100%频谱重建的图像。(b) OSD在12%、8%、4%采样比下重建的图像。(c) ASS在12%、8%、4%采样比下重建的图像。(d) LFS在12%、8%、4%采样比下重建的图像。 |
本文提出了一种无先验信息的傅里叶单像素成像自适应采样策略。由于傅里叶单像素成像的特点，可以在采样每个傅里叶系数之前进行判断。从已经收集到的系数中逐渐生成最终的抽样分布。在相同的采样比下，该方法获得的图像质量高，细节丰富。 |
上述研究成果以“Adaptive sampling strategy for Fourier single-pixel imaging”为题，发表在爱思唯尔（Elsevier）主办的英文期刊《Optics Communications》, Vol.573, 131027 (2024) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.131027 |
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(2024.08.24)
