基于随机相位调制的自然场景压缩成像方法与实现研究

Compressed imaging is one of the most core applications in compressed sensing theory, compared to classical imaging mode, which has more potential advantage in cost, portability, power, and high-resolution etc, however, existing compressed imaging methods often have defects in the long exposure time, or the high implementation cost, or lots of calibration work required. In previous research, we have completed some first stage work around the design of measurement matrices in compressed imaging, which demonstrate the feasibility of compressed imaging using random phase modulation, and the effectiveness of the modulation with low cost and deterministic phase mask. .The study intends to further exploit the basis of preliminary studies and investigate a compressed imaging model of the complex optical field through random phase modulation in the frequency domain under natural lighting conditions, which bridges the relationship between the complex optical field and intensity that can be directly recorded by optoelectronic devices..Meanwhile, based on Fresnelets which is most suitable for diffracted light field and the special structure in complex optical field, a more compact structured sparse model is constructed to investigate the effects of physical constraints of natural scenes and structured sparsity model on the reconstruction algorithm. For the amplitude and phase of the complex optical field coupling between each other, by improving the classical reconstruct algorithm to accurately reconstruct the original object from the real measurement data. The research of the project can provide some theoretical, computing, and technical support for the new generation imaging design.

压缩成像是压缩感知理论最核心应用领域之一，比经典成像模式在成本、便携性、功率、高分辨率等方面都具有重要的潜在优势，但现有压缩成像方法或存在曝光时间太长，或实现成本过高，或需要大量标定工作等问题。前期我们已围绕压缩成像中测量矩阵的设计做了一些先行研究，验证随机相位调制压缩成像方法的可行性，以及低实现成本的确定性相位掩膜调制的有效性。本项目拟在前期研究基础上进一步探讨自然光照明条件下的复光场经过频域相位随机调制的压缩成像模型，建立复光场与可直接被光电器件记录的强度信息之间的对应关系；同时基于最适合描述衍射复光场的Fresnelets小波与光场的特殊结构，构建更紧致的结构化稀疏模型，探讨自然场景物理约束和结构化稀疏模型对重建算法的影响，针对复光场的振幅和相位之间互相耦合性，通过改进经典重建算法从真实的测量数据精确地重建原对象。该研究成果可以为新一代成像设计在理论、计算和技术上提供新的借鉴和支撑。

自然光场景压缩成像在军事、红外等复杂成像条件下具有重大应用前景。但自然光场成像条件较为复杂，经典压缩成像方法无法直接用于自然光场景，必须统筹考虑自然场景内蕴的物理约束、衍射理论和重建方法等要素。.本项目围绕自然场景条件下压缩成像模型与重建、非干涉确定性光场重建、光场调制原理与器件模型展开研究。具体内容和重要研究成果包括：① 压缩感知理论方面：提出基于奇异值分解的测量矩阵优化与二维正交匹配追踪算法。② 复杂场景压缩成像方面：提出基于奇异值分解的可分离压缩成像方法，三维复杂场景的菲涅耳全息图频域压缩重建。③ 压缩成像系统方面：提出一种单次曝光复振幅物体全息重建方法、设备及系统，适用于自然场景的基于可分离压缩传感理论的大尺度压缩编码孔径成像方法。④ 物体轮廓检测与识别方面：提出一种物体轮廓检测识别系统及轮廓识别方法。⑤ 相位恢复和解缠方面：基于单强度测量的两步相位恢复算法，双波长强度传输方程相位解缠。⑥ 强度传输方程应用范围拓展方面：提出光强传输方程与图像插值融合的相位恢复，双波长非干涉相位恢复算法以及基于强度传输方程的乘法重建。⑦ 基于光场调制的强度传输方程快速成像系统方面：提出了基于硅基液晶变焦透镜/正弦光栅/余弦光栅/空间光调制器/多角度倾斜光调制的快速相位恢复方法。⑧ 准确获取强度图像和散焦距离参数满足实时性要求的实验平台系统的构建方面：设计一种自然光照明的高速大场景相位恢复系统、便携式相位相机系统以及不同波长散焦图像的相位采集装置。⑨光场调制元件的设计方面：使用金属深亚波长光栅结构的全息显示器设计，基于传播可逆性的三维菲涅耳场计算方法，用于全息显示器件的铝亚波长光栅上的法布里 - 珀罗共振，基于光强传输测量计算的相位恢复系统。这些成果构建了复杂自然场景中的压缩成像模型与重建、非干涉相位恢复、光场调制器件模型设计、数值计算和实验系统的相对完整的框架，将为新一代相机设计等领域提供新的技术支持。