单像素成像的原理
基于测量基优化的低采样率单像素成像
光学 精密工程Optics and Precision Engineering第 29 卷 第 5 期2021年5月Vol. 29 No. 5May 2021文章编号 1004-924X(2021)05-1008-06基于测量基优化的低采样率单像素成像赵梓栋】，杨照华"，李高亮2(1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191；2.北京华航无线电测量研究所，北京100010)摘要：单像素成像结合压缩感知相关算法利用很少一部分无空间分辨的桶探测器采样值就能重构出成像物体的高质量 图像。
然而，随机地选取投射的散斑序列无法在更低的采样率下成像。
为进一步实现单像素成像在极低采样率下的成像效果，本文提出了基于数据驱动的哈达玛矩阵排序方案，利用对整个数据集的训练效果来自适应地选择透射的散斑信号序列，在重构图像过程中使用两种不同的压缩感知相关算法在数值仿真和实验条件下实现了 5%超低采样率下对成像物体的图像重构，并和目前最优的哈达玛矩阵排序方案进行了比较，发现在1%〜5%的采样率下本文方法的重构效果更优。
本文研究成果可用于提升单像素成像的成像速度，在成像制导和医学成像中有着极大的应用前景。
关 键 词：鬼成像；单像素成像；压缩感知；哈达玛矩阵排序；数据驱动中图分类号：O431. 2 文献标识码：A doi ：10. 37188/OPE. 20212905. 1008Sub -Nyquist single -pixel imaging by optimizing sampling basisZHAO Zi -dong 1 , YANG Zhao -hua 1* , LI Gao -liang(1. Beijing University of A eronautics and Astronautics , Beijing 100191, China ;2. Beijing Huahang Radio Measure/nent Institute , Beijing 100010, China )* Corresponding author , E -mail ： yangzh@buaa. edu. cnAbstract ： Single -pixel imaging combined with compressed sensing can reconstruct high -quality images ofan imaged object from a small part of the measurement results of a bucket detector without a spatial resolu tion. However , at low sampling rates , randomly selected projected speckle sequences limit the quality ofreconstructed images. To achieve improved imaging at very low sampling rates ， this paper proposes a da ta -driven Hadamard matrix sorting scheme ， which uses the training effect of an entire dataset to adaptively select transmitted speckle signal sequences. In the process of reconstructing an image , two different com pressed -sensing -related algorithms are employed to realize the image reconstruction of an imaged object atan ultra -low sampling rate of 5% in a numerical simulation and physical experiment ， and it is sorted with the current optimal correlation Hadamard matrix. The schemes are compared ， and it is found that the re construction effect of the method proposed in this paper is better at sampling rates of 1% to 5%. The re search results presented in this paper can be used to increase the imaging speed of single -pixel imaging ， and can be applied to fields such as imaging guidance and medical imaging.Key words ： ghost imaging ； single pixel imaging ； compressed sensing ； Hadamard matrix reordering ； datadriven收稿日期:2020-10-14;修订日期:2020-10-29.基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 61973018,No. 61801452);国家民用航天项目资助(No.G040301)第5期赵梓栋，等:基于测量基优化的低采样率单像素成像10091引言二维图像是如今应用最为广泛的光电信息之一。
单像素成像 频域编码
单像素成像频域编码
单像素成像是一种新兴的成像技术，它通过使用单个探测器（通常是光探测器）来捕获整个图像。
这种技术的原理是利用编码光源对目标进行照射，然后测量经过目标反射或透射的光。
频域编码是单像素成像中常用的一种技术，它利用信号处理和数学算法来解析通过单个探测器测量到的光信号，从而重建出完整的图像。
单像素成像的优势在于它可以通过使用较少的硬件来实现高质量的成像，这对于成本昂贵的成像设备来说具有重要意义。
此外，单像素成像还可以在光学不透明的介质中实现成像，例如在医学成像和地质勘探中具有潜在的应用前景。
频域编码则是单像素成像中的一种技术手段，它通过在光源或目标上施加特定的编码模式，例如随机模式或者特定频率的模式，来实现对光信号的编码。
然后利用数学算法进行信号处理，可以从编码后的光信号中还原出目标的图像信息。
总的来说，单像素成像结合频域编码技术为我们提供了一种新颖而高效的成像方法，它在光学成像领域具有广阔的应用前景，可以应用于医学影像学、遥感、安全检测等领域。
当然，这种技术也
面临着一些挑战，例如信号处理的复杂性和成像速度的限制，但随着技术的不断进步，相信单像素成像和频域编码技术会得到更广泛的应用和改进。
单反相机的原理和结构
一单反相机的原理和结构銅峰电子刘根数码单反相机的全称是数码单镜头反光相机（Digital single lens reflex）,缩写为DSLR。
数码单反相机专指使用单镜头取景方式对景物进行拍摄的一种照相机，拍摄者使用相机背后的光学取景框进行观察，通过观察安装在相机前段的镜头所提供的视觉角度的大小进行拍摄。
在单反相机的结构中，作为重要的是照相的反光镜和相机上端圆拱结构内安装的五面镜或五棱镜。
拍摄者正是使用这种结构从取景器中直接观察到镜头的影像。
由单镜头反光相机的构造图可以看到，光线透过镜头到达反光镜后，折射到上面的对焦屏，并结成影像，透过接目镜和五棱镜，拍摄者就可以在取景器中看到外面的景物。
这个过程有点像人们透过窗户看到外面的世界，窗户的大小便是人们看到外面景物的范围。
当拍摄者看到自己满意的角度和拍摄内容的时候，既可以按动快门。
按动快门的过程就是一个拍摄和成像的过程，术语称为曝光。
不管是胶片单反相机还是数码单反相机，曝光原理是完全相同的。
在按下快门的瞬间，反光镜向上弹起，胶片前面的快门幕帘同时打开，通过镜头的光线（影像）投射到感光部件上，使胶片或数码相机的感光元件曝光。
在按下快门的这一瞬间，光学取景器中会出现黑屏的情况（黑屏的时间根据快门的快慢而不同），之后反光镜立即恢复原状，取景器中再次可以看到影像（此时已经完成了一次曝光）。
单反相机的这种构造，决定了镜头在相机的结构中占有相当重要的地位。
使用这种相机的最大优势是摄影师在光学取景器中看到的取景范围和感光元件的影像实际拍摄范围基本一致。
摄影师使用不同的镜头配置可以达到很好的拍摄效果，从具有冲击力的7.5mm鱼眼镜头到长达1600mm以上的超级远摄远镜头，都可以安装在同一台相机上，从而拍摄出效果迥异的图片。
此外，单反相机在一定程度上消除了旁轴相机的取景视觉差异，使摄影师可以更精确地控制取景范围，选择最完美的拍摄角度。
单反相机的劣势：1.体积庞大，不方便携带2.相机的制造难度很大，工艺苛刻，价格高3.镜头虽然种类多，但同样体积庞大4.和旁轴相比快门操作瞬间有片刻的黑幕二小孔成像原理相机拥有一个很奇妙的成像结构，无论是数码单反相机还是旁轴相机，抑或是大画幅相机，他们的成像原理实际上都是简单的小孔成像。
单像素相机的工作原理
CS-小全(121980202) 18:04:32
CS-小全(121980202) 18:03:46
单像素相机的工作原理，不是很理解，请大侠指点。
为什么叫做单像素相机，与传统的CCD相机，区别在哪儿呢？它的什么地方体现出了CS理论。
单像素相机的架构基本上是一个光学计算机，它包括空间光调制器
(spatial light modulator SLM)，两个镜头((Lens)，一个单光子探测器，以及一个模数转换器。
SLM的主要作用是根据控制信号调制的光束的强度，在这里，SLM选用的是数字微镜器件(digital micromirror device, DMD)，它是一种反射型的SLM，它有选择地反射光束中重定向的部分。
DMD的是由很多个细菌大小，静电驱动的微镜阵列组成;阵列中的每个的镜子悬浮在单个的静态随机存取存储器(static random access memory, SRAM)上。
每个镜子可以在铰链上旋转，并可以根据SRAM单兀加载的比特位定位到两个状态(与水平方向火角100和一100)，因此照在DMD上的光线可以根据镜子的旋转方向反射到两个方向上，从}fu控制对应点光线的有无;在该单像素相机结构中DMD扮演的角色即是随机投影矩阵，实现原始图像每个像素的随机投影观测。
透镜Lens2的功能是完成随机投影后的求和。
DMD+ALP Board的局部放大图。
用于单像素成像的采样和重建集成深度学习网络及其训练方法[发明专利]
![用于单像素成像的采样和重建集成深度学习网络及其训练方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/5495cc3fbb1aa8114431b90d6c85ec3a87c28b25.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910988953.6(22)申请日 2019.10.17(71)申请人 南昌大学地址 330031 江西省南昌市红谷滩新区学府大道999号(72)发明人 鄢秋荣 管焰秋 方哲宇 杨晟韬 李冰 曹芊芊 (74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限公司 61211代理人 王凯敏(51)Int.Cl.G06T 11/00(2006.01)G06N 3/04(2006.01)G06N 3/08(2006.01)(54)发明名称用于单像素成像的采样和重建集成深度学习网络及其训练方法(57)摘要为解决目前单像素成像重建时间长及质量不好的问题，本发明提供了一种用于单像素成像的采样和重建集成深度学习网络及其训练方法。
所述采样和重建集成深度学习网络包括压缩采样子网络、初步重建子网络和深层卷积重建子网络；压缩采样子网络的权值矩阵为由“+1”和“-1”两元组成的二值化矩阵，“+1”和“-1”分别用于调制单像素成像系统中DMD微镜正向和反向翻转；压缩采样子网络用于对目标进行n次压缩采样，将n次压缩采样所得到的数据处理后得到测量值矩阵，n由单像素成像系统测量率确定；初步重建子网络对测量值矩阵进行卷积、扩维处理，得到初步重建图像；深层卷积重建子网络通过残差学习处理初步重建图像，得到更高成像质量图像。
权利要求书2页 说明书6页 附图1页CN 110751700 A 2020.02.04C N 110751700A1.用于单像素成像的采样和重建集成深度学习网络，其特征在于：包括压缩采样子网络、初步重建子网络和深层卷积重建子网络；所述压缩采样子网络的权值矩阵为由“+1”和“-1”两元组成的二值化矩阵，“+1”和“-1”分别用于调制单像素成像系统中DMD微镜的正向翻转和反向翻转；所述压缩采样子网络用于对目标进行n次压缩采样，将n次压缩采样所得到的数据按时间顺序从左至右依次排布，得到目标的测量值矩阵，n由所述单像素成像系统的测量率确定；所述初步重建子网络用于对所述测量值矩阵进行卷积、扩维处理，得到初步重建的图像；所述深层卷积重建子网络利用深层卷积网络，通过残差学习处理所述初步重建的图像，得到更高成像质量图像。
相机工作原理
工作原理在单反数码相机的工作系统中，光线透过镜头到达反光镜后，折射到上面的对焦屏并结成影像，透过接目镜和五棱镜，可以在观景窗中看到外面的景物。
与此相对的，一般数码相机只能通过LCD屏或者电子取景器（EVF）看到所拍摄的影像。
显然直接看到的影像比通过处理看到的影像更利于拍摄。
从取景器中看到的影响是通过：一次反射（面镜）、二次全反射（五菱镜）CCD获取图像信息是当拍摄的瞬间面镜弹起来，然后打开快门暴光的。
在DSLR拍摄时，当按下快门钮，反光镜便会往上弹起，感光元件（CCD或CMOS）前面的快门幕帘便同时打开，通过镜头的光线便投影到感光原件上感光，然后后反光镜便立即恢复原状，观景窗中再次可以看到影像。
单镜头反光相机的这种构造，确定了它是完全透过镜头对焦拍摄的，它能使观景窗中所看到的影像和胶片上永远一样，它的取景范围和实际拍摄范围基本上一致，十分有利于直观地取景构图。
单反相机取景器单反相机的取景器称为TTL（Through The Lens）单反取景器。
这是专业相机上必备的取景方式，也是真正没有误差、通过镜头的光学取景器。
这种取景器的取景范围可达实拍画面的95%。
惟一缺点就是如果镜头过小，取景器会很暗淡，影响手动对焦。
不过现在都具备自动对焦，这一点已无大碍。
当然，如用了TTL单反取景器，为了不使取景器过暗，厂家自会用大口径高级镜头，所以目前单反相机的镜头普遍较大，就是这个因素造成的。
从取景器中看到的影响是通过：一次反射（面镜）、二次全反射（五菱镜）CCD获取图象信息是当拍摄的瞬间面镜弹起来，然后打开快门暴光的。
反光镜的翻起动作带来了一些问题：拍摄照片的瞬间，取景器会被挡住。
由于被遮挡的时间只是刹那间的事情，因此这对于立即复位的反光镜来说并不是什么主要问题。
但是，又引出了一些偶然性问题。
例如，在使用频闪光拍摄时，将不能通过取景器看到频闪装置是否闪光正常。
反光镜运动的噪声。
这在需要安静的场所这可能会成为重要问题。
单像素相机原理
假设你只有一个敏感的传感器（光电探测器或者检测器），但是需要得到一千万像素的图像，这是现在市面上一般傻瓜相机的照相效果，你打算怎么做。
现在有很多方法，但是你可以借助DMD芯片（例如有名的TI DMD）。
它上面有一千万个振动反射镜，这种振动反射镜也可以在数字投影仪上找到。
你可以控制每一个微小镜子（15微米乘以15微米）的运动。
换句话说，用适当的设置，每一个毫秒，你可以决定把这些镜子中的某一个镜子照在你的探测器上。
现在有两种方法可以得到一千万像素的图像。
1.光栅模式光栅模式很简单，就每次只让一个镜子照射在探测器上，让其他所有的镜子照在别处。
一次：两次……一千万次，直到到达最后第一千万个镜子当所有这些完成之后，你就有一千万个信息，放在一起，一块一块，就得到了一个一千万像素的图像。
通常来说，你可以使用一个小CPU执行离散余弦变换，最终就可以得到一个JPEG格式的图像。
2.压缩感知模式对DMD芯片的镜子进行设置，显示一组随机排列。
这样一组随机的反射镜将入射光照到探测器上。
第一次镜子的随机排列得到了第一个CS测量值：第二次镜子的随机排列得到了第二个CS测量值：……第M次镜子的随机排列得到了第M个CS测量值：压缩感知告诉我们，以很高的概率可以得到和光栅模式相同的结果。
而且可以有更少的测量值，远小于光栅模式的一千万个测量值。
事实上，只需要光栅模式一千万个测量值的20%甚至更少测量值。
第二种模式能工作的原因起源于大多数自然图像在这些基（余弦，小波和曲波）的表示下是稀疏的（这也是为什么JPEG能够在降低大多数图像的大小方面做出巨大的工作的原因）。
用函数来表示反射和非反射镜随机排列，（0表示不反射，1表示反射），这些基数学上被称为“不相关”，因此允许在探测水平上自动压缩（第二个模式中，最后由于CS测量已经是这个形象压缩版而无需压缩JPEG）。
需要从这些CS测量中通过计算步骤获得人类可视图像。
第二个模式相比第一个模式的优点和缺点是什么？优点：1. 因为没有CPU / GPU和FPGA在最后阶段进行压缩（JPEG），因此传感器需要非常低的功率。
数码相机的使用
照，这个叫做快门。
快门作用 ：调节光线进入的时间。 表现动感、凝固瞬间。 快门单位：秒，用数字1、1/2、1/4、1/8、1/15、1/30、1/60、1/125、
1/250、1/500、1/1000、B、T。等来标记。
B：当手按下时，快门打开，松开手时快门关闭。 T：当手按一下，快门打开，再按一下快门关闭
二、光 圈
光圈：设置在镜头的透镜组中间，由若干片金属薄片所组成的可以调节大小的进光孔 。
作用：1、调节进光量，光圈越大进入相机的光就多，光圈越小进入相机的光越就少；
2、改变拍摄速度，相同进光量，光圈越大，快门速度越快。 3、改变景深大小。光圈越大，景深越小。
光圈系数：表示光圈大小的数值叫光圈系数，f=Q/F f=1/1.4，1/2，1/2.8，1/4，1/5.6，1/8，1/11，1/16， 1/22等来表示 ， 简写为：1.4, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22 。光圈系数的 数字越小，光孔直径越大，进光量越多。 每一组数字之间进光量是倍数关系。
1.4
1.8
2
2.8
4
5.6
8
11
16
22
F4 、F5.6广角镜头整个画面 基本清晰，而在远摄区域， 也能使用该光圈值灵活虚化 背景。
F11可以在维持 一定镜头性能的 情况下得到相对 大的景深，
F22有些镜头光圈收 缩过小会导致分辨力 下降，但有意图地减 小进光量可以降低快 门速度
光圈：F 1.4, 快门：1/125
用于拍摄近距离物体的镜头。
仔细观察鼻子的部位。哪幅照片显示 的鼻子最合乎比例呢？24mm和
35mm镜头的拍摄的照片中鼻子明显
太大；50mm“标准”镜头的似乎仍有 一点大；85mm镜头拍摄到了一幅没
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单像素成像的原理
单像素成像是一种利用光学原理实现图像重建的技术。
它基于Compressive Sensing（压缩感知）理论，通过对图像进行稀疏表示
和重建算法来实现高质量的图像重建。
在本文中，我们将详细介绍单
像素成像的原理。
一、概述
单像素成像是一种非常有前景的成像技术，它可以在低光条件下实现
高质量的图像重建。
与传统的CCD或CMOS相机不同，单像素成像
系统仅使用一个探测器来获取整个图像信息。
这种技术具有很多优点，如高灵敏度、低噪声、大动态范围等。
二、工作原理
1. 原理概述
单像素成像系统主要由三个部分组成：光源、样品和探测器。
光源发
出一束光经过样品后被探测器接收，并生成一个电信号。
通过对不同
位置上的样品进行多次测量，可以获得一系列电信号。
然后利用压缩
感知算法对这些电信号进行处理，最终得到高质量的图像。
2. 光学系统
在单像素成像系统中，光源起到了非常关键的作用。
它可以是一个白
光源或者是一束激光。
光源发出的光经过样品后，会被样品吸收、散
射或透射。
这些经过样品后的光会在探测器上形成一个分布不均匀的
电信号。
3. 探测器
探测器是单像素成像系统中最重要的部分。
它负责接收经过样品后的光，并将其转化为电信号。
常见的探测器有PIN光电二极管和Avalanche Photodiode（APD）。
4. 压缩感知算法
压缩感知算法是单像素成像系统中非常关键的一步，它可以将多次测量得到的电信号转化为高质量的图像。
压缩感知算法基于稀疏表示理论，通过对图像进行稀疏表示，从而实现高效率的图像重建。
三、具体原理
1. 稀疏表示
在单像素成像中，图像被认为是稀疏表示的。
这意味着只有很少一部分图像系数是非零的，大部分系数都是接近于零的。
通过对图像进行稀疏表示，可以大大减少数据量和计算复杂度。
2. 随机测量矩阵
为了实现图像的稀疏表示，需要使用一个随机测量矩阵。
这个矩阵是一个稀疏的、随机生成的矩阵，它可以将图像从原始空间映射到测量空间。
通过对图像进行多次测量，可以获得一系列在测量空间中的电信号。
3. 重建算法
在单像素成像系统中，通过对多次测量得到的电信号进行处理，可以重建出高质量的图像。
常用的重建算法有基于L1范数最小化的迭代软阈值算法（Iterative Soft Thresholding Algorithm，ISTA）和基于压缩感知理论的迭代最小二乘算法（Iterative Least Squares
Algorithm，IRLS）。
四、应用领域
单像素成像技术在许多领域都有广泛应用。
在医学影像学中，它可以
用于X射线成像、核磁共振成像等。
在无人驾驶领域，它可以用于激
光雷达成像。
在航天、安全监控等领域也有着重要的应用。
五、总结
单像素成像是一种利用光学原理实现图像重建的技术。
它通过对图像
进行稀疏表示和重建算法来实现高质量的图像重建。
单像素成像系统
由光源、样品和探测器组成，通过对不同位置上的样品进行多次测量，并利用压缩感知算法对电信号进行处理，最终得到高质量的图像。
这
种技术在医学影像学、无人驾驶等领域有着广泛的应用前景。