于躍,楊照華,余遠(yuǎn)金
(1 北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院, 北京 100191)
(2 北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100081)
單像素成像[1]又稱鬼成像,具有非視域、超分辨、抗干擾等特點(diǎn),自二十世紀(jì)九十年代初被提出以來(lái),引起了廣泛的關(guān)注。隨著工程化和實(shí)用化研究的不斷深入,單像素成像技術(shù)在光學(xué)遙感、醫(yī)學(xué)顯微、視覺傳感等多領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),同時(shí),在國(guó)防軍事及生命科學(xué)領(lǐng)域具有極高的潛在應(yīng)用價(jià)值。
單像素成像技術(shù)最早可追溯到利用光場(chǎng)強(qiáng)度的二階關(guān)聯(lián)特性完成恒星角距和恒星半徑的測(cè)量。在單像素成像研究的初始階段,認(rèn)為糾纏光子對(duì)[2]是單像素成像的必要條件,后來(lái)有學(xué)者質(zhì)疑這一條件,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最終證實(shí)贗熱光甚至熱光[3]也可以實(shí)現(xiàn)單像素成像。糾纏光單像素成像中存在光源制備困難的問(wèn)題,熱光、贗熱光雙光臂單像素成像實(shí)驗(yàn)中必須滿足物臂和參考臂等距,在實(shí)際應(yīng)用中很難滿足這一要求,因此有學(xué)者提出計(jì)算關(guān)聯(lián)成像[4-5],實(shí)現(xiàn)單光臂關(guān)聯(lián)成像。此后,國(guó)內(nèi)外在單像素成像領(lǐng)域的研究發(fā)展迅速,在糾纏光成像、贗熱光成像、計(jì)算量子關(guān)聯(lián)成像等方面取得了極大進(jìn)展[6-13],這些研究成果將推動(dòng)和促進(jìn)單像素成像技術(shù)的應(yīng)用。
單像素成像包括主動(dòng)成像(或稱基于結(jié)構(gòu)化照明)和被動(dòng)成像(或稱基于結(jié)構(gòu)化探測(cè))兩種實(shí)現(xiàn)形式,其中利用激光作為光源的主動(dòng)成像方式在遠(yuǎn)距離成像探測(cè)中更有價(jià)值[14]。光場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)制的質(zhì)量和速度是影響成像的關(guān)鍵。而且需要調(diào)制后照射到物體的光場(chǎng)和收集到的光強(qiáng)保持精準(zhǔn)的同步,否則物體與調(diào)制光的時(shí)空關(guān)聯(lián)性丟失,將難以重構(gòu)出清晰的像,甚至導(dǎo)致成像失敗。研究運(yùn)動(dòng)對(duì)單像素成像的影響對(duì)于遠(yuǎn)距離遙感、目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、生物醫(yī)療診斷等具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值,基于此本文研究星載應(yīng)用下的單像素成像方案,考慮衛(wèi)星姿態(tài)角變化,補(bǔ)償衛(wèi)星指向抖動(dòng)對(duì)單像素成像的影響,實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)下的目標(biāo)圖像高質(zhì)量重構(gòu)。
如圖1所示,計(jì)算關(guān)聯(lián)成像方案采用可人為設(shè)計(jì)參考光場(chǎng)的空間光調(diào)制器件進(jìn)行光場(chǎng)調(diào)制,代替?zhèn)鹘y(tǒng)關(guān)聯(lián)成像的激光照射毛玻璃方案產(chǎn)生參考散斑光場(chǎng),從而可只利用物臂來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體圖像的關(guān)聯(lián)重構(gòu)。其最大特點(diǎn)在于單光臂測(cè)量操作簡(jiǎn)便、約束較少,從成像光路結(jié)構(gòu)上,更具有實(shí)用性。綜合以上優(yōu)點(diǎn),實(shí)際工程廣泛采用計(jì)算關(guān)聯(lián)成像方案。
圖1 計(jì)算關(guān)聯(lián)成像光路圖Fig.1 Computational correlation imaging scheme
在計(jì)算關(guān)聯(lián)成像方案中,空間光調(diào)制器件對(duì)二維光場(chǎng)進(jìn)行時(shí)空強(qiáng)度調(diào)制,t時(shí)刻其光場(chǎng)強(qiáng)度分布表示為It(x,y),同時(shí)It(x,y)也是t時(shí)刻空間光調(diào)制器件中所被加載的調(diào)制矩陣,其中(x,y)表示光場(chǎng)的二維空間位置坐標(biāo)??臻g光調(diào)制器、成像透鏡和物體三者之間滿足薄透鏡成像高斯公式
式中,L1為空間光調(diào)制器到成像透鏡之間的距離,L2為成像透鏡到物體之間的距離,f為成像透鏡的焦距。假設(shè)物體的空間透過(guò)率函數(shù)用T(x,y)表示,則t時(shí)刻單像素桶探測(cè)器的光強(qiáng)響應(yīng)信號(hào)為
根據(jù)二階關(guān)聯(lián)成像理論,經(jīng)過(guò)N次測(cè)量后的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)函數(shù)為
式中,B=代表數(shù)據(jù)的系綜平均。
整個(gè)測(cè)量過(guò)程需要參考臂記錄散斑光場(chǎng)分布用以重構(gòu)圖像,而重構(gòu)出的圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的強(qiáng)度值是進(jìn)行系綜平均運(yùn)算后的計(jì)算結(jié)果,也就是光場(chǎng)分布對(duì)應(yīng)光強(qiáng)信號(hào)相乘相加最后求平均的過(guò)程。
差分關(guān)聯(lián)成像 (Differential Ghost Imaging, DGI)多用面陣單元對(duì)參考光場(chǎng)進(jìn)行記錄,其后端往往要伴隨計(jì)算單元進(jìn)行累加求和操作,以獲取差分信號(hào),相較于直接關(guān)聯(lián)算法成像可以一定程度上消除圖像的噪聲。
物體的瞬時(shí)透過(guò)率函數(shù)為
此時(shí),經(jīng)過(guò)差分計(jì)算后的光強(qiáng)信號(hào)S?應(yīng)為
式中,δT(x)=T(x)?
利用S?代替原有的桶探測(cè)器信號(hào)SB,可得DGI的數(shù)學(xué)表示為
峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR)是一個(gè)信號(hào)的最大可能功率與影響它的表示精度的破壞性噪聲功率的比值,是經(jīng)常用于圖像壓縮等領(lǐng)域中信號(hào)重建質(zhì)量的測(cè)量方法。
峰值信噪比定義為
通過(guò)計(jì)算原圖和關(guān)聯(lián)重構(gòu)后的成像結(jié)果間的誤差關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)圖像還原程度,不僅適合傳統(tǒng)圖像,而且完全符合單像素成像的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),本文后續(xù)內(nèi)容均以此為基礎(chǔ)進(jìn)行圖像重構(gòu)質(zhì)量評(píng)估。
靜態(tài)目標(biāo)單像素成像可以保證桶探測(cè)器所探測(cè)到的總光強(qiáng)與照明散斑之間的關(guān)聯(lián)性,由此進(jìn)行關(guān)聯(lián)重構(gòu)可以重構(gòu)出高質(zhì)量圖像。然而進(jìn)行星載單像素成像時(shí),由于衛(wèi)星本身存在指向抖動(dòng),使衛(wèi)星的滾動(dòng)角,俯仰角和偏航角時(shí)刻發(fā)生改變,因此在星載單像素成像過(guò)程中散斑光場(chǎng)和成像物體之間發(fā)生偏移,當(dāng)單像素成像過(guò)程中衛(wèi)星姿態(tài)角變化大于單像素成像的角分辨率時(shí),桶探測(cè)器所探測(cè)到的總光強(qiáng)與照明散斑之間的關(guān)聯(lián)性丟失,直接進(jìn)行關(guān)聯(lián)重構(gòu)所重構(gòu)出的圖像質(zhì)量會(huì)大大降低。
如圖2所示,令星載單像素成像的視場(chǎng)角為β,成像數(shù)字分辨率為N×N,地心慣性坐標(biāo)系表示為oxiyizi,衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系表示為oxoyozo,此時(shí)衛(wèi)星的姿態(tài)角表示為滾動(dòng)角φ,俯仰角θ和偏航角ψ。星載單像素成像可直接重構(gòu)的條件為
圖2 衛(wèi)星探測(cè)地球示意圖Fig.2 Diagram of satellite exploration of the earth
式中,φt是衛(wèi)星滾動(dòng)角,θt是衛(wèi)星俯仰角,ψt是衛(wèi)星偏航角。
當(dāng)衛(wèi)星姿態(tài)角變化不符合直接單像素成像條件時(shí),可以通過(guò)恢復(fù)桶探測(cè)器所探測(cè)到的探測(cè)信號(hào)與散斑光場(chǎng)之間的關(guān)聯(lián)性以恢復(fù)物體高質(zhì)量圖像,根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償?shù)膯蜗袼爻上穹椒ā?/p>
假設(shè)衛(wèi)星位于地球靜止軌道,且不存在指向抖動(dòng),則探測(cè)器收集到的光強(qiáng)值應(yīng)為
式中,Si是第i次采樣的桶探測(cè)器值,Ii(x,y)為由哈達(dá)瑪矩陣第i行或第i列變形成為的第i個(gè)光場(chǎng)序列,T(x,y)代表物體的透過(guò)率函數(shù)。
實(shí)際星載探測(cè)過(guò)程中,衛(wèi)星的滾動(dòng)角、俯仰角和偏航角均會(huì)因指向抖動(dòng)而改變,這導(dǎo)致每次采樣時(shí)物體的有效信息不斷改變,當(dāng)僅考慮滾動(dòng)角和俯仰角的改變時(shí),桶探測(cè)器的探測(cè)值可以表示為
式中,φ(i)是第i次采樣過(guò)程中的衛(wèi)星滾動(dòng)角,θ(i)是第i次采樣過(guò)程中的衛(wèi)星俯仰角。
當(dāng)僅考慮偏航角的改變時(shí),桶探測(cè)器的探測(cè)值可以表示為
式中,ψ(i)是第i次采樣過(guò)程中的衛(wèi)星偏航角。
由于衛(wèi)星滾動(dòng)角、俯仰角和偏航角的變化,導(dǎo)致桶探測(cè)器的探測(cè)值和經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制的參考光場(chǎng)失去關(guān)聯(lián)性,這是造成重構(gòu)圖像質(zhì)量下降的根本原因。因此,星載的單像素運(yùn)動(dòng)成像的關(guān)鍵是對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償,恢復(fù)探測(cè)值與參考光場(chǎng)的關(guān)聯(lián)性。
針對(duì)星載的單像素運(yùn)動(dòng)成像采用一種光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償單像素成像方案,主要思路是:桶探測(cè)器探測(cè)的光強(qiáng)值是一組數(shù)值,當(dāng)衛(wèi)星指向發(fā)生抖動(dòng)時(shí),若將可控的散斑光場(chǎng)按照衛(wèi)星的指向運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,可以使得每次對(duì)目標(biāo)物體采樣時(shí)桶探測(cè)器收集到的光強(qiáng)值與對(duì)靜止物體采樣獲得的探測(cè)結(jié)果大致相同,再進(jìn)行二階關(guān)聯(lián)運(yùn)算就可以有效提升星載成像質(zhì)量。
基于上述思想,在計(jì)算關(guān)聯(lián)成像重構(gòu)圖像的過(guò)程中,將人為設(shè)定的散斑光場(chǎng)Ii(x,y)按照衛(wèi)星的指向運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)應(yīng)補(bǔ)償,就可以得到同樣的強(qiáng)度信號(hào)序列
式中,xp=x+φ(i),yp=y+θ(i),αr=α+ψ(i)。
式(12)和式(10),式(13)和式(11)在實(shí)施光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償方案后數(shù)學(xué)表達(dá)形式均相同。滾動(dòng)角和俯仰角運(yùn)動(dòng)的光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償原理圖如圖3所示,圖3(a)為靜態(tài)物體,圖3(b)為靜態(tài)物體對(duì)應(yīng)參考光場(chǎng),圖3(c)為衛(wèi)星姿態(tài)變化過(guò)程中某一時(shí)刻物體所處位置,圖3(d)為與姿態(tài)變化對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償參考光場(chǎng)。目標(biāo)物體相對(duì)于衛(wèi)星發(fā)生(φ,θ)的指向抖動(dòng),使得物體在視場(chǎng)中的位置由圖3(a)位置變化到圖3(c)位置,將可控的散斑光場(chǎng)根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,可以獲取同靜止?fàn)顟B(tài)相同的桶探測(cè)器光強(qiáng)信號(hào)。
圖3 滾動(dòng)角和俯仰角指向抖動(dòng)光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償原理Fig.3 Schematic diagram of light field tracking compensation for roll angle and pitch angle
圖4用來(lái)描述偏航角運(yùn)動(dòng)的光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償方案,其中圖4(a)為靜態(tài)物體,圖4(b)為靜態(tài)物體對(duì)應(yīng)參考光場(chǎng),圖4(c)為衛(wèi)星姿態(tài)變化過(guò)程中某一時(shí)刻物體所處位置,圖4(d)為與姿態(tài)變化對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償參考光場(chǎng)。
圖4 偏航角指向抖動(dòng)光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償原理圖Fig.4 Schematic diagram of light field tracking compensation for yaw angle
衛(wèi)星工具軟件包(Satellite Tool Kit, STK)可生成航天器的軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù),是衛(wèi)星計(jì)算機(jī)仿真分析中常用的工具。利用STK仿真地球靜止軌道衛(wèi)星的飛行,所生成的衛(wèi)星軌道如圖5所示。衛(wèi)星軌道六要素分別為半長(zhǎng)軸(Semi-major Axis ) 42 152.139 604 km,偏心率(eccentricity) 0.000 396,軌道傾角(inclination angle) 0.464°,右旋 升交點(diǎn)赤經(jīng)(the right ascension of ascending node) 12.451°,真近點(diǎn)角(true anomaly)322.316°,近地點(diǎn)輻角(argument of perigee) 34.529°。利用衛(wèi)星工具包輸出衛(wèi)星滾動(dòng)角、俯仰角和偏航角的數(shù)據(jù)。
圖5 衛(wèi)星軌道Fig.5 Satellite orbit
為了驗(yàn)證星載的單像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方案的可行性,針對(duì)衛(wèi)星滾動(dòng)角和俯仰角的變化進(jìn)行如下仿真實(shí)驗(yàn),運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為小飛機(jī),運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景大小為128×128,空間光調(diào)制器頻率為1 kHz。由于衛(wèi)星滾動(dòng)角和俯仰角不斷改變,小飛機(jī)位置對(duì)應(yīng)每次采樣過(guò)程其相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)為
式中,φ(i)為每次采樣過(guò)程中的滾動(dòng)角,θ(i)為每次采樣過(guò)程中的俯仰角。φ(i)和θ(i)均隨采樣數(shù)i改變,變化特性如圖6所示。
圖6 滾動(dòng)角和俯仰角隨采樣數(shù)的變化特性Fig.6 Characteristics of roll angle and pitch angle with sampling number
進(jìn)行星載滾動(dòng)角和俯仰角運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償單像素成像仿真,對(duì)散斑光場(chǎng)區(qū)域投影16 384張空間及時(shí)間上變化的散斑光場(chǎng),對(duì)應(yīng)仿真過(guò)程是Hadamard矩陣與運(yùn)動(dòng)物體所處區(qū)域的內(nèi)積運(yùn)算,重構(gòu)結(jié)果如圖7所示,分別計(jì)算峰值信噪比來(lái)比較運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后圖像還原質(zhì)量,其中,圖7(c)為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前的重構(gòu)結(jié)果,峰值信噪比為9.68 dB,圖7(d)為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后重構(gòu)結(jié)果,峰值信噪比為38.48 dB。仿真結(jié)果表明,光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償策略適用于基于STK衛(wèi)星數(shù)據(jù)的滾動(dòng)角與俯仰角運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,可以有效提升圖像重構(gòu)質(zhì)量。
圖7 基于STK衛(wèi)星數(shù)據(jù)的滾動(dòng)角與俯仰角運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償成像結(jié)果Fig.7 Reconstruction results of object with roll angle and pitch angle motion based on STK satellite data
為了驗(yàn)證衛(wèi)星偏航角運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方案的可行性,針對(duì)衛(wèi)星偏航角的變化進(jìn)行如下仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件均與上述仿真相同。由于衛(wèi)星偏航角不斷改變,小飛機(jī)位置對(duì)應(yīng)每次采樣過(guò)程其相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)為
式中,ψ(i)為每次采樣過(guò)程中的偏航角,隨采樣數(shù)i改變,變化特性如圖8所示。
圖8 偏航角隨采樣數(shù)的變化特性Fig.8 Characteristics of yaw angle with sampling number
進(jìn)行星載偏航角運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償單像素成像仿真,對(duì)散斑光場(chǎng)區(qū)域投影16 384張空間及時(shí)間上變化的散斑光場(chǎng),對(duì)應(yīng)仿真過(guò)程是Hadamard矩陣與運(yùn)動(dòng)物體所處區(qū)域的內(nèi)積運(yùn)算,重構(gòu)結(jié)果如圖9所示,分別計(jì)算峰值信噪比來(lái)比較運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后圖像還原質(zhì)量,其中,圖9(c)為未補(bǔ)償重構(gòu)結(jié)果,峰值信噪比為31.35 dB,圖9(d)為補(bǔ)償后重構(gòu)結(jié)果,峰值信噪比為38.60 dB。仿真結(jié)果表明,光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償策略適用于基于STK衛(wèi)星數(shù)據(jù)的偏航角運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,可以提升圖像重構(gòu)質(zhì)量。
圖9 基于STK衛(wèi)星數(shù)據(jù)的偏航角運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償成像結(jié)果Fig.9 Reconstruction results of object with yaw angle motion based on STK satellite data
在上述仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)衛(wèi)星探測(cè)的實(shí)際圖像進(jìn)行衛(wèi)星指向抖動(dòng)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償仿真分析。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分別為衛(wèi)星觀測(cè)的大壩,海岸線,公路和樹木,運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景即散斑光場(chǎng)覆蓋范圍為128×128,綜合考慮由于衛(wèi)星指向抖動(dòng)引起的滾動(dòng)角,俯仰角和偏航角的變化,進(jìn)行16 384次采樣,對(duì)應(yīng)每次采樣過(guò)程其運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)為
對(duì)應(yīng)仿真過(guò)程是Hadamard矩陣與運(yùn)動(dòng)物體所處區(qū)域的內(nèi)積運(yùn)算,重構(gòu)結(jié)果如圖10所示,可以看到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方案有效地避免了由于桶探測(cè)器所探測(cè)到的總光強(qiáng)與照明散斑之間的關(guān)聯(lián)性降低而造成的圖像質(zhì)量下降。進(jìn)一步分別計(jì)算峰值信噪比來(lái)比較運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后圖像還原質(zhì)量,其中,大壩場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后的峰值信噪比由13.30 dB提升至20.52 dB;海岸線場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后的峰值信噪比由12.89 dB提升至17.61 dB;公路場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后的峰值信噪比由13.39 dB提升至21.03 dB;樹木圖場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后的峰值信噪比由18.25 dB提升至23.23 dB。仿真結(jié)果表明,光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償策略同樣適用于基于STK衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合考慮滾動(dòng)角,俯仰角和偏航角的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,可以有效提升圖像重構(gòu)質(zhì)量。
圖10 基于STK衛(wèi)星數(shù)據(jù)的實(shí)際圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償仿真Fig.10 Tracking compensation results of actual image based on STK satellite data
本文研究應(yīng)用于衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的單像素成像方法,設(shè)計(jì)的光場(chǎng)追蹤補(bǔ)償方法可以有效解決由于衛(wèi)星滾動(dòng)角,俯仰角和偏航角變化所造成的參考光場(chǎng)與探測(cè)器信號(hào)之間關(guān)聯(lián)性丟失的問(wèn)題,使重構(gòu)圖像峰值信噪比提升明顯。運(yùn)用STK軟件仿真地球靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù),根據(jù)衛(wèi)星的滾動(dòng)角,俯仰角和偏航角對(duì)物體進(jìn)行單像素成像追蹤補(bǔ)償,分別對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)的大壩,海岸線,公路和樹木進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償仿真,與未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)某上窠Y(jié)果作對(duì)比,峰值信噪比提升了至少4.7 dB,有效提高了成像質(zhì)量,為星載單像素成像的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償提供了一條有效技術(shù)途徑。