基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法

摘要

本发明公开的基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法，属于光电测量领域。本发明实现方法如下：建立光场成像系统，标定光场成像系统的光学系统参数；通过光场成像系统获取目标点光源的光场，得到目标点光源的光场图像；对获取的光场图像进行子孔径划分，提取每个子孔径图像的中心坐标；计算子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离随子孔径位置的变化率；结合光场成像系统的光学系统参数，计算目标点光源至设定参考面的距离；实现散射介质中点光源的空间定位。本发明还具有被动测量、结构简单、随机误差小、可实时跟踪等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于散射介质内点光源空间定位的基于时频分析和光场成像技术的穿散射介质成像方法，属于光电测量领域。

背景技术

散射介质指光通过时会发生显著散射效应的一类介质，对传统光学成像系统而言，散射介质的存在将使得目标的像变得模糊，不利于对目标的观测。典型的散射介质有云、雾、烟尘、毛玻璃和细胞质等。穿过散射介质成像一直是光电测量领域的一大难题，同时又在生物医学、遥感和安防等领域有着巨大的应用价值。散射介质内的点光源空间定位即是该领域内的一种典型需求，具有广阔的应用前景；其具体的案例有浓雾条件下的车辆间距测量，对云层中飞行器的跟踪与定位，以及荧光成像中对细胞的定位等。

时频分析即时频联合域分析的简称，是一种分析时变非平稳信号的有力工具，可以同时反映一个信号的时域特征和频域特征。传统上，常用傅立叶变换来观察一个信号的频谱。然而所述的方法不适合用来分析一个频谱会随著时间而改变的信号。时频分析方法提供了时间域与频率域的联合分布信息，清楚地描述了信号频率随时间变化的关系。

光场成像技术是一种新型成像技术。传统的光学成像系统只能记录来自场景的光强信息，而忽略了光的方向；光场成像系统则可以同时记录光的强度信息和方向信息，即可以记录场景的光场。光场中丰富的信息包含着一些场景通过传统成像方法难以反映的特征。

对于光信号而言，其不同的频率代表不同的传播方向。而光场中同时包含光信号的空间信息和方向信息，故可以用时频分析的方法来处理光场数据，或者说光信号的时频分布代表一个光场。而点光源可以用冲激函数表示，光在自由空间中的传播则等效于对其时频分布的仿射变换，而散射效应可以等效于时频分布中对频率的相关操作，故可以通过提取最终时频分布中的特征信息来求解点光源的空间坐标。

发明内容

本发明公开的基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法，要解决的技术问题是：在点光源位于散射介质内的条件下，通过建立光场成像系统获取目标点光源的光场图像，并通过时频分析的方法求解目标点光源至设定参考面的距离，能够避免散射介质对点光源距离测量的影响，抑制测量过程中的随机误差。本发明基于时频分析和光场成像技术实现对点光源的空间定位，具有被动测量、结构简单、随机误差小、可实时跟踪等优点。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法，实现方法如下：建立光场成像系统，标定光场成像系统的光学系统参数；通过光场成像系统获取目标点光源的光场，得到目标点光源的光场图像；对获取的光场图像进行子孔径划分，提取每个子孔径图像的中心坐标；计算子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离随子孔径位置的变化率；结合光场成像系统的光学系统参数，计算目标点光源至设定参考面的距离；实现散射介质中点光源的空间定位。

本发明公开的基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法，包括如下步骤：

步骤一：建立光场成像系统，对光学系统的参数进行标定。

步骤一所述光学系统的标定参数根据具体光学系统而定，至少包括微透镜阵列的子孔径周期、主透镜的像方焦平面至微透镜阵列的距离。

作为优选，当步骤一建立的光场成像系统为微透镜阵列式光场成像系统时，其光学系统具体包括主透镜、微透镜阵列、图像探测器。

所述的微透镜阵列的子孔径周期参数标定公式如公式(1)所示：

其中T为微透镜阵列的子孔径周期，N为子孔径的坐标，M为子孔径邻域的坐标偏移，x为子孔径图像中心在光场图像中的坐标。

所述的主透镜的像方焦平面至微透镜阵列的距离参数标定公式如公式(2)所示：

(D_n+A)(B-d_n)＝F²>

其中D_n为点光源至设定参考面的距离，A为设定参考面至主透镜物方焦平面的距离，B为主透镜像方焦平面至微透镜阵列的距离，d_n为点光源的像至微透镜阵列的距离，F为主透镜的焦距。

步骤二：通过光场成像系统获取散射介质中目标点光源的光场，得到目标点光源的光场图像。

步骤三：对步骤二获取的光场图像进行子孔径划分，提取每个子孔径图像中心的坐标，分别计算子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离。

作为优选，步骤三具体实现方法如下：

步骤3.1：对步骤二获取的光场图像进行子孔径划分；

步骤3.2：根据公式(3)提取每个子孔径图像中心的坐标；

其中P_ic为子孔径图像中心的坐标，x为子孔径中像素的坐标，I为子孔径中像素的灰度值。

步骤3.3：分别计算子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离；

步骤四：通过线性回归计算子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离随子孔径位置的变化率。

作为优选，步骤四中以子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离为y轴，以子孔径的位置为x轴，y与x的关系应满足公式(4)。通过最小二乘法进行线性回归得到一拟合直线方程y＝kx+b。其中k即为子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离随子孔径位置的变化率。

其中△p为子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离，T为微透镜阵列的子孔径周期，f为微透镜阵列的焦距，α为图像探测器单元的尺寸，d为点光源的像点至微透镜阵列的距离，N为子孔径的坐标。

步骤五：结合建立的光场成像系统参数求解点光源像点至微透镜阵列的距离，再计算目标点光源至设定参考面的距离，即实现点光源空间定位。

作为优选，步骤五所述结合建立的光场成像系统参数求解点光源像点至微透镜阵列的距离具体实现方法如下：结合微透镜阵列的像素周期T、微透镜阵列的焦距f和孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离随子孔径位置的变化率k，根据公式(5)求得点光源像点至微透镜阵列的距离d。

步骤五所述计算目标点光源至设定参考面的距离通过公式(6)实现。

其中D为目标点光源至设定参考面的距离，A为设定参考面至主透镜物方焦平面的距离，B为主透镜像方焦平面至微透镜阵列的距离，d为点光源的像至微透镜阵列的距离，F为主透镜的焦距。

所述的主透镜为单个透镜或多个透镜组成的透镜组。

有益效果：

1、本发明公开的基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法，通过建立光场成像系统，以时频分析的方法，解决散射介质内点光源空间定位的问题，所述测量过程为完全被动测量，不需要向测量目标发射电磁波、超声波等能量载体，能够确保测量过程的隐秘性。

2、本发明公开的基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法，所述的光场图像处理方法针对提取子孔径的图像中心，由于散射介质只导致子孔径图像的模糊，但不改变子孔径的图像中心，因此，本发明可应用于对散射介质中点光源的空间定位，具体包括车辆间距测量，对云层中飞行器的跟踪与定位，以及荧光成像中对细胞的定位等案例。

3、本发明公开的基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法，通过建立光场成像系统获取目标的光场图像，并时频分析的方法求解，由于光场图像中每个子孔径均为目标点光源在不同视角上的像，对光场图像的处理相当于对图像进行了平均操作，能够有效抑制光学系统的随机误差，提高测量精度。

4、本发明公开的基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法，通过建立光场成像系统获取目标的光场图像，在处理光场数据时，子孔径像素中心的求取只与该子孔径内的像素有关，而与其他子孔径的像素无关，因此，不同子孔径的处理相互不存在依赖关系，易于实现并行化，故能够通过多线程或GPU计算等方式有效提高计算速度，以实现对目标的实时定位与跟踪。

附图说明

图1为本发明公开的基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法流程图。

图2是实验系统结构图；

图3是光场图像；

图4是光场图像的子孔径划分；

其中：1—LED光源，2—毛玻璃，3—主透镜，4—微透镜阵列，5—图像探测器。

具体实施例

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：以毛玻璃2后的LED光源1测量为例。

本实施例公开的基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法，包括如下步骤：

步骤一：建立微透镜阵列式光场成像系统，对光学系统的参数进行标定。

步骤一所述的微透镜阵列式光场成像系统结构如图(2)所示，其光学系统具体包括主透镜3、微透镜阵列4、图像探测器5。

步骤一所述的光学系统标定参数具体包括微透镜阵列4的子孔径周期、主透镜3的像方焦平面至微透镜阵列4的距离。其中子孔径周期参数标定公式如公式(1)，主透镜3的像方焦平面至微透镜阵列4的距离参数标定公式如公式(2)所示。

步骤二：通过光场成像系统获取散射介质中目标点光源的光场，得到目标点光源的光场图像。

步骤三：对步骤二获取的光场图像进行子孔径划分，提取每个子孔径图像中心的坐标，分别计算子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离。

步骤三的具体实现方法如下：

步骤3.1：对步骤二获取的光场图像进行子孔径划分；

步骤3.2：根据公式(3)提取每个子孔径图像中心的坐标；

步骤3.3：分别计算子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离；

步骤四：通过线性回归计算子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离随子孔径位置的变化率。

步骤四的具体实现方法如下：

以子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离为y轴，以子孔径的位置为x轴，y与x的关系应满足公式(4)。通过最小二乘法进行线性回归得到一拟合直线方程y＝kx+b。其中k即为子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离随子孔径位置的变化率。

步骤五：结合建立的光场成像系统参数求解点光源像点至微透镜阵列4的距离，再计算目标点光源至设定参考面的距离，即实现点光源空间定位。

步骤五所述结合建立的光场成像系统参数求解点光源像点至微透镜阵列4的距离具体实现方法如下：结合微透镜阵列4的像素周期、微透镜阵列4的焦距和子孔径图像中心偏离子孔径光学中心的距离随子孔径位置的变化率，根据公式(5)求得点光源像点至微透镜阵列4的距离。

步骤五所述计算目标点光源至设定参考面的距离通过公式(6)实现。

本实施例公开的一种基于时频分析和光场成像技术的点光源空间定位方法，通过建立光场成像系统获取目标的光场图像，并时频分析的方法求解，能够避免散射介质对点光源距离测量的影响，抑制测量过程中的随机误差。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。