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麻省理工開發(fā)出更快的單像素相機
2017年05月06日 12:31:42來源：中國光學(xué)期刊網(wǎng)點擊量：31453
導(dǎo)讀在麻省理工學(xué)院之外，英國的M Squared公司和格拉斯哥大學(xué)近指出了關(guān)于無透鏡單像素攝像機系統(tǒng)的潛在價值，并且開發(fā)了一種對從破裂的管道中泄漏的甲烷氣體進(jìn)行實時成像的儀器。
　　【中國安防展覽網(wǎng) 科技動態(tài)】新的設(shè)計原則和優(yōu)化算法增加了無透鏡成像系統(tǒng)的潛在用途。傳統(tǒng)的成像和顯微鏡技術(shù)采用高倍率物鏡將物體上反射的光線投射到合適的傳感器上，而在不使用透鏡的情況下獲得高質(zhì)量圖像的方法也在不斷取得進(jìn)展。其原因之一是現(xiàn)代信號處理技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)為成像技術(shù)提供了一個契機，使得成像的關(guān)鍵從光學(xué)硬件轉(zhuǎn)移到計算方面。
 
　　麻省理工學(xué)院媒體實驗室相機文化小組的一個項目現(xiàn)在開發(fā)了一種無透鏡成像方法，利用了壓縮感應(yīng)(CS)——這是一種計算成像的基礎(chǔ)數(shù)值方法——以及當(dāng)前在時間分辨光學(xué)傳感技術(shù)方面的突破。目前，該方法對于一些研究小組的項目而言十分關(guān)鍵。
 
無透鏡：改良的單像素成像
 
　　該小組的研究結(jié)果表明，通過超快速測量和壓縮感應(yīng)可以實現(xiàn)的無透鏡成像，同時也表明了在無法進(jìn)行透鏡成像的情況下，可以使用這種新穎的成像結(jié)構(gòu)。
 
　　麻省理工學(xué)院的Guy Satat評論說：“據(jù)我們所知，這是時間分辨?zhèn)鞲泻陀糜跈z測反射率的單像素攝像機——實際上是對攝影應(yīng)用的次結(jié)合。”
 
　　“單像素系統(tǒng)已經(jīng)被熟知和研究了多年，而時間分辨?zhèn)鞲幸驯挥糜跍y量沒有壓縮感應(yīng)的反射率，以及在激光雷達(dá)(LIDAR)中用于恢復(fù)三維場景的幾何坐標(biāo)，但是我們現(xiàn)在已經(jīng)找到了解決這個難題的鑰匙，即將這些方法結(jié)合起來，以重建場景的反射率和反照率。”
 
　　正如IEEE的《計算成像學(xué)報》(Transactions on Computational Imaging)中的一篇論文所報道的，這種新方法終使得壓縮感應(yīng)的圖像采集效率提高了50倍。無透鏡單像素攝像機系統(tǒng)，采用了在不同的光柵照明下，使用同一傳感器像素的組合測量模式，其中每個光柵都由一個空間光調(diào)制器控制，以便將不同的信息編碼到每次的測量中——這些發(fā)現(xiàn)可以使得曝光次數(shù)從通常的數(shù)千次減少到數(shù)十次。
 
　　更智能的調(diào)制
 
　　麻省理工學(xué)院的這個研究項目從如何指導(dǎo)設(shè)計人員實現(xiàn)無透鏡應(yīng)用的佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，研究了無透鏡成像中三個截然不同但關(guān)系密切的基本問題。該研究小組創(chuàng)建的新設(shè)計框架提供了一套指導(dǎo)原則和決策方法，并提供了如何利用給定情景中的可用資源以使用壓縮感應(yīng)恢復(fù)出佳圖像，同時定義了壓縮感應(yīng)收益大化的情況。
 
　　這不一定涉及單像素傳感——該框架的目標(biāo)之一是幫助定義何時使用單像素系統(tǒng)是收益大的，而何時可能不是——但該框架旨在回答相關(guān)的設(shè)計問題，例如，確定特定傳感器的佳位置，或者在某種條件下提高時間分辨率可能比增加更多的檢測器更有效。
 
　　該項目的第二個思路是檢驗時間分辨信號的作用，并闡明了改良的時間分辨率是如何減少建立高質(zhì)量圖像所需的各個調(diào)制信號的數(shù)量。第三個思路是研究如何對調(diào)制光的各種模式優(yōu)化，以及從每種模式中提取出更多信息的方法。
 
　　Satat說：“壓縮感應(yīng)能夠以更智能的方式調(diào)節(jié)光線。如果沒有它，獲得高分辨率的圖像只能花費大量時間進(jìn)行測量。系統(tǒng)的幾何形狀將顯著影響時間分辨測量，因為更靠近探測器的點將首先被測量，稍遠(yuǎn)的點隨后才被測量。調(diào)制光能夠避免這種影響，并在每次測量中獲得更多的信息，而且可能只需要更少的調(diào)制模式就能夠獲得完整的結(jié)果。”
 
　　復(fù)雜環(huán)境中的光學(xué)
 
　　時間分辨?zhèn)鞲泻惋w秒攝像已經(jīng)在相機文化研究小組的Ramesh Raskar的幾個項目中發(fā)揮了作用，并顯示出對光學(xué)渡越時間的測量可能產(chǎn)生的多種實際應(yīng)用。
 
　　該方法的顯著突破包括，使用時間分辨?zhèn)鞲校ㄟ^收集和評估光線經(jīng)過散射后的所有光子而不是從眾多光子中篩選出有用的一個，從而更有效地對散射介質(zhì)進(jìn)行成像。另一組研究人員研究了測量雙向反射分布函數(shù)(BRDF)的方法，這是一個與物體的反射光有關(guān)復(fù)雜的參數(shù)，該方法將是創(chuàng)造逼真的計算機圖形和VR動畫的重要因素。
 
　　Satat說：“完全測量BRDF是一個挑戰(zhàn)，因為這涉及一個移動的照明源。研究小組的項目通過使用條紋照相機在沒有移動光源的情況下測量BRDF以避免這些困難，并且我們意識到，光的渡越時間和反射角度相關(guān)，這使得我們從時間分辨信號中能夠恢復(fù)出更多的信息。”
 
　　其他研究小組的項目包括用于分析分層結(jié)構(gòu)的太赫茲時間門控光譜成像，這或許在工業(yè)檢驗中有利用價值，然而該技術(shù)早已經(jīng)在理論上被證明能夠用于觀測目前未知的事物；其使用開放式的光纖束對傳統(tǒng)的單片相機鞭長莫及的位置進(jìn)行成像，從而有效地將光纖束轉(zhuǎn)換成一組空間位置未被確定的分散的單獨像素。
 
　　在麻省理工學(xué)院之外，英國的M Squared公司和格拉斯哥大學(xué)近指出了關(guān)于無透鏡單像素攝像機系統(tǒng)的潛在價值，并且開發(fā)了一種對從破裂的管道中泄漏的甲烷氣體進(jìn)行實時成像的儀器。
 
　　Satat稱：“單像素成像系統(tǒng)的一些有趣之處，正是它能夠在難以搭建和維護(hù)傳統(tǒng)光學(xué)儀器的復(fù)雜環(huán)境中使用。我們在相機文化研究小組的工作的目的就是通過展示增加任何無透鏡或單像素系統(tǒng)的方法來幫助實現(xiàn)這一過程，并將硬件與計算技術(shù)結(jié)合，不僅可以提高現(xiàn)有方案的性能，甚至能夠創(chuàng)造出全新的解決方案。”
關(guān)鍵詞 照相機監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭
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