本發明涉及成像探測領域，具體為一種基于光計算的可視化計算鬼成像系統及成像方法。
背景技術：
光學鬼成像技術是通過雙路光信号符合探測恢複待測物體空間資訊實作的。其特點是包含物體資訊的信号光(signal beam)被無空間分辨能力的桶探測器探測；隻包含光源強度分布資訊的閑置光(idler beam)不通過物體，直接被具有空間分辨能力的面陣探測器進行探測，如CCD等。是以，通過雙光路對應的兩個探測器中任意一路信号都不能得到物體的像，但是通過對兩路信号進行符合後即能夠得到物體的像。
現有的鬼成像技術均需要前端進行大量的資料采集以及後端計算機的處理，十分占用資源，且成像速度慢，系統複雜。從采集到成像往往需要一定的處理時間，同時不能做到直接可視化，需要經過先光電轉化再電光轉化的過程。
技術實作要素：
本發明的目的在于針對上述現有技術中的問題，提供一種基于光計算的可視化計算鬼成像系統及成像方法，運用光計算替代經典計算鬼成像中的計算機關聯運算，運用低速感光物體的視覺暫留效應替代經典計算鬼成像中計算機系綜平均處理過程，成像速度快，分辨率高。
為了實作上述目的，本發明基于光計算的可視化計算鬼成像系統：
包括結構光斑發射源，結構光斑發射源發出的光經過分束器分為兩束，其中，光束I照射到待成像物體後被桶探測器接收，光束II經過外調制器成像到低速感光物體上。所述桶探測器的信号輸出端通過雙擲開關選擇性連接配接内調制器或外調制器，其中，信号經過内調制器加載在結構光斑發射源的控制單元上；或者，信号經過外調制器直接加載在光束II上。
所述外調制器與低速感光物體之間設定有用于帶通濾波像增強處理的光學資訊處理系統。
所述的光學資訊處理系統與低速感光物體之間設定有反射屏。
所述的低速感光物體選用人眼、熒光粉、膠片或者CCD相機。
本發明基于光計算的可視化計算鬼成像系統的成像方法，包括以下步驟：
1)結構光斑發射源發出的光經過光分束器分為光束I和光束II，其中光束I直接照射到待成像物體上，經過反射後被桶探測器接收；
2)桶探測器測量得到的光強信号通過雙擲開關選擇性連接配接内調制器或外調制器；
被調制前光束II的光強為：I1(x1,y1,t)＝E*(x1,y1,t)E(x1,y1,t)；
在上式中，E(x1,y1,t)是光束II在t時刻坐标點(x1,y1)處被調制前的場強，E*(x1,y1,t)是E(x1,y1,t)的共轭項，I1(x1,y1,t)是光束II在t時刻坐标點(x1,y1)處被調制前的光強；
桶探測器在t時刻探測到的總光強值為：
I2(t)＝＝∫obj|E(xs,ys,t)h(xs,ys,x2,y2)T(x2,y2,t)|2dx2dy2；
在上式中，(xs,ys)代表光源上的一點，(x2,y2)代表待成像物體上的一點，E(xs,ys,t)是在t時刻光源坐标點(xs,ys)處的場強，E(x2,y2,t)是光束I在t時刻坐标點(x2,y2)處的場強，E*(x2,y2,t)是E(x2,y2,t)的共轭項，h(xs,ys,x2,y2)是光波從光源到桶探測器傳播過程中的脈沖響應函數，T(x2,y2,t)是待成像物體的孔徑函數，I2(t)是桶探測器(4)在t時刻探測到的總光強值；
3)内調制器把桶探測器的輸出信号加載在結構光斑發射源的控制單元上實作對光束II的強度調制，或者，外調制器在得到桶探測器擷取的輸出信号後用于實作對光束II的強度調制，光束II被内調制器或者外調制器調制後，完成光的乘法計算(I1(x1,y1,t)×I2(t))，之後傳輸至光學資訊處理系統進行帶通濾波增強處理後傳輸至低速感光物體；
4)低速感光物體(10)自動進行時間積分計算，按下式實作系綜平均計算：
在上式中，I1(x1,y1,t)代表光束II上t時刻坐标點(x1,y1)的光強，I2(t)代表t時刻桶探測器上探測到的總光強值，T代表低速感光物體視覺暫留時間。
所述的光學資訊處理系統采用4f系統實作帶通濾波去除圖像的背底以及圖像的增強。
所述的結構光斑發射源利用Matlab軟體控制産生Hadamard結構散斑，并通過數字微鏡陣列裝置DMD進行投射。
與現有技術相比，本發明的成像系統具有如下的有益效果：通過分束器将結構光斑發射源發出的光分為兩束，光束I照射到待成像物體後被桶探測器接收，光束II經過外調制器成像到低速感光物體上，桶探測器的信号輸出端通過雙擲開關選擇性連接配接内調制器或外調制器，該成像系統同時結合了信号的内調制與外調制過程，将光計算引入鬼成像，替代計算機處理，能夠直接實作可視化鬼成像，低速感光物體在觀察時會自動進行時間積分計算，替代傳統鬼成像計算機系綜平均運算，能夠高速地得到待成像物體的可視化鬼成像。
與現有技術相比，本發明的成像方法具有如下的有益效果：将光計算引入鬼成像，替代計算機處理，實作了新的鬼成像計算處理方法，能夠直接實作可視化鬼成像，低速感光物體在觀察時會自動進行時間積分計算，替代傳統鬼成像計算機系綜平均運算，高速地得到待成像物體的可視化鬼成像。本發明的成像系統及成像方法不易受環境溫度、濕度變化的影響，具有良好的抗擾動特性，用單路調制實作了無限多的陣列調制。本發明的成像速度快，分辨率高，與已有的各種計算鬼成像的成像方法相比，該成像系統能夠更加精确更加快地呈現待成像物體的像，同時結構的複雜度和成像速度不會随着分辨率的提高而變化，本發明的成像品質高，與已有的各種鬼成像方法相比，能夠實作近距離和遠距離目标較高品質的成像。
附圖說明
圖1本發明基于光計算的可視化計算鬼成像系統結構原理圖；
圖2數字微鏡陣列裝置(DMD)投射的結構散斑示例圖；
圖3CCD相機作為低速感光物體得到的物體圖像；
附圖中：1-結構光斑發射源；2-分束器；3-待成像物體；4-桶探測器；5-雙擲開關；6-内調制器；7-外調制器；8-光學資訊處理系統；9-反射屏；10-低速感光物體。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
本發明的成像過程可以表述為：兩束光波分别對應一個桶探測器和一個調制器，通過回報共同作用，達到光計算的關聯運算。低速感光物體捕捉到被調制後的光強度信号後，實作光計算的積分運算，完成了兩束光波的光強的符合測量。二階關聯函數中包含物體的資訊，即物體的孔徑函數，可以通過光計算，最終在低速感光物體中呈現出待成像物體的像。
本發明基于光計算的可視化計算鬼成像系統及成像方法創新之處展現在：
一是運用光計算替代了經典計算鬼成像中計算機關聯運算；二是運用低速感光物體(如人眼)視覺暫留效應替代經典計算鬼成像中計算機系綜平均處理過程；三是直接成像，以可視化替代了計算機呈現；四是可以用單路調制實作無限多的陣列調制。
參見圖1，本發明基于光計算的可視化計算鬼成像系統，包括結構光斑發射源1，結構光斑發射源1發出的光經過分束器2分為兩束，其中，光束I照射到待成像物體3後被桶探測器4接收，光束II經過外調制器7成像到低速感光物體10上。桶探測器4的信号輸出端通過雙擲開關5選擇性連接配接内調制器6或外調制器7，其中，信号經過内調制器6加載在結構光斑發射源1的控制單元上；或者，信号經過外調制器7直接加載在光束II上。光學資訊處理系統8與低速感光物體10之間設定有反射屏9。低速感光物體10為人眼或者CCD相機。
(1)經典計算鬼成像技術方案；
被調制前某一點的光強分布，即閑置光(idler beam)為：
I1(x1,y1,t)＝E*(x1,y1,t)E(x1,y1,t)；
桶探測器上探測到的總光強為：
I2(t)＝＝∫obj|E(xs,ys,t)h(xs,ys,x2,y2)T(x2,y2,t)|2dx2dy2；
在上式中，(xs,ys)代表光源上的一點，(x2,y2)代表待成像物體上的一點，E(xs,ys,t)是光束I在t時刻坐标點(xs,ys)處被調制前的場強，E(x2,y2,t)是光束I在t時刻坐标點(x2,y2)處被調制前的場強，E*(x2,y2,t)是E(x2,y2,t)的共轭項，h(xs,ys,x2,y2)是光波從光源到桶探測器傳播過程中的脈沖響應函數，T(x2,y2,t)是待成像物體的孔徑函數，I2(t)是桶探測器(4)在t時刻探測到的總光強值。經過符合測量得到物體的像，即通過如下關聯運算：
G(2)(x1,y1)＝
以上經典的計算鬼成像過程可以概況為：每次計算得到的物體表面處光強分布I1，與相應每次桶探測器測量得到的光強信号I2，通過計算機做關聯運算，經過系綜平均(時間平均)後，得到物體的像。其特點是在擷取成像所需的資料後，成像的所有過程都由計算機完成。成像的快慢取決于計算機對資料的擷取快慢和處理能力強弱。
(2)本發明所述的基于光計算的可視化計算鬼成像方法；
本發明引入光計算替代上述過程中計算機完成的關聯運算，利用視覺殘留效應完成計算機的系綜平均運算，利用低速感光物體替代計算機呈現物體的像，具體的技術方案如下：
将桶探測器4測量得到的光強信号I2，回報到内調制器6或外調制器7上，實作光計算(乘法)，即兩個光強的關聯運算：I1(x1,y1)×I2；
光束II被調制後作用在低速感光物體上，由于視覺暫留現象，光對低速感光物體産生的視覺在光停止作用後，仍保留一段時間。即光像一旦在低速感光物體上形成，将會對這個光像的感覺維持一個有限的時間，對于中等亮度的光刺激，如人眼視覺暫留時間約為0.1-0.4秒。
在該可視化計算鬼成像方法中，光強是随時間而改變的，是以上式系綜平均可改寫為對時間的積分，實作光計算(積分或累加)，即：
其中，T代表低速感光物體視覺暫留時間。
利用Matlab軟體控制産生Hadamard結構散斑，通過數字微鏡陣列裝置(DMD)投射，結構光斑如圖2所示。結構光斑發射源1發出光經過分束器2分成兩束：光束I經過待成像物體3(本實施例中物體為8×8像素的字母F)反射的光波被桶探測器4接收；雙擲開關5選擇連通外調制器7，桶探測器4的電信号回報作用到外調制器7上，實作對光束II的外調制，完成光計算。反射屏9用于顯示調制後的散斑，經過光學資訊處理系統8帶通濾波的像增強處理。人眼(低速感光物體10)在觀察時會自動進行二階關聯函數計算，得到物體3的像。用CCD模拟人眼可以得到物體的像如圖3所示，分辨率能夠無限高。