麻省理工开发出更快的单像素相机
- 来源：中国光学期刊网
- 2017/5/6 12:31:4231360
【中国安防展览网 科技动态】新的设计原则和优化算法增加了无透镜成像系统的潜在用途。传统的成像和显微镜技术采用高倍率物镜将物体上反射的光线投射到合适的传感器上，而在不使用透镜的情况下获得高质量图像的方法也在不断取得进展。其原因之一是现代信号处理技术的进步，该技术为成像技术提供了一个契机，使得成像的关键从光学硬件转移到计算方面。
麻省理工学院媒体实验室相机文化小组的一个项目现在开发了一种无透镜成像方法，利用了压缩感应(CS)——这是一种计算成像的基础数值方法——以及当前在时间分辨光学传感技术方面的突破。目前，该方法对于一些研究小组的项目而言十分关键。
无透镜：改良的单像素成像
该小组的研究结果表明，通过超快速测量和压缩感应可以实现的无透镜成像，同时也表明了在无法进行透镜成像的情况下，可以使用这种新颖的成像结构。
麻省理工学院的Guy Satat评论说：“据我们所知，这是时间分辨传感和用于检测反射率的单像素摄像机——实际上是对摄影应用的次结合。”
“单像素系统已经被熟知和研究了多年，而时间分辨传感已被用于测量没有压缩感应的反射率，以及在激光雷达(LIDAR)中用于恢复三维场景的几何坐标，但是我们现在已经找到了解决这个难题的钥匙，即将这些方法结合起来，以重建场景的反射率和反照率。”
正如IEEE的《计算成像学报》(Transactions on Computational Imaging)中的一篇论文所报道的，这种新方法终使得压缩感应的图像采集效率提高了50倍。无透镜单像素摄像机系统，采用了在不同的光栅照明下，使用同一传感器像素的组合测量模式，其中每个光栅都由一个空间光调制器控制，以便将不同的信息编码到每次的测量中——这些发现可以使得曝光次数从通常的数千次减少到数十次。
更智能的调制
麻省理工学院的这个研究项目从如何指导设计人员实现无透镜应用的佳系统结构入手，研究了无透镜成像中三个截然不同但关系密切的基本问题。该研究小组创建的新设计框架提供了一套指导原则和决策方法，并提供了如何利用给定情景中的可用资源以使用压缩感应恢复出佳图像，同时定义了压缩感应收益大化的情况。
这不一定涉及单像素传感——该框架的目标之一是帮助定义何时使用单像素系统是收益大的，而何时可能不是——但该框架旨在回答相关的设计问题，例如，确定特定传感器的佳位置，或者在某种条件下提高时间分辨率可能比增加更多的检测器更有效。
该项目的第二个思路是检验时间分辨信号的作用，并阐明了改良的时间分辨率是如何减少建立高质量图像所需的各个调制信号的数量。第三个思路是研究如何对调制光的各种模式优化，以及从每种模式中提取出更多信息的方法。
Satat说：“压缩感应能够以更智能的方式调节光线。如果没有它，获得高分辨率的图像只能花费大量时间进行测量。系统的几何形状将显著影响时间分辨测量，因为更靠近探测器的点将首先被测量，稍远的点随后才被测量。调制光能够避免这种影响，并在每次测量中获得更多的信息，而且可能只需要更少的调制模式就能够获得完整的结果。”
复杂环境中的光学
时间分辨传感和飞秒摄像已经在相机文化研究小组的Ramesh Raskar的几个项目中发挥了作用，并显示出对光学渡越时间的测量可能产生的多种实际应用。
该方法的显著突破包括，使用时间分辨传感，通过收集和评估光线经过散射后的所有光子而不是从众多光子中筛选出有用的一个，从而更有效地对散射介质进行成像。另一组研究人员研究了测量双向反射分布函数(BRDF)的方法，这是一个与物体的反射光有关复杂的参数，该方法将是创造逼真的计算机图形和VR动画的重要因素。
Satat说：“完全测量BRDF是一个挑战，因为这涉及一个移动的照明源。研究小组的项目通过使用条纹照相机在没有移动光源的情况下测量BRDF以避免这些困难，并且我们意识到，光的渡越时间和反射角度相关，这使得我们从时间分辨信号中能够恢复出更多的信息。”
其他研究小组的项目包括用于分析分层结构的太赫兹时间门控光谱成像，这或许在工业检验中有利用价值，然而该技术早已经在理论上被证明能够用于观测目前未知的事物；其使用开放式的光纤束对传统的单片相机鞭长莫及的位置进行成像，从而有效地将光纤束转换成一组空间位置未被确定的分散的单独像素。
在麻省理工学院之外，英国的M Squared公司和格拉斯哥大学近指出了关于无透镜单像素摄像机系统的潜在价值，并且开发了一种对从破裂的管道中泄漏的甲烷气体进行实时成像的仪器。
Satat称：“单像素成像系统的一些有趣之处，正是它能够在难以搭建和维护传统光学仪器的复杂环境中使用。我们在相机文化研究小组的工作的目的就是通过展示增加任何无透镜或单像素系统的方法来帮助实现这一过程，并将硬件与计算技术结合，不仅可以提高现有方案的性能，甚至能够创造出全新的解决方案。”