一种基于树莓派的彩色单像素成像系统

1.本实用新型涉及单像素成像技术领域，具体地说是一种基于树莓派的彩色单像素成像系统。


背景技术：

2.近年来，单像素成像技术作为一种新型成像技术引起广泛关注。单像素成像与传统的阵列探测器成像相比，其图像信息的获取方式与采集效率不同，在硬件复杂度和工业成本方面占有一定优势，对于推动未来成像系统的简化和集成，具有潜在应用前景。单像素成像发展至今，先后经历了计算鬼成像、基于压缩感知的单像素成像和基扫描单像素成像三个阶段。
3.基扫描单像素成像是用确定性的正交变换基底矩阵进行编码，兼得较高成像质量和较短的成像时间，其工作过程是依次向物体投影一套完备的正交基底图案，并逐一测量每一幅基底图案照明物体时的漫反射光强，从而获取物体的各个频谱分量，再经过逆变换重建物体的像。哈达玛是广泛使用的基扫描单像素成像方法。基扫描单像素成像是使用确定性的正交变换基底图案进行空间光调制的成像方法，通过采用完备的基底图案进行空间光调制，可以无失真地重构物体的像，这是该成像方法的显著优势。
4.2013年由格拉斯哥大学的welsh等人提出了一种用单像素探测器进行快速全彩计算成像方案。滤光片分别过滤出红、绿和蓝三个波段的场景反射光并分别照向三个空间分离的单像素探测器，从而分别获得场景的红、绿和蓝成分。然后从红、绿和蓝成分的测量向量分别独立导出重构结果，再将这些结果进行合成从而获得场景的彩色图像。这个方案可以在一轮测量中获得彩色图像，但增加了系统的复杂性。2017年由清华大学索津莉课题组和2018年暨南大学张子邦课题组利用空分复用，实现了在一轮测量中使用一个单像素探测器的彩色单像素成像。
5.申请人之前申请了一篇基于树莓派的灰度单像素成像系统，灰度单像素成像是获取物体所有波长范围的漫反射光强度，因此只能获得灰度成像。目前，尚未有基于树莓派的彩色单像素成像系统的报道。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的就是提供一种基于树莓派的彩色单像素成像系统，该系统可实现彩色单像素成像，成本低廉，可操作性强，更加适合于实验演示和教学。
7.本实用新型是这样实现的：一种基于树莓派的彩色单像素成像系统，包括树莓派、投影仪、可见光光照探测器、滤波模块以及数据采集卡；所述可见光光照探测器包括圆筒形的壳体，所述壳体的两端开口，在壳体内部固定设置有一个圆盘状的基板，基板处于壳体的横截面上，在基板的一面设有探测器电路板，在基板的另一面连接三个光强传感器，三个光强传感器分别通过导线与探测器电路板电连接；在壳体内设有与光强传感器一一对应的红、绿、蓝三个滤光片，红、绿、蓝三个滤光片沿所在壳体横截面均匀分布。
8.优选的，所述探测器电路板的电路结构如下：包括三个与光强传感器对应连接的接口电路，每一接口电路的输出端均连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的输出端通过一电容连接到其反相输入端，构成积分电路；电容的两端连接模拟开关器，模拟开关器的闭合由复位信号控制，复位信号经一个三极管连接到模拟开关器的控制端。
9.优选的，所述光强传感器为光电二极管。
10.优选的，所述复位信号为方波信号。
11.优选的，所述运算放大器的型号是lm358p。
12.优选的，所述模拟开关器为双向模拟开关器，型号为cd4066。
13.优选的，所述三极管的型号为s9014。
14.本实用新型在基于树莓派的灰度单像素成像系统的工作基础之上改进了成像系统，具体是：本实用新型在灰度单像素成像的基础上增加了三个光强传感器，并分别附上了红、绿、蓝三个滤光片，实现了同时采集红、绿、蓝这三个波段的光强信息。同时，采用积分电路的形式采集光强信息，相比于利用软件求平均的方式，这样采集的数据更准确，误差更小，最重要的是减小了系统核心树莓派的任务量，运行所用的时间更少。
15.本实用新型可成功实现以哈达玛为基底图案的彩色单像素成像，并且图像可以很好的表达物体的颜色信息，做高像素的实验中物体的细节部分能很好的展示出来。而且，该系统的紧凑性、准确性和实用性大幅提升，成本低廉，可操作性强，更加适合于实验演示和教学。
附图说明
16.图1是本实用新型的结构框图。
17.图2是本实用新型中可见光光照探测器的结构示意图。
18.图3是本实用新型实施例中对脸谱进行重构后的彩色图像。
19.图4是本实用新型中光电积分电路的原理图。
20.图5是本实用新型中探测器电路板的电路结构图。
具体实施方式
21.如图1所示，本实用新型所提供的基于树莓派的彩色单像素成像系统包括树莓派、投影仪、可见光光照探测器、滤波模块以及数据采集卡。待成像的物体与投影仪相对设置，树莓派连接投影仪，树莓派(4b)主要负责生成基底图案、控制投影、数据处理及图像重构。树莓派将基底图案通过投影仪投影到物体上，被照亮的物体的漫反射光被可见光光照探测器探测并进行光强的收集。
22.考虑到系统的紧凑性，本实用新型所设计的可见光光照探测器能同时采集红、绿、蓝这三个波段的光强信息，并且采用积分电路(如图4)的形式采集光强信息，探测器上电路板的具体电路结构如图5所示。
23.可见光光照探测器的外部宏观结构如图2所示。结合图2，可见光光照探测器包括圆筒形的壳体，壳体的两端开口，在壳体内部固定设置有一个圆盘状的基板，基板处于壳体的横截面上，在基板的一面设有电路板，在基板的另一面连接三个光强传感器，三个光强传感器分别通过穿过基板的导线与电路板电连接。三个光强传感器分别对应红、绿、蓝三个滤
光片，红、绿、蓝三个滤光片沿所在壳体横截面均匀分布。
24.被照亮的物体的漫反射光传至可见光光照探测器时，首先经红、绿、蓝三基色滤光片进行滤光，得到红、绿、蓝三个波段的光信号，这三个波段的光信号再分别经过对应的光强传感器传至电路板上，经积分电路采集光强信息，作为物体的频谱，积分电路输出相应的电压信号给滤波模块，之后经滤波模块将光电转换过程中产生的大量噪声去除。经滤波后的信号送给数据采集卡进行模数转换，最后传送给树莓派进行归一化处理，并完成图像重构。如图3所示，图3是本实用新型实施例中对脸谱进行重构后的彩色图像。
25.本实用新型具体实施例中，投影仪采用米家激光投影仪(l185jcn)，通过测量投影仪所投影的光谱进而选取合适的滤光片，红绿光的光谱曲线为连续谱，可以选择的中心波长范围较大，带宽较宽，而蓝光的光谱曲线较陡，可以选择的中心波长范围较小，带宽较窄，根据上述测量结果，本实用新型选择参数为下面表1中的滤光片。
26.表1：三个滤光片的具体参数
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在采集光强信息时，本实用新型是基于如下图4所示光电积分电路而进行的。图4中的积分电路是带有复位功能的光电积分电路。其中，u1是运算放大器，u2是光电二极管(此处光电二极管作为光强传感器)，u3是双向模拟开关器，u4是npn型三极管。光电二极管的正极连接到gnd，负极经过一个10k的电阻r2连接到u1的反相输入端，u1的输出端通过电容c1连接到反相输入端，就构成一个积分电路。同时加入一个模拟开关器u3，其控制端con输入电压为低电平时，开关断开，电路处于积分状态；输入电压等于vcc时，开关闭合，电路处于复位状态。开关的闭合由复位信号reset控制，经过一个三极管u4连接到控制端con。当reset信号为高电平时，con端为低电平，开关断开；为低电平时，con端为高电平，开关导通。在实验中，将方波信号作为reset信号，使电路在每次投影基底图案后先进行复位，然后进行积分累积，最后采集数据。
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依据图4所示光电积分电路最终设计出图2中的电路板，电路板的具体电路结构如图5所示。图5中，pd1、pd2、pd3为光强传感器的接口，具体实施例中，常采用光电二极管作为光强传感器，三个光强传感器分别采集红、绿、蓝光信号并将其转换为电信号；u1、u2为运算放大器用于实现光电积分；u3是双向模拟开关器用于实现积分复位。运算放大器u1、u2的型号是lm358p，双向模拟开关器u3的型号是cd4066。
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探测器的工作过程如下，以光强传感器接口pd1采集红光信号为例进行说明。光强传感器接口pd1的正极连接到gnd，负极经过一个10k的电阻r6连接到运算放大器u1的反相输入端，u1的输出端out1通过电容c1连接到反相输入端，构成一个积分电路。在电容c1两端加入一个模拟开关器u3，开关的闭合由复位信号reset控制，经过一个三极管q1(型号为s9014)连接到控制端ca。当reset信号为高电平时，ca端为低电平，开关断开；当reset信号为低电平时，ca端为高电平，开关导通。当光强传感器受红光照射时，光强传感器将光信号转换为电信号，信号经in1端输入到积分电路。当reset信号为高电平时，积分电路对信号
in1进行积分，当reset信号为低电平时，对信号in1进行复位，输出信号out1通过插口j2引出，方便后续数据处理。另外两个光强传感器采集的绿、蓝光信号经电路板后输出信号out2、out3也由插口j2引出。
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图5即为本实用新型所设计的独特的探测器电路，通过本实用新型可实现高质量的彩色单像素成像，解决了单像素成像系统可操作性差且价格昂贵、演示不方便等问题，实用性强、成本低廉、易于推广，非常适于大学实验和教学。