一种无透镜成像可分离振幅掩膜优化设计方法及装置

本发明属于光学传感器领域，特别涉及一种无透镜成像可分离振幅掩膜优化设计方法及装置。

背景技术：

1、无透镜成像作为一种新型光学传感技术，使用光学编码器取代了传统的透镜，将场景信息编码到传感器的观测图像中，显著缩小了成像系统体积，已经应用或有潜力得到应用的领域包括显微、摄影、活体内成像、可穿戴或可植入设备、机器视觉等。在触觉传感的背景下，无透镜成像可以提供的优势在于减小相机尺寸、提供大的视场，因为无透镜成像打破了传统的基于透镜的成像中工作距离和视场之间的制约关系。

2、在现有的基于可分离振幅掩膜的无透镜成像系统中，掩膜通常是基于具有特定数学属性的序列设计的，最常用的为最大长度序列，其优点是形成的掩膜的转移矩阵将具有较大的且缓慢衰减的奇异值，这对图像重建是有益的。然而，上述掩膜仅针对远距离成像(一般大于10cm)；当欲重建的场景与系统间距较小，尤其是待测场景与系统间距小于图像传感器尺寸时，系统矩阵开始表现出不同的特性，因为场景上每一点的点扩散函数只覆盖了一个小区域，这种变化导致重建的场景图像出现非均匀的强度，信噪比降低。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种无透镜成像可分离振幅掩膜优化设计方法及装置。本发明能够解决现有可分离振幅掩膜仅适用于远距离成像，无法用于近距离成像(一般指待测场景与系统间距小于图像传感器尺寸时)的问题；无透镜成像系统采用本发明设计得到的可分离振幅掩膜，即使在环境受限时，依然能够获得理想的成像效果。

2、本发明第一方面实施例提出一种无透镜成像可分离振幅掩膜优化设计方法，包括：

3、获取无透镜成像系统的参数；

4、将所述无透镜成像系统中的可分离振幅掩膜的图案编码为基因，基于所述无透镜成像系统的参数，利用遗传算法优化所述可分离振幅掩膜的图案，得到所述可分离振幅掩膜的优化设计结果。

5、在本发明的一个具体实施例中，所述获取无透镜成像系统的参数，包括：

6、获取无透镜成像系统的图像传感器的长lsensor和高hsensor、观测图像分辨率s×r、观测图像等效像素尺寸δsensor、重建图像分辨率m×n、重建图像像素尺寸δscene、可分离振幅掩膜特征尺寸δmask、成像距离z、可分离振幅掩膜到图像传感器的距离d；

7、对所述无透镜成成像系统的系统矩阵进行一次预标定，得到包含编码成分的预标定系统左乘矩阵和右乘矩阵

8、在本发明的一个具体实施例中，所述将所述无透镜成像系统中的可分离振幅掩膜的图案编码为基因，包括：

9、将可分离振幅掩膜的图案矩阵化后表达式如下：

10、

11、其中，d为掩膜图案；为包含k个元素的列向量，每个元素为1或-1；

12、将列向量作为基因，中每个元素为基因的位点，k为基因的长度，其中：

13、kδmask＞max(lsensor，hsensor)。

14、在本发明的一个具体实施例中，述方法还包括：

15、1)令初始迭代次数t＝0，随机生成a个长度为k、元素为1或-1的列向量作为初始基因以构成初始种群表示初始种群即第0代种群φ0中序号为i的基因，a≥k/5；

16、2)计算当前种群中每一个基因的适应度；

17、3)对当前迭代次数t进行判定：

18、3-1)当t≤预设的第一上限a时，不满足迭代终止条件，进入步骤4)；其中，3≤a≤10；

19、3-2)当b＞t＞a时，对于种群φt-a+1至φt共a个种群，计算每个种群中每个基因的适应度，将种群内适应度的最大值作为该种群的最大适应度；

20、计算完毕后，若任意两个种群的最大适应度的差值均小于等于该a个种群的最大适应度均值的设定比例c，则迭代终止，选取种群φt-a+1至φt中适应度最大的基因作为最优基因然后进入步骤6)；若存在两个种群的最大适应度的差值大于该a个种群的最大适应度均值的设定比例c，则进入步骤4)；

21、其中，b为预设的第二上限，100a≤b；1％≤c≤10％；

22、3-3)当t≥b时，迭代终止，选取φb-a+1至φb共a个种群中适应度最大的基因作为最优基因然后进入步骤6)；

23、4)对当前第t代种群φt进行交叉与突变获得子代，形成下一代种群φt+1；

24、5)令t＝t+1，将步骤4)得到的种群φt+1作为新的当前第t代种群φt，然后重新返回步骤2)；

25、6)以最优基因计算得到最优图案dbest，dbest即为可分离振幅掩膜的图案设计的最终优化结果；

26、

27、在本发明的一个具体实施例中，所述计算当前种群中每一个基因的适应度，包括：

28、1)对于当前第t代种群计算第t代种群中每一个基因对应的系统矩阵和

29、其中，表示基因对应的无透镜成像系统含编码成份的系统左乘矩阵，表示基因对应的无透镜成像系统含编码成份的系统右乘矩阵；

30、2)利用步骤1)的结果，计算待测场景图像xgt下基因对应的仿真观测图像

31、

32、其中，∑为逐像素噪声；

33、3)获取待测场景图像xgt下基因对应的重建图像

34、

35、其中，x为待优化的参数，τ为正则化系数，为矩阵的frobenius范数；

36、4)计算基因的适应度

37、

38、其中，

39、

40、

41、

42、其中，代表重建图像与待测场景图像xgt间的结构相似指标，代表重建图像与待测场景图像xgt间的指标峰值信噪比；

43、为对纯白图像的基于梯度的评价指标，gu(·)和gv(·)分别表示求矩阵两个方向上的梯度矩阵，为矩阵的1范数，m和n为重建图像的宽度和高度，xwhite为纯白图像。

44、在本发明的一个具体实施例中，所述基因对应的无透镜成像系统含编码成份的系统左乘矩阵计算方式如下：

45、1)设定重复次数可选值数组wl＝[1，2，…，k]和左乘矩阵衰减系数可选值数组dl＝[1，2，…，n]；

46、2)从wl中选取一个重复次数wp，从dl中选取一个左乘矩阵衰减系数dpf；

47、3)基于步骤2)的结果，将基因对应的列向量重复wp次，构成有k行wp列的二维矩阵

48、4)基于步骤2)的结果，构建衰减矩阵pf，大小为k行wp列，每一行均相同；

49、其中，对于列数为x的矩阵元素，其值y为：

50、

51、5)将二维矩阵与衰减矩阵pf点乘得到左乘源矩阵

52、6)根据如下仿射变换关系得到左乘矩阵

53、其中，对于左乘矩阵内坐标为(xtgt，ytgt)的值，根据左乘源矩阵坐标为(xsrc，ysrc)的值进行插值计算得到：

54、

55、其中，kcenter为左乘矩阵中心线斜率，kstripe为左乘矩阵延伸线斜率；

56、

57、7)计算步骤6)得到的左乘矩阵与预标定系统左乘矩阵的结构相似度；

58、然后重新返回步骤2)，选取下一个wp和dpf的组合，直至得到k×n组wp和dpf的组合分别对应的左乘矩阵与预标定系统左乘矩阵的结构相似度；

59、8)从步骤7)得到的所有结构相似度中选取结构相似度最高的wp和dpf的组合，将该组合对应的作为最终的

60、在本发明的一个具体实施例中，所述基因对应的无透镜成像系统含编码成份的系统右乘矩阵计算方式如下：

61、1)设定重复次数可选值数组wr＝[1，2，…，k]和右乘矩阵衰减系数可选值数组dr＝[1，2，…，m]；

62、2)从wr中选取一个重复次数记为wq，dr中选取一个右乘矩阵衰减系数记为dqf；

63、3)基于步骤2)的结果，将基因对应的列向量重复wq次，构成有k行wq列的二维矩阵

64、4)基于步骤2)的结果，构建衰减矩阵qf，大小为k行wq列，每一行均相同；

65、其中，对于列数为x的矩阵元素，其值y为：

66、

67、5)将二维矩阵与衰减矩阵qf点乘得到右乘源矩阵

68、6)根据如下仿射变换关系得到右乘矩阵

69、其中，对于右乘矩阵内坐标为(xtgt，ytgt)的值，根据右乘源矩阵坐标为(xsrc，ysrc)的值进行插值计算得到：

70、

71、7)计算步骤6)得到的右乘矩阵与预标定系统右乘矩阵的结构相似度；

72、然后重新返回步骤2)，选取下一个wq和dqf的组合，直至得到k×m组wq和dqf的组合分别对应的右乘矩阵与预标定系统右乘矩阵的结构相似度；

73、8)从步骤7)的得到的所有结构相似度中选取结构相似度最高的wq和dqf的组合，将该组合对应的作为最终的

74、本发明第二方面实施例提出一种无透镜成像可分离振幅掩膜优化设计装置，包括：

75、参数获取模块，用于获取无透镜成像系统的参数；

76、优化设计模块，用于将所述无透镜成像系统中的可分离振幅掩膜的图案编码为基因，基于所述无透镜成像系统的参数，利用遗传算法优化所述可分离振幅掩膜的图案，得到所述可分离振幅掩膜的优化设计结果。

77、本发明第三方面实施例提出一种电子设备，包括：

78、至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

79、其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行上述一种无透镜成像可分离振幅掩膜优化设计方法。

80、本发明第四方面实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述一种无透镜成像可分离振幅掩膜优化设计方法。

81、本发明的特点及有益效果在于：

82、本发明将遗传算法引入可分离振幅掩膜优化设计，操作简单，可以方便快捷的得到可分离振幅掩膜的优化设计结果。

83、本发明提出了由掩膜图案直接生成系统矩阵的方法，速度极快，有利于快速得到对应掩膜的重建效果，进而使用遗传算法对掩膜进行优化，克服了常用标定方法往往需要采集数百乃至上千张(具体地，标定图像的张数为重建分辨率的宽与高的和)标定图像，导致耗时较长、代价较高的问题。

84、本发明提出了使用待测图像和纯白图像共同优化的适应度函数，可以同时实现提高重建分辨率和降低重建不均匀度的问题，对优化效果产生极大提高。

85、本发明能够解决现有可分离振幅掩膜仅适用于远距离成像，无法用于近距离成像的问题。利用本发明得到的基于可分离振幅掩膜的无透镜成像系统可以极大缩小成像距离，使其可以适配体积受限的成像环境，例如机器人指尖操作的触觉传感器和人体内立体视觉窥镜等，并获得理想的成像效果。