【摘 要】
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随着基础科学与工程技术的进步,计算成像技术获得了快速的发展,在各个领域获得广泛的应用。单像素成像技术作为一种新型的计算成像技术,不同于传统的具有成千上万像素的阵列式相机成像技术,其仅采用了单个像素的探测器就能拍摄得到一幅二维图像,这使得单像素成像技术具备低成本和可集成度高的特点。此外单像素探测器还具有高检测灵敏度、宽光谱响应率、精确的时间分辨率等一系列优点,因此单像素成像技术在各个领域得到了广泛的
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随着基础科学与工程技术的进步,计算成像技术获得了快速的发展,在各个领域获得广泛的应用。单像素成像技术作为一种新型的计算成像技术,不同于传统的具有成千上万像素的阵列式相机成像技术,其仅采用了单个像素的探测器就能拍摄得到一幅二维图像,这使得单像素成像技术具备低成本和可集成度高的特点。此外单像素探测器还具有高检测灵敏度、宽光谱响应率、精确的时间分辨率等一系列优点,因此单像素成像技术在各个领域得到了广泛的关注。然而,单像素成像技术需要使用一系列的照明基图案多次采样获取场景信息,而随着成像分辨率的增加采样次数也会成倍地增加,这就导致了整体成像时间变长,因此成像速度成为了限制单像素成像技术进一步发展的主要因素。目前已有的研究,通过采用高调制速率的设备,如高速数字微镜设备（DMD）、转盘系统、光学相控阵（OPA）等,可实现较高速度的单像素成像。然而,这些设备要么制备复杂,要么价格昂贵,难以广泛实际应用,因此实现低成本高速单像素成像是目前亟待解决的一个难题。针对上述问题,本文在算法上改进了单步Hadamard单像素成像,提出一种自适应降奈奎斯特采样算法,并在硬件上采用ARM和FPGA协同控制方案,设计了高速LED阵列照明的低成本Hadamard单像素成像系统,以实现低成本且高速的单像素成像。为此,本文从以下几个方面进行了研究:（1）依据Hadamard变换的理论,分析了基于自然排序和Walsh排序下Hadamard变换的单像素成像原理。研究差分和单步的Hadamard单像素成像的原理,并在此基础上提出一种改进的单步Hadamard单像素成像方案,实现成像质量和速度的提升。（2）基于正交变换频谱的稀疏性,提出一种自适应降奈奎斯特单像素采样算法。该算法对稀疏的目标物体可实现大幅度的降采样,以进一步减少成像时间。在理论上研究并分析该算法的原理,并在仿真和实验上验证提出的算法的可行性和成像性能。（3）给出一种ARM和FPGA的协同控制成像系统的设计方案,通过利用ARM和FPGA的协同控制的灵活性和高速并行处理能力,并结合优化的系统整体方案设计、硬件设计以及软件设计,充分发挥低成本LED阵列的高调制速率。根据设计方案,经过仿真和测试验证该程序系统的可行性,并搭建实验系统装置,实现高速单像素成像。研究表明,提出的低成本单像素成像系统投影16×16分辨率照明基图案的速度可达每秒31462帧。在结合改进的单步Hadamard单像素成像技术,系统的成像速度可提升一倍。进一步采用提出的自适应降奈奎斯特单像素采样方法,在不显著降低成像质量的情况下,将采样率减少至38%,从而使得系统的成像速度高达每秒333帧。本研究实现了一种低成本且高速的单像素成像系统,为解决单像素成像的速度和成本的限制问题提供了一种新的思路。
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