三维分层目标压缩全息术的测量矩阵降维方法
阅读说明：本技术 三维分层目标压缩全息术的测量矩阵降维方法 (Measurement matrix dimension reduction method for three-dimensional layered target compression holography ) 是由 于雪莲 班江 孙彦乾 王康维 余嘉静 暴兴旭 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：三维分层目标压缩全息术的测量矩阵降维方法,属于计算成像、全息三维成像领域。三维分层目标压缩全息术重建时,受测量矩阵维度和串扰噪声的限制,其重建速度和成像质量被制约。本发明通过在三维分层目标全息图的分层表示的基础上,利用分割算子和并行算子,降低测量矩阵的维度,消除串扰噪声。相比于传统压缩全息术,本方法具有更快的重建速度和更高的重建质量。(A measurement matrix dimension reduction method of three-dimensional layered target compression holography belongs to the field of computational imaging and holographic three-dimensional imaging. When the three-dimensional layered target compression holography is reconstructed, the reconstruction speed and the imaging quality of the three-dimensional layered target compression holography are restricted by the dimension of a measurement matrix and crosstalk noise. According to the invention, on the basis of the layered representation of the three-dimensional layered target hologram, the dimensionality of the measurement matrix is reduced and the crosstalk noise is eliminated by utilizing the segmentation operator and the parallel operator. Compared with the traditional compression holography, the method has faster reconstruction speed and higher reconstruction quality.)
技术领域
本发明涉及三维分层目标压缩全息术的测量矩阵降维方法，属于计算成像、全息三维成像领域，尤其涉及三维分层目标压缩全息术的测量矩阵降维领域。
背景技术
全息术在成像领域中，备受瞩目的原因是其具有三维成像的能力。传统全息术采用卷积方法、角谱方法等进行反向传播重建。然而由于层间串扰噪声，传统反向传播方法无法重建三维分层目标。因此压缩全息术被提出，其可以实现高质量的三维分层目标重建。但是在三维分层目标压缩全息重建中，有两个弊病：第一个弊病是重建速度慢，第二个弊病是成像质量受串扰噪声影响。第一个弊病的原因：重建的三维分层目标通常为具有数百万变量的多维数据矩阵，并且计算时间随着三维分层目标的数据量增长而线性增长，计算量与测量矩阵的维度直接相关，压缩全息的重建速度由测量矩阵的维度来反映。第二个弊病的原因：压缩全息术可以较好的抑制层间串扰噪声，但是一定程度上仍然受到串扰噪声的影响。目前的压缩全息术重建不可避免的出现上述问题。为此，本发明提出了三维分层目标压缩全息术的测量矩阵降维方法。
发明内容
三维分层目标压缩全息术的测量矩阵降维方法，本方法适用于各种压缩全息系统。基础压缩全息系统包括光源、目标、图像传感器。由压缩全息术系统记录三维分层目标全息图，使用Orzo提出的全息分割算法作为分割算子，对所述三维分层目标全息图进行分割，获得三维分层目标中每一层目标的单层目标全息图，使用单程序多数据(single-program-multiple-data,SPMD)技术作为并行算子，对所述三维分层目标中每一层目标的单层目标全息图使用两步迭代收缩阈值(the two-step iterative shrinkage/thresholding,TwIST)算法进行并行重建，根据所述三维分层目标中每一层目标的重建图像，进行逐层拼接，获得所述三维分层目标图像。本方法包括如下步骤：步骤1，三维分层目标全息图的记录；步骤2，三维分层目标全息图的分割；步骤3，单层目标全息图的并行计算；步骤4，三维分层目标图像的重建。
定义压缩全息术中横向方向的像素数量为Nx、Ny，轴向方向的像素层数为Nz。
步骤1：由所述压缩全息术系统记录所述三维分层目标全息图，所述三维分层目标全息图的向量形式表示为其为维度为(Nx×Ny)×1。
其中为所述测量矩阵，其维度为(Nx×Ny)×(Nx×Ny×Nz)。为所述三维分层目标的向量形式，其维度为(Nx×Ny×Nz)×1；对所述三维分层目标全息图进行分层表示。
其中为所述三维分层目标中每一层目标的单层目标全息图的向量形式，其维度为(Nx×Ny)×1；为所述单层目标的所述测量矩阵，其维度为(Nx×Ny)×(Nx×Ny×1)；为所述单层目标的向量形式，其维度为(Nx×Ny×Nz)×1。
步骤2：使用Orzo提出的全息分割算法作为分割算子[]Filter，对所述三维分层目标全息图进行分割，获得所述三维分层目标中每一层目标的单层目标全息图。
步骤3：使用SPMD技术作为并行算子[·]P-TwIST，对所述三维分层目标中每一层目标的单层目标全息图使用TwIST算法进行并行重建，使得每个并行池中的测量矩阵的维度变为(Nx×Ny)×(Nx×Ny×1)，获得所述三维分层目标中每一层目标的重建图像。
其中，f为所述三维分层目标中单层目标的重建图像。所述的并行池个数等于所述三维分层目标中单层目标的数量。
步骤4：
根据所述三维分层目标中每一层目标的重建图像，进行逐层拼接，获得所述三维分层目标图像。
附图说明
图1
具体实施方式
的装置图，1单色激光光源，2第一透镜，3第二透镜，4三维分层目标，5CMOS图像传感器。
图2三维分层目标压缩全息术的测量矩阵降维方法流程图。
图3具体实施方式的实验结果，(a)三维分层目标，(b)传统全息术反向传播的实验结果，(c)传统压缩全息术的实验结果，(d)本发明所提出方法的实验结果。
具体实施方式
实施例1
结合图1所示的装置，对本发明进一步说明。
图1为具体实施方式的装置图，其包括单色激光光源(1)，第一透镜(2)，第二透镜(3)，三维分层目标(4)，CMOS图像传感器(5)。单色激光光源(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)组成光源系统。单色激光光源(1)经过第一透镜(2)、第二透镜(3)组成的透镜组，输出为准直光束。单色激光光源(1)的中心波长为532nm。
步骤1：中心波长为532nm单色激光光源发出的光经过所述透镜组，输出为准直光束，所述准直光束与三维分层目标相互作用产生的物光波与未与三维分层目标相互作用的所述准直光束之间干涉，由所述CMOS图像传感器记录三维分层目标全息图。
步骤2：使用Orzo提出的全息分割算法作为所述分割算子[]Filter。使用角谱方法以最优重建距离重建所述三维分层目标全息图Hs1，获得所述单层目标的全息重建结果I1。所述最优重建距离由Tenenbaum梯度自动聚焦算法获取。所述最优重建距离为所述单层目标的所述最优重建距离。使用背景值BV填充I1的非支持部分，获得I1′。所述非支持部分为所述单层目标没有覆盖的像素平面。支持部分为所述单层目标覆盖的像素平面。所述支持部分由阈值处理获取。所述背景值BV为Bexp(-i2πz/λ)，其中B为所述单层目标的全息重建结果的平均值，z为所述单层目标的所述最优重建距离，λ为波长。所述支持部分为所述单层目标覆盖的像素范围。使用角谱方法以所述最优重建距离将I1′传播至图像传感器平面，获得Hs2。从所述Hs1中减去两倍的所述Hs2的实部，再加上两倍的BV的绝对值，获得Hs′2。使用角谱方法以所述最优重建距离将所述H′s2传播至所述单层目标平面获得I2，使用BV填充I2的所述非支持部分，获得I′2。使用角谱方法以所述最优重建距离将I′2传播至图像传感器平面，获得Hs3，并进行如下计算，获得Hs。所述的Hs为所述单层目标的全息图。
Hs＝Hs1-Re[H′s2-Hs3+BV]
经上述过程，对所述三维分层目标全息图进行分割，获得所述三维分层目标中每一层目标的单层目标全息图。
步骤3：使用SPMD技术作为所述并行算子[·]P-TwIST，对所述三维分层目标中每一层目标的单层目标全息图使用TwIST算法进行并行重建，使得每个并行池中的测量矩阵的维度变为(Nx×Ny)×(Nx×Ny×1)，获得所述三维分层目标中每一层目标的重建图像。所述的并行池个数等于所述三维分层目标中单层目标的数量。
步骤4：根据所述三维分层目标中每一层目标的重建图像，进行逐层拼接，获得所述三维分层目标图像。
图3(b)为传统全息术反向传播的实验结果。图3(c)为传统压缩全息术的实验结果，重建耗时22450s。图3(c)为本发明所提出方法的实验结果，重建耗时414s。本发明的结果无串扰噪声，具有更加锐利边缘，意味着本发明所提出的方法具有更快的重建速度和更高的重建质量。
具体实施方式中的实施例仅代表本发明的一种实施方式。实施例1是按照本发明所提出方法，设计的一种实施装置及流程，不代表本发明的保护范围。所有从事相关技术领域的技术人员，均能够按照本发明提出方法设计多种不同的实施例。凡实施方式符合本发明权利要求，均在本专利的保护范围内。