[論文レビュー] Omnidirectional ghost imaging system and unwrapping-free panoramic ghost imaging

Huan Cui, Jie Cao+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2021

Random lasers and scattering media参考文献 29被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、1枚の曲面ミラーを用いて360°の視野を実現する1ショット測定が可能なオムニディレクショナル・ゴーストイメージングシステム（OGIS）を提案する。DMDに赤血球に似た対数極座標の同心円パターンを用い、全変動（TV）を用いた圧縮センシングを活用することで、アンラップフリーで歪みのないパノラマゴーストイメージングが可能となり、均一な分解能が得られる。従来のアンラップ方法と比較して、再構築時間の大幅な短縮と画像品質の向上が達成される。

ABSTRACT

Ghost imaging (GI) is a novel imaging method, which can reconstruct the object information by the light intensity correlation measurements. However, at present, the field of view (FOV) is limited to the illuminating range of the light patterns. To enlarge FOV of GI efficiently, here we proposed the omnidirectional ghost imaging system (OGIS), which can achieve a 360{\deg} omnidirectional FOV at one shot only by adding a curved mirror. Moreover, by designing the retina-like annular patterns with log-polar patterns, OGIS can obtain unwrapping-free undistorted panoramic images with uniform resolution, which opens up a new way for the application of GI.

研究の動機と目的

• 従来のゴーストイメージングにおける光パターンの照照明範囲に制限される視野（FOV）の制限を克服すること。
• 曲面ミラーを用いて1ショットで360°のオムニディレクショナルイメージングを実現すること。
• 曲面ミラーの幾何構造に適合する対数極座標構造を持つ赤血球に似た同心円パターンを設計し、全周方向に均一な角度分解能を確保すること。
• 対数極座標にマッピングされた長方形パターンから直接パノラマ画像を再構築することで、画像アンラップの必要を排除すること。
• 直接的パノラマ再構築によりデータ量と処理時間を削減することで、再構築効率と画像品質を向上させること。

提案手法

• 標準的なゴーストイメージングシステムに曲面ミラーを追加することで、カタディオプトリックなオムニディレクショナルイメージング設定を統合し、360°の照照明と光収集を可能にする。
• ミラーの凸形幾何構造に適合させるために、対数極座標系を用い、P個のリングと1リングあたりQ個のセルを持つ赤血球に似た同心円パターンを設計し、周方向に均一な分解能を確保する。
• DMDを用いて赤血球に似た同心円パターンを曲面ミラーに投影し、反射光が物体に当たったのち、全強度を2つのバケット検出器で測定する。
• 全変動（TV）最小化を用いた圧縮センシングを適用し、逆問題をl1ノルム最小化により解き、より少ない測定数でオムニディレクショナル・ゴーストイメージを再構築する。
• 対数極座標同心円パターンからマッピングされた長方形パターンを直接用いて、従来のアンラップステップを回避したパノラマゴーストイメージを再構築する。
• 座標変換のための数学的マッピング（デカルト座標から対数極座標へ）を用い、r₀（中心盲点）、ɛ（リング半径の増分）、θq（角度セル分割）というパラメータを定義することで、DMDグリッド上での最適な分解能とパターン適合性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1枚の曲面ミラーと標準的なDMDのみを用いて、ゴーストイメージングシステムが360°の視野を実現できるか？
• RQ2 赤血球に似た対数極座標同心円パターン設計が、全オムニディレクショナル視野にわたり均一な角度分解能を提供できるか？
• RQ3 アンラップ処理を経由せずにパノラマゴーストイメージを直接再構築できるか？ 画像品質を保持するとともに計算負荷を低減できるか？
• RQ4 リング数（P）とセル数（Q）の選択が、オムニディレクショナル・ゴーストイメージの再構築品質にどのように影響するか？
• RQ5 従来のアンラップベースの方法と比較して、アンラップフリーの直接的パノラマ再構築を用いることで、画像品質と処理効率にどの程度の向上が得られるか？

主な発見

• 赤血球に似た同心円パターンの最適パラメータはP=24リング、Q=120セルであり、再構築されたオムニディレクショナル・ゴーストイメージで最高のPSNRと視覚的品質が達成された。
• OGIS設定を用いて、文字'ABCDEF'、アラビア数字'123456'、中国語文字'三四五六七八'のオムニディレクショナル・ゴーストイメージが正常に再構築された。
• 提案されたアンラップフリーのパノラマゴーストイメージング法は、従来のアンラップベース法と比較してわずかに高いPSNRおよびSSIM値を達成した。
• 長方形パターン（24×120ピクセル）を用いた直接再構築により、元のm×m（128×128）パターン解像度と比較して計算負荷とデータ量が削減され、処理が高速化された。
• アンラップフリー法は、従来のアンラップ変換で生じがちなノイズ増幅を排除しながら、同等または優れた画像品質を実現した。
• 直接的パノラマパターンマッピングにより測定回数と再構築時間を大幅に削減したため、リアルタイム動作の可能性が明確に示された。