[논문 리뷰] Lensless Compressive Sensing Imaging

Gang Huang, Hong Jiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 07.

Sparse and Compressive Sensing Techniques참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 프로그래머블 어在此 배열과 단일 센서를 사용하여 렌즈 없이 영상을 촬영하는 렌즈 없는 압축 감지 영상 시스템을 제안한다. 어在此 배열의 투과도를 조절하여 압축 감지 행렬을 구현함으로써, 가시광선, 적외선, 밀리미터파 스펙트럼 전역에서 고해상도, 초점 흐림 없이 영상 촬영이 가능하며, LCD 패널과 광전 센서를 사용한 프로토타입을 통해 실현 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a lensless compressive sensing imaging architecture. The architecture consists of two components, an aperture assembly and a sensor. No lens is used. The aperture assembly consists of a two dimensional array of aperture elements. The transmittance of each aperture element is independently controllable. The sensor is a single detection element, such as a single photo-conductive cell. Each aperture element together with the sensor defines a cone of a bundle of rays, and the cones of the aperture assembly define the pixels of an image. Each pixel value of an image is the integration of the bundle of rays in a cone. The sensor is used for taking compressive measurements. Each measurement is the integration of rays in the cones modulated by the transmittance of the aperture elements. A compressive sensing matrix is implemented by adjusting the transmittance of the individual aperture elements according to the values of the sensing matrix. The proposed architecture is simple and reliable because no lens is used. Furthermore, the sharpness of an image from our device is only limited by the resolution of the aperture assembly, but not affected by blurring due to defocus. The architecture can be used for capturing images of visible lights, and other spectra such as infrared, or millimeter waves. Such devices may be used in surveillance applications for detecting anomalies or extracting features such as speed of moving objects. Multiple sensors may be used with a single aperture assembly to capture multi-view images simultaneously. A prototype was built by using a LCD panel and a photoelectric sensor for capturing images of visible spectrum.

연구 동기 및 목표

• 기존 렌즈에 기인한 광학적 왜곡과 기계적 복잡성을 제거하는 렌즈 없는 영상 아키텍처를 개발하는 것.
• 공간적으로 조절 가능한 어在此 배열을 사용하여 직접적으로 압축 측정을 형성함으로써 영상에서의 압축 감지를 구현하는 것.
• 렌즈에 의해 유도되는 흐림이나 초점 오류로 인한 흐림 없이, 어在此 해상도에 의해만 제한되는 높은 영상 선명도를 달성하는 것.
• 압축 감지를 적외선 및 밀리미터파와 같은 비가시 스펙트럼으로 확장하는 것.
• LCD 패널과 광전 센서와 같은 표준 부품을 사용하여 실용적이고 저비용의 프로토타입을 제작하는 것.

제안 방법

• 시스템은 독립적으로 제어 가능한 어在此 요소의 2차원 배열을 사용하여 각각 영상의 픽셀에 해당하는 빛 빛줄기 통합 패턴을 형성한다.
• 단일 센서는 어在此 배열을 통과하는 빛의 통합 강도를 감지하여 압축 측정을 형성한다.
• 각 어在此 요소의 투과도는 공간 정보를 인코딩하기 위해 압축 감지 행렬에 따라 동적으로 조절된다.
• 압축 감지 행렬은 어在此 투과도의 프로그래머블 조절을 통해 실현되며, 렌즈나 복잡한 광학 장치가 필요로 하지 않는다.
• 수집된 측정값에서 표준 압축 감지 알고리즘을 사용하여 영상 재구성한다.
• 단일 어在此 배열을 사용하여 다수의 센서를 활용함으로써 다중 시점 영상 촬영을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렌즈 없는 영상 시스템이 광학적 왜곡이나 초점 흐림 없이 고해상도 영상 촬영을 수행할 수 있는가?
• RQ2 렌즈 기반 시스템 대신 프로그래머블 어在此 배열을 사용하여 압축 감지를 효과적으로 구현할 수 있는가?
• RQ3 이 시스템이 적외선 및 밀리미터파와 같은 비가시 스펙트럼에서 영상 촬영에 얼마나 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ4 렌즈 없는 시스템의 영상 품질이 해상도와 선명도 측면에서 기존 렌즈 기반 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 LCD 패널과 광전 센서와 같은 표준 부품을 사용하여 실용적이고 저비용의 프로토타입을 구축할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 렌즈 없는 시스템은 렌즈에 기인한 초점 흐림이나 왜곡으로 인한 영향 없이 어在此 해상도에 의해만 제한되는 영상 선명도를 달성한다.
• 프로토타입은 프로그래머블 어在此로 LCD 패널을 사용하고 측정을 위해 광전 센서를 사용하여 가시광선 스펙트럼 영상을 성공적으로 촬영하였다.
• 렌즈가 없기 때문에 시스템은 초점 오류에 대해 본질적으로 강건하며, 영상 품질이 떨어지지 않는다.
• 이 아키텍처는 확장 가능하며, 적외선 및 밀리미터파와 같은 비가시 스펙트럼으로도 확장할 수 있다.
• 단일 어在此 배열을 사용하여 다수의 센서를 활용해 동시에 다중 시점 영상을 촬영할 수 있다.
• 이 시스템은 광학 장치 없이 어在此 투과도의 공간적 조절을 통해 직접적으로 압축 감지를 실현할 수 있음을 입증하였다.