[논문 리뷰] Computational snapshot angular-spectral lensless imaging

Peng Wang, Rajesh Menon|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 25.

Random lasers and scattering media인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이미지 센서 앞에 배치된 회절 요소를 사용하여 단일 스냅샷으로 장면의 각도 및 스펙트럼 정보를 동시에 캡처하는 렌즈가 없는 영상 시스템을 제시한다. 시스템의 각도-스펙트럼 응답을 캘리브레이션하고 최적화 기반 행렬 역행렬을 적용함으로써, 실시간 영상 촬영에서 0.15°의 각도 해상도와 6 nm의 스펙트럼 해상도를 달성한다.

ABSTRACT

By placing a diffractive element in front of an image sensor, we are able to multiplex the spectral and angular information of a scene onto the image sensor. Reconstruction of the angular-spectral distribution is attained by first calibrating the angular-spectral response of the system and then, applying optimization-based matrix inversion. In our proof-of-concept demonstration, we imaged the 1D angle and the spectrum with resolutions of 0.15o and 6nm, respectively. The information is reconstructed from a single frame, thereby enabling snapshot functionality for video-rate imaging.

연구 동기 및 목표

• 렌즈 없이도 장면의 각도 및 스펙트럼 정보를 고해상도로 실시간으로 촬영할 수 있도록 하는 것.
• 기존 렌즈 기반 시스템이 동시에 각도 및 스펙트럼 데이터를 캡처하는 데 한계를 가지는 문제를 해결하는 것.
• 비디오 속도 응용에 적합한 소형이고 저비용의 영상 솔루션을 개발하는 것.
• 계산 기반 복원을 통해 단일 노출로 고공간, 고각도, 고스펙트럼 해상도를 달성하는 것.
• 렌즈가 없는 영상 기술이 완전한 각도 및 스펙트럼 다중화를 갖춘 동적 장면에 적용 가능한지를 입증하는 것.

제안 방법

• 표준 이미지 센서 앞에 회절 광학 요소를 직접 배치하여 각도 및 스펙트럼 정보를 센서 평면에 다중화하는 방식.
• 전달 함수를 모델링하기 위해 알려진 기준 원천을 사용하여 시스템의 각도-스펙트럼 응답을 캘리브레이션하는 방식.
• 최적화 기반 행렬 역행렬에 기반한 계산 기반 복원 알고리즘을 사용하여 원래의 각도-스펙트럼 분포를 복원하는 방식.
• 캘리브레이션된 시스템 응답과 측정된 센서 데이터를 사용하여 선형 역문제를 해결하는 복원 과정.
• 모든 각도 및 스펙트럼 정보를 단일 노출에서 캡처함으로써 스냅샷 영상 촬영을 가능하게 하는 방식.
• 알고리즘은 노이즈에 강건하고 실시간 처리가 가능하여 비디오 속도 응용에 적합하도록 설계됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렌즈가 없는 영상 시스템은 단일 노출로 장면의 각도 및 스펙트럼 정보를 모두 캡처할 수 있는가?
• RQ2 회절 기반 렌즈가 없는 영상 시스템에서 달성 가능한 각도 및 스펙트럼 해상도는 무엇인가?
• RQ3 단일 센서 측정값으로부터 계산 기반 복원이 원래의 전체 각도-스펙트럼 분포를 얼마나 정확하게 복원할 수 있는가?
• RQ4 고해상도를 유지하면서도 비디오 속도 영상 촬영을 지원할 수 있는가?
• RQ5 캘리브레이션 정확도가 복원된 각도-스펙트럼 데이터 품질에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 스펙트럼 해상도가 6 nm로 달성되어 세밀한 스펙트럼 특징의 구분이 가능하다.
• 0.15°의 각도 해상도가 입증되어 빛의 방향을 정밀하게 감지할 수 있다.
• 진정된 스냅샷 영상 촬영이 가능하여 단일 프레임에서 전체 각도-스펙트럼 데이터를 캡처한다.
• 실시간으로 복원이 이루어져 비디오 속도 영상 촬영 응용을 지원한다.
• 통제된 빛 원천을 사용한 개념 증명 실험을 통해 방법의 타당성이 검증되었다.
• 단일 측정값을 사용하여 계산 기반 복원 알고리즘이 고정밀도로 각도-스펙트럼 분포를 성공적으로 복원하였다.