[論文レビュー] Lensless Compressive Sensing Imaging

Gang Huang, Hong Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2013

Sparse and Compressive Sensing Techniques参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

この論文では、プログラマブルなアパーチャアレイと1つのセンサーを用いて、レンズを用いない画像撮影を実現するレンズレス圧縮センシング画像化システムを提案している。アパーチャアレイ全体の透過率を変調することで圧縮センシング行列を実装し、可視光、赤外線、ミリ波帯域のスレートにわたり高解像度で、ぼかしのない画像撮影を可能にする。プロトタイプはLCDパネルとフォトエレクトリックセンサーを用いて、実現可能性が実証された。

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.

研究の動機と目的

• 従来のレンズに起因する光学的収差や機械的複雑さを排除するレンズレス画像化アーキテクチャの開発を目的とする。
• 空間的に変調されたアパーチャアレイを用いて、直接的に圧縮測定を形成することで、画像処理における圧縮センシングの実装を可能にする。
• 解像度はアパーチャの解像度に制限されるが、レンズに起因するぼかしやぼかしによる影響を受けない、高精細な画像再構成を実現する。
• 赤外線やミリ波帯域などの非可視スペクトルへの圧縮センシングの適用可能性を拡張する。
• LCDパネルやフォトエレクトリックセンサーなどの市販部品を用いた実用的で低コストのプロトタイプの構築を目的とする。

提案手法

• 2次元の独立制御可能なアパーチャ素子アレイを用いて、画像のピクセルに対応する各レイトコンビュールの束を形成する。
• 1つのセンサーがアパーチャアレイを通過する光線の統合強度を検出することで、圧縮測定を形成する。
• 各アパーチャ素子の透過率を、圧縮センシング行列に従って動的に調整することで、空間情報をエンコードする。
• レンズや複雑な光学系を必要とせず、アパーチャ透過率のプログラマブルな変調により圧縮センシング行列を実装する。
• 収集された測定値から、標準的な圧縮センシングアルゴリズムを用いて画像再構成を実行する。
• 1つのアパーチャアレイに対して複数のセンサーを用いることで、マルチビュー画像の同時撮影を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レンズレス画像化システムは、光学的収差やぼかしによるぼやけのない高解像度画像撮影を達成できるか？
• RQ2 レンズベースのシステムに代えて、プログラマブルなアパーチャアレイを用いて圧縮センシングを効果的に実装できるか？
• RQ3 このシステムは赤外線やミリ波帯域などの非可視スペクトルをどれだけ効果的に捉えることができるか？
• RQ4 解像度とシャープネスの観点から、レンズレスシステムの画像品質は従来のレンズ付きシステムと比べてどの程度の水準にあるか？
• RQ5 LCDパネルやフォトエレクトリックセンサーなどの標準部品を用いて、実用的で低コストのプロトタイプを構築できるか？

主な発見

• 提案されたレンズレスシステムは、レンズに起因するぼかしや収差による影響を受けず、アパーチャアレイの解像度に制限されるのみで、画像のシャープネスを実現した。
• プロトタイプは、プログラマブルなアパーチャとしてLCDパネルを、測定にフォトエレクトリックセンサーを用いて、可視光帯域の画像を正常に撮影した。
• レンズが存在しないため、焦点ずれの影響がなく、画像品質が焦点誤差によって劣化しないという点で、本質的にぼかしに強く、耐性がある。
• このアーキテクチャはスケーラブルであり、赤外線やミリ波帯域などの非可視スペクトルへの応用拡張が可能である。
• 1つのアパーチャアレイに対して複数のセンサーを用いることで、同時にマルチビュー画像を撮影することが可能である。
• 光学部品を一切用いずに、アパーチャ透過率の空間的変調によって直接的に圧縮センシングを実装する可能性が、本システムによって実証された。