[论文解读] Fast localization and single-pixel imaging of the moving object using time-division multiplexing

Zijun Guo, Wenwen Meng+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2022

Random lasers and scattering media被引用 4

一句话总结

本文提出一种时分复用方法，通过在单像素成像中解耦运动与图像信息，实现对快速运动物体的抗运动模糊重建。通过交替编码几何矩模式（用于位置）和哈达玛模式（用于图像），该方法实现了5.55 kHz的定位频率和伪512×512分辨率的成像，适用于角速度最高达0.5 rad/s的旋转物体。

ABSTRACT

When imaging moving objects, single-pixel imaging produces motion blur. This paper proposes a new single-pixel imaging method, which can achieve anti-motion blur imaging of a fast-moving object. The geometric moment patterns and Hadamard patterns are used to alternately encode the position information and the image information of the object with time-division multiplexing. In the reconstruction process, the object position information is extracted independently and combining motion-compensation reconstruction algorithm to decouple the object motion from image information. As a result, the anti-motion blur image and the high frame rate object positions are obtained. Experimental results show that for a moving object with an angular velocity of up to 0.5rad/s relative to the imaging system, the proposed method achieves a localization frequency of 5.55kHz, and gradually reconstructs a clear image of the fast-moving object with a pseudo resolution of 512x512. The method has application prospects in single-pixel imaging of the fast-moving object.

研究动机与目标

• 解决快速运动物体在单像素成像中的运动模糊问题。
• 将物体运动信息与图像数据解耦，以实现运动补偿重建。
• 实现对快速运动目标的高速定位与清晰图像重建。
• 利用单像素探测器实现实时动态场景成像，且运动伪影最少。

提出的方法

• 使用几何矩模式通过时分复用编码并提取物体位置信息。
• 在时间编码中交替使用几何矩模式与哈达玛模式，以分离运动与图像数据。
• 应用一种运动补偿重建算法，利用独立提取的位置数据校正图像失真。
• 基于运动校正后的投影，利用压缩感知原理重建图像。
• 利用时分复用为位置与强度编码分配独立的时间时隙。
• 利用角速度中运动的稀疏性，提升定位精度与帧率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否有效缓解快速运动物体在单像素成像中的运动模糊？
• RQ2 能否通过时分复用实现物体位置的独立估计，并具备高时间分辨率？
• RQ3 运动与图像信息的解耦是否能实现高帧率定位与清晰图像重建？
• RQ4 运动补偿单像素成像在多大角速度下仍保持有效？
• RQ5 该方法能否实现毫秒级以下的定位频率，同时保持图像质量损失最小？

主要发现

• 该方法实现了对运动物体5.55 kHz的定位频率。
• 对于角速度最高达0.5 rad/s的物体，系统成功实现了伪512×512分辨率的清晰图像重建。
• 通过独立提取与补偿物体位置数据，有效抑制了运动模糊。
• 几何矩与哈达玛模式的时分复用实现了高速定位与图像重建的同步进行。
• 运动补偿算法成功将运动信息与图像数据解耦，提升了重建保真度。
• 该方法在动态环境中实现了对快速运动目标单像素成像的实用可行性。