[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种基于可编程孔径阵列与单传感器的无透镜压缩感知成像系统，可在无透镜条件下捕获图像。通过调制孔径阵列的透射率以实现压缩感知矩阵，该系统可在可见光、红外及毫米波谱段实现高分辨率、无离焦的成像，原型机已通过使用LCD面板和光电传感器验证其可行性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无透镜成像架构，以消除传统透镜带来的光学像差与机械复杂性。
• 通过空间调制的孔径阵列直接形成压缩感知测量，实现在成像中的压缩感知。
• 实现仅受孔径分辨率限制的高图像清晰度，而非受透镜引起的模糊或离焦影响。
• 将压缩感知的应用扩展至非可见光谱段，如红外与毫米波。
• 利用现成组件（如LCD面板与光电传感器）构建实用、低成本原型。

提出的方法

• 系统使用二维独立可控的孔径单元阵列，形成一组光锥束，每个光锥束对应图像中的一个像素。
• 单个传感器检测通过孔径阵列的光线总强度，形成压缩感知测量。
• 每个孔径单元的透射率根据压缩感知矩阵动态调节，以编码空间信息。
• 通过可编程调制孔径透射率实现压缩感知矩阵，避免使用透镜或复杂光学元件。
• 利用标准压缩感知算法从采集的测量中进行图像重建。
• 通过单个孔径阵列配合多个传感器，支持多视角成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 无透镜成像系统是否能实现无光学像差或离焦模糊的高分辨率成像？
• RQ2 能否通过可编程孔径阵列而非基于透镜的系统有效实现压缩感知？
• RQ3 该系统在多大程度上可捕获红外与毫米波等非可见光谱段的图像？
• RQ4 与传统有透镜系统相比，该无透镜系统的图像质量在分辨率与清晰度方面如何？
• RQ5 能否使用LCD面板与光电传感器等标准组件构建实用且低成本的原型？

主要发现

• 所提出的无透镜系统实现的图像清晰度仅受孔径阵列分辨率限制，而非透镜引起的离焦或像差影响。
• 原型机成功利用LCD面板作为可编程孔径、光电传感器进行测量，捕获了可见光谱图像。
• 该架构对离焦具有天然鲁棒性，因无透镜存在，图像质量不会因对焦误差而下降。
• 该架构具有可扩展性，可延伸至红外与毫米波等非可见光谱段。
• 可使用多个传感器配合单个孔径阵列，同时捕获多视角图像。
• 该系统证明了可通过孔径透射率的空间调制直接实现压缩感知，而无需光学元件。