LBE-SPI - учебный набор по однопиксельной визуализации

Учебный комплекс LBE-SPI представляет собой экспериментальную платформу для изучения методов вычислительной визуализации, в частности – технологии однопиксельного изображения на основе принципа сжатых измерений. Данный метод реализует иной подход к получению изображений по сравнению с классическими системами на основе матричных детекторов. 

Принцип сжатых измерений (Compressed Sensing)

Теоретической основой системы является теория сжатых измерений – математический аппарат, позволяющий восстанавливать сигналы и изображения по количеству данных, существенно меньшему, чем требуется классической теоремой отсчетов Котельникова-Шеннона. Ключевым допущением CS является разреженность полезного сигнала в некотором известном базисе (например, вейвлетном, Фурье или базисе полной вариации). Это означает, что информация о сигнале может быть сконцентрирована в малом числе значимых коэффициентов.

Практическая реализация CS включает три основных элемента:

1. Разреженное представление сигнала.
   Выбор математического базиса, в котором представление целевого изображения является максимально компактным.

2. Некогерентные измерения.
   Процесс сбора данных осуществляется не путем независимого опроса каждого элемента изображения (пикселя), а через его линейные проекции на набор псевдослучайных масок (паттернов). Последовательность масок формирует матрицу измерений, удовлетворяющую критерию ограниченной изометрии.

3. Нелинейные алгоритмы реконструкции. 
   Восстановление исходного изображения из неполного набора проекционных измерений выполняется с помощью специализированных алгоритмов оптимизации.

Рис.1 – Схема процесса сжатых измерений: от формирования масок до получения измеренных данных

Применение принципов CS в оптике привело к разработке архитектуры однопиксельных камер. В такой системе (рис. 2) свет от объекта модулируется тысячами различных псевдослучайных паттернов, динамически формируемых на цифровом микрозеркальном устройстве (DMD). Полный световой поток, прошедший через объект или отраженный от него, фокусируется на единственном точечном высокочувствительном детекторе. Интенсивность, зарегистрированная для каждого паттерна, составляет одно скалярное измерение. Совокупность нескольких сотен или тысяч таких измерений, количество которых может быть на порядки меньше общего числа восстанавливаемых пикселей, служит входными данными для алгоритма реконструкции, который вычисляет итоговое изображение.

Рис. 2 – Принципиальная оптическая схема системы однопиксельного изображения

Структура и назначение учебного комплекса LBE-SPI

Ядром системы служит DMD, выполняющее функцию быстрого пространственного модулятора света. Работа комплекса основана на пространственной модуляции падающего светового поля с помощью DMD, регистрации результирующего светового потока однопиксельным фотонным счетчиком и последующего восстановления изображения с использованием алгоритмов сжатых измерений. Как показано на рис. 2, система имеет модульную архитектуру и состоит из оптического модуля, модуля высокоскоростной DMD-модуляции, модуля фотонного счета, а также модуля питания и управления.

Рис. 3 – Оптическая схема и структурная топология системы

Оптический модуль

Оптический модуль включает широкополосный галогенный источник света (диапазон 400-1600 нм), систему линз, аттенюаторы, DMD и детекторный узел. Свет от источника фокусируется на определенную область микрозеркальной матрицы DMD. Свет, отраженный в состоянии «ON», направляется через собирающую оптику на фотонный счетчик (например, ФЭУ), который преобразует оптический сигнал в цифровые импульсы для количественного измерения интенсивности.

Модуль высокоскоростной DMD-модуляции

DMD состоит из массива микроскопических зеркал, каждое из которых может независимо отклоняться на угол ±12°, занимая одно из двух состояний: «ON» или «OFF». Это позволяет реализовать двоичную (бинарную) пространственную модуляцию светового поля. Специализированное программное обеспечение на управляющем компьютере позволяет загружать и отображать на DMD произвольные последовательности паттернов, соответствующих строкам измерительной матрицы, с высокой скоростью обновления.

Модуль счета фотонов

В качестве детектора используется высокочувствительный фотоэлектронный умножитель. Он преобразует сверхслабые световые сигналы в стандартные ТТЛ-импульсы. Эти импульсы поступают в счетный модуль, который осуществляет их накопление и статистическую обработку, после чего данные передаются на компьютер для записи и последующего анализа.

Модуль питания и управления

Вся система питается от источника постоянного тока 12 В. Управление модулями DMD и счетчика фотонов осуществляется независимо с компьютера через специализированные программы «DMD» и «Counter», которые обеспечивают синхронизацию процессов модуляции света, сбора данных и их первичной обработки.