像素數對於(yu) 成像用的相機是很重要的。你的相機有多少像素？真正應該問的問題是你的相機需要多少像素？用於(yu) 數字圖像采集的矽基電荷耦合器件 (CCD) 和互補金屬氧化物半導體(ti) (CMOS) 像素化傳(chuan) 感器的發展是一個(ge) 快速變化的領域。從(cong) 手機到專(zhuan) 業(ye) 數碼單反相機，構成傳(chuan) 感器芯片的像素數量既是性能指標，也是營銷必不可少的話題。
2018 Nature Photonics:單像素成像的原理和前景
技術背景：
（1）像素數對於(yu) 成像用的相機是很重要的。你的相機有多少像素？真正應該問的問題是你的相機需要多少像素？用於(yu) 數字圖像采集的矽基電荷耦合器件 (ccd) 和互補金屬氧化物半導體(ti) (cmos) 像素化傳(chuan) 感器的發展是一個(ge) 快速變化的領域。從(cong) 手機到專(zhuan) 業(ye) 數碼單反相機，構成傳(chuan) 感器芯片的像素數量既是性能指標，也是營銷必不可少的話題。
（2）在不適合矽基陣列圖像傳(chuan) 感器国产成人在线观看免费网站的場景，使用單像素探測器二維光柵掃描（raster-scanned）的成像效率與(yu) 圖像像素數成反比。現代掃描技術通常采用一對振鏡，用於(yu) 將光引導到單像素探測器上。光柵掃描係統通常用於(yu) 需要在不適合矽基傳(chuan) 感器技術使用的波段進行傳(chuan) 感的国产成人在线观看免费网站，在這些国产成人在线观看免费网站中，矽基像素化傳(chuan) 感器變得昂貴或不切實際，例如紅外線或深紫外線。然而，當掃描來自自然場景的光時，任何單點掃描機製的效率都與(yu) 圖像中的像素數成反比。
（3）使用基於(yu) 計算的方式的單像素相機不需要二維光柵掃描。單像素相機已經国产成人在线观看免费网站於(yu) 可見光成像、多光譜成像、高光譜成像、紅外成像、太赫茲(zi) 成像、氣體(ti) 成像、實時視頻、後處理視頻、顯微鏡、三維成像、偏振測量(polarimetry)、多模成像、經散射介質成像、X射線衍射層析、光聲成像、全息、相位成像、核磁共振成像、眼科成像、血細胞計數、超快成像、長距成像等。
英國格拉斯哥大學的Matthew P. Edgar, Graham M. Gibson & Miles J. Padgett等人撰寫(xie) 綜述文章，介紹了單像素成像的原理和国产成人在线观看免费网站前景。
單像素相機是如何工作的
（1）相機架構
單像素相機有兩(liang) 個(ge) 主要部件：空間光調製器(spatial light modulator, SLM)和單像素探測器。SLM有兩(liang) 種，一種是DMD，另一種是LCD。雖然LCD具有可調製相位和振幅的能力，但是因為(wei) DMD具有出眾(zhong) 的調製速率（超過20kHz），因此，在計算成像係統中常用的是DMD。文章所討論的LCD均指DMD。
本質上，DMD是一個(ge) 可編程的二進製傳(chuan) 輸掩碼(transmission mask)。如圖1所示為(wei) 計算成像的兩(liang) 種結構。圖1(a)為(wei) 物體(ti) 經成像透鏡成像在DMD上，DMD編程顯示一係列的二進製圖案，將物體(ti) 的像調製後投射到單像素探測器上。圖1(b)為(wei) DMD投射一係列的二進製圖案到物體(ti) 上，調製物波前，zui終被單像素探測記錄下一係列的光強信號。DMD的調製速率是單像素相機采集時間的瓶頸，因此，壓縮感知的方法被用於(yu) 避開這個(ge) 限製。
（2）理解壓縮感知
對於(yu) 壓縮感知在單像素成像中的国产成人在线观看免费网站，即使我們(men) 知道圖像可以用稀疏基描述，但是自適應感知策略並不一定起作用。2006 年，Candes和Tao證明了當壓縮測量策略是偽(wei) 隨機的，並且與(yu) 稀疏基完全無關(guan) 時，使用適當的計算策略可以從(cong) 壓縮測量中以非常高的概率恢複正確的解。例如，圖像在小波基上可能是稀疏的，因此在通過国产成人在线观看免费网站亞(ya) 奈奎斯特數量的偽(wei) 隨機模式獲得強度測量值後，一種方法是采用所謂的“匹配追蹤(matching pursuit)”算法來找到與(yu) 這些偽(wei) 隨機測量非常相關(guan) 的小波。該小波特征從(cong) 數據中移除，並且重複該過程直到解被小波基的子集完全表示。或者，可以采用所謂的“基追蹤(basis pursuit)”算法來找到滿足偽(wei) 隨機測量的稀疏小波組合。重要的是，這種類型的問題（ℓ1 zui小化）可以通過凸優(you) 化方法計算，這比傳(chuan) 統的zui小二乘法更有效。盡管如此，計算量仍然不可忽視，因此需要其它的z小化策略以加快重建時間。
（3）采集和圖像重建策略
單像素成像的概念zui先由斯坦福大學的Sen等人於(yu) 2005年證實，結合壓縮感知的方法，使得在測量數低於(yu) 圖像的總像素數時，可以將圖像恢複。使用什麽(me) 策略來精確的壓縮感知圖像的特征（即如何采集），以及用什麽(me) 算法來重建圖像，是單像素成像的研究重點之一。
a、使用與(yu) 圖像的空間特性不相幹(incoherent)的基(例如隨機模式)采樣，每次測量提供有關(guan) 每個(ge) 像素的少量信息，然後使用大計算量的優(you) 化算法推測圖像。優(you) 化算法可以基於(yu) z小化圖像強度模量的 ℓ1-範數、離散餘(yu) 弦變換、空間梯度（total variation, TV）或圖像曲率 。然而，在已經利用了壓縮感知的前提下，重建時間仍大大超過采集時間的情況並不少見。因此，在要求實時性的單像素相機国产成人在线观看免费网站中不采用這種策略。盡管如此，對於(yu) 不需要實時處理的国产成人在线观看免费网站，這種策略通常會(hui) 從(cong) 顯著壓縮的數據中產(chan) 生的圖像質量和高幀速率視頻。
b、使用不一定與(yu) 圖像的空間特性不相幹的基進行采樣，圖像重建使用計算速度快的算法。基可選的有Hadamard、傅裏葉、小波等。例如，這可以是簡單地將采樣模式求和，根據它們(men) 測量的強度進行加權（即，與(yu) 物相似的模式比相似性較低的模式的權重更大），或者通過快速算法實現重建 。通常，壓縮感知采樣的基適合需要低到中等圖像分辨率以及更快甚至實時圖像重建的国产成人在线观看免费网站。如果模式彼此正交，則對未知圖像強度進行完全采樣所需的模式數量等於(yu) 所需圖像中的像素總數 N。然而，在任何一個(ge) 基中，挑戰在於(yu) 選擇恰當的基的子集來采樣。
c、使用優(you) 化的方法可以改善重建圖像質量。當測量數等於(yu) 像素數時，優(you) 化展現的是降噪的效果，當測量數小於(yu) 像素數時，優(you) 化仍然有效。如圖2，展示了在不同測量數下，優(you) 化與(yu) 不優(you) 化的重建效果。
d、在使用二進製采樣基時可以采取一定的方式消除或減少測量中的噪聲源。如使用Hadamard基時，它是一組取值為(wei) 1 （微鏡反射的光狀態為(wei) 1，on state）的正交二元函數，這通常需要準確測量平均信號 S 或使用第二個(ge) 像素來測量 –1 (微鏡反射的光狀態為(wei) 0，off state）。或者，隻使用一個(ge) 像素，這可以通過先在某一圖案時記錄下強度信號，然後顯示圖案的負片再記錄下強度的信號來實現，其中該圖案的加權信號是兩(liang) 次測量強度之間的差，即外差檢測的一種形式。e、單像素相機係統要求光源強度穩定，探測器增益穩定，方可獲得高質量的重建圖像。因為(wei) 在單像素係統中，雖然整體(ti) 光照水平較高，但圖像信息對應於(yu) 信號中關(guan) 於(yu) 平均值的細微變化。
f、單像素探測器需要響應速度快，麵積足夠大，足夠穩定和靈敏。如果要保證係統的光學效率，由 DMD 的孔徑和成像的數值孔徑的乘積給出的成像係統的基礎擴展量（underpinning étendue）必須與(yu) 單像素探測器的擴展量匹配，這意味著探測器孔徑為(wei) 幾毫米。像素檢測器必須足夠快以測量圖案掩模變化時的信號，足夠大以收集透射光，並且足夠穩定和靈敏以測量透射強度的細微變化。
單像素成像的国产成人在线观看免费网站和未來潛能
（1）單像素相機適用於(yu) 沒有可用的二維陣列探測器，或者二維陣列探測器非常昂貴的場景。如，對甲烷氣體(ti) 的探測。甲烷氣體(ti) 的吸收峰在1.65um，此波段的相機價(jia) 位不菲。圖4為(wei) 可見光相機和單像素甲烷實時成像雙模態融合圖像，用於(yu) 測量甲烷泄露情況。
原則上，DMD可以從(cong) 紫外到大部分的紅外線施加掩模(mask)。即單像素相機可以在此範圍使用。但是通過使用半導體(ti) 和其它光調製技術，單像素相機已經可以在太赫茲(zi) 頻率使用。事實上，任何能夠提供時空輻射分布(spatiotemporal radiation distributions)的器件(如專(zhuan) 門設計的THz-SLM81、基於(yu) 超材料的調製器等)都可以使用計算成像策略。
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