Yan Cai, Shijian Li, Wei Zhang, Hao Wu, Xu-ri Yao, and Qing Zhao. A detail-enhanced sampling strategy in Hadamard single-pixel imaging[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(7): 071101.
单像素成像技术是基于压缩感知理论发展起来的一种新型成像技术，它能够在实现高质量图像重构的同时、降低成像系统的复杂性和成本，并具有宽谱带响应、高灵敏度、强鲁棒性等优势，在医学影像、无损检测、航天遥感等领域显示了应用潜力。在单像素成像结构光调制过程中，需要预先设计调制掩模，其中，具有确定性的Hadamard掩模由于其良好的二元性质和易于实验实现的优点受到了广泛关注。为了提高成像速度和质量，许多研究者都致力于对Hadamard掩模进行排序，从而在欠采样条件下获得可靠的重构图像。
以往常见的Hadamard掩模排序方法依赖于对每个掩模的特征进行分析，这是一个繁琐而低效的过程。并且，随着Hadamard掩模阶数的增加，掩模序列的计算复杂度也急剧攀升。直接在频谱上采样也是一种掩模排序方法，比起掩模特征分析更加省时，其采样路径通常是一些简单的特定的形状，例如圆形、方形和锯齿形。除此之外，通过比较以前的排序方法的谱域，发现现有的顺序可以通过从低频到高频的采样来近似，这样的采样路径可以在低采样率下重建更可靠的图像。
然而，高频成分的缺失可能导致无法区分的细节、模糊的边缘、和振铃效应。所以，利用直接频谱采样的方法来获得掩模排序可以降低序生成的复杂度并提高采样效率，而如何设计高效合理且增强细节的采样策略便成为了关键问题。
北京理工大学赵清教授及姚旭日副教授课题组展示了一种有效的Hadamard基采样策略，该方法的核心是获取高频和低频信息的Hadamard谱能量分布，并利用概率函数平衡两者的权重以增强图像细节,我们称之为基于XY序和概率函数（XY+PF）的细节增强Hadamard采样策略。相关成果发表在Chinese Optics Letters 2023年第21卷第7期。
图1 Hadamard掩模选择策略：(a)&(b)能量序和XY序的采样路径；(c)不同采样率的概率函数图；(d) XY+PF方法的Hadamard谱域采样图
XY序列表现出良好的性能和极短的生成时间，可在0.445 s内生成大小为256×256的Hadamard序列。然后，使用指数函数作为概率函数对XY序进行采样，以获得所需的Hadamard掩模。该方法避免了分析每个图案的复杂过程，实现了整体的图案选择，如图1所示。仿真和实验结果表明，该方法具有低复杂度和高生成速度的优点，并在可靠重建图像的基础上提高了重要细节和边缘结构的分辨率。
在未来工作中，这种排序方法可以应用于需要不断变换掩模尺寸的场景中或计算机硬件水平有限的情况，可以在极短的时间内完成Hadamard序列的生成，提高成像效率。除此之外，研究Hadamard谱能量分布的特性对自适应选择重构图像中高频或低频信息的比例具有潜在的应用价值，为继续研究Hadamard掩模排序方法的改进和优化提供一种可行路径。
主要作者照片：（左起）赵清、姚旭日、蔡妍、李世剑
赵清，北京理工大学物理学院教授，博士生导师。2001年在香港中文大学获得博士学位。2001至2003年在美国University of California任博士后。从事压缩感知成像、生物蛋白量子效应、固态自旋体系与室温微波激射交叉技术等方面的研究，发表JACS、Sci. Adv.等学术论文120余篇。
姚旭日，北京理工大学物理学院预聘副教授，博士生导师。2015年在中国科学院大学获得博士学位，2015至2021年在中国科学院国家空间科学中心先后任助理研究员、副研究员，2021年起在北京理工大学工作。长期从事计算成像、光子计数成像和压缩感知成像等方向的研究。
编辑 | 木拉提·满苏尔
