动态模糊校正方法将在黑暗环境下高质量的成像

东京理工大学（Tokyo University of Science）的研究人员引进了一种解决单光子成像限制的技术：运动。由Takayuki Hamamoto教授领导的一个研究小组开发了一种算法，能够解决图像物体运动引起的模糊，以及整个图像常见的模糊，例如晃动相机引起的模糊。使用 CMOS 相机拍照时（如智能手机中的相机），可以通过缩短曝光时间对移动物体进行成像。用单光子相机拍摄的图像（单光子成像）是由一系列非常短的单个曝光构建而成的，这些曝光可以捕获连续帧。帧是二进制的，即一和零的网格，表示在曝光期间光子是否到达每个像素。然而，单光子成像的速度比CMOS相机要高得多。由于其完全数字化的性质，单光子成像允许巧妙的重建算法，这样可以弥补技术限制或困难的场景下的成像。

东京大学的研究人员开发了一种使包含多个动态移动物体的单光子图像清晰化的方法。据研究小组称，用普通数码相机拍摄像这样的图像，某天大家将会从这种处理方法中获益。Pixabay供图。

该团队的方法解决了现有单光子成像去模糊技术的许多局限性，当图像场景中存在多个移动物体并以不同速度移动和/或相互重叠时，这些技术会生成低质量的图像。该方法不是根据单个物体的估计运动或考虑物体移动的空间区域来调整整个图像，而是使用更具动态的策略。动态估计算法通过统计评估位值如何随着时间变化（在不同的位平面上）跟踪单个像素的运动。实验表明通过这种方式，研究人员可以准确估计单个物体的运动。Hamamoto 说："我们的测试表明，提出的的动态估计技术产生的误差小于一像素，即使在极少数入射光子的黑暗条件下也是如此。

从初始算法获取信息后，第二个去模糊算法将具有类似运动的像素组合在一起，识别每个位平面中以不同速度移动的单独物体。因此，图像的每个区域都可以根据通过图像物体的运动进行单个去模糊。模拟显示即使在低光动态场景中包含多个物体以不同速度移动的情况下也可以得到清晰和高质量图像。结果表明，图像处理技术在提高单光子成像质量方面具有实用性。

Hamamoto 说："在光子有限的情况下获取清晰图像的方法在医学、安全和科学等领域都有需求。"我们的方法有望在黑暗环境中的高质量成像和超慢记录带来新的技术，这些将远远超过当今最快的摄像机的摄像能力。"Hamamoto指出，即使是消费级相机也可以获益于单光子成像处理这个过程。这项研究发表在《IEEE Access》上(www.doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3059293).