多通道多质心运动补偿单像素成像用于二维任意运动刚体目标

更少像素、更清晰的图像

成像技术通常依赖于包含数百万微小像素的大型复杂相机芯片。但也有另一种思路：仅使用一个光传感器，让巧妙的光学图案和计算来完成其余工作。本文展示了如何将单像素理念进一步推进，使其能够实时跟踪并清晰成像那些快速移动、旋转、甚至部分滑出视野的小目标。

为什么一个像素足够

在单像素成像中，场景通过一系列结构化图案被照明或滤波，而单个探测器仅测量每个图案下的总体亮度。通过对所有这些测量进行数学重建，可以恢复出完整图像。当高性能探测器阵列成本高昂或不可行（如太赫兹、X射线或单光子成像）时，这种方法很有吸引力。它也很适合“压缩”采样，从而所需测量远少于传统相机。然而有一个主要问题：在依次投射这些图案时，物体通常必须保持静止。如果物体移动，测量值就不再对应，会在最终图像中导致模糊和重影。

移动与旋转目标的挑战

早期应对单像素成像中运动的方法多集中在简单的直线运动。它们通常通过在序列中加入额外的“定位”图案来估计位置，或依赖预览图像或外部相机测量运动。这些技巧要么降低了有效帧率，要么假定运动可重复，或在对象同时发生平移和旋转时表现欠佳。旋转运动尤其棘手：即使角度估计有微小误差，也会在物体边缘导致大位移，抹去细节。现有方案在物体部分漂出视野时也常常失去跟踪，而这在实际追踪任务中很常见。

一种新的跟踪与冻结运动的方法

作者提出了MC3‑SPI（多通道多质心运动补偿单像素成像），这是一种能够在不牺牲时间分辨率的情况下跟踪并成像任意二维运动的刚体目标的方法，包括平移与旋转的任意组合。关键思路是编码少量特选的傅里叶图案，它们像覆盖视场的全局尺子。通过检查这些图案信号相位的移动，系统可以以约三分之一像素的精度定位物体的质心。由于光被分为红、绿、蓝三色通道，每种颜色各自产生一个质心；这三点共同在每个测量帧上定义了物体的位置和方向。掌握这些信息后，该方法再“倒放”电影：在将图案合成为图像之前，对图案本身施加相反的平移和旋转，作者称之为逆运动补偿变换。

用更少测量看到更多

通过模拟和实验，研究者表明傅里叶图案特别适合这种运动校正，因为即便在平移和旋转后它们仍几乎保持正交，从而在低采样率下保留重建质量。相比之下，另一类常用的哈达玛（Hadamard）图案在运动补偿后正交性下降更快，需要更多测量以达到类似图像质量。借助他们优化的傅里叶方案，团队成功地跟踪并重建了彩色目标，如字母“BIT”、卡通人物和玩具火箭，均在复杂的二维运动下移动。即便物体沿着视场边缘滑动，以致没有单帧能完整包含它，MC3‑SPI仍能通过利用三色通道冗余的质心信息恢复其真实轨迹，并随着时间累积出清晰的全彩图像。

从实验室演示走向快速实用系统

该方法的一个主要优势是速度。确定运动每帧只需六个定位图案，因此在标准数字微镜器件的最大调制速率下，系统理论上可每秒追踪数千次运动。基本重建步骤——对运动补偿后的图案求和——也极为迅速，比迭代优化算法快好几个数量级，同时在低至5%的采样率下仍能给出清晰结果。在需要更高图像质量且时间允许时，可以后续加入更复杂的算法。因为MC3‑SPI可与现成组件配合并接入标准单像素系统，它能与高光谱、三维或时间分辨方案结合，潜在地使得在显微、遥感等领域对快速、微弱或难以接近目标的详细成像成为可能。

对未来成像的意义

本质上，这项工作展示了如何将简单的单像素系统转变为灵活的、具备运动感知的相机，能够跟上敏捷的旋转物体并仍然输出清晰图像。通过聪明地选择照明图案、利用颜色通道在物体上定义多个参考点，以及在软件中补偿其运动，作者们消弭了单像素成像中长期存在的速度、分辨率与运动敏感性之间的矛盾。这为朝向紧凑、廉价且能实时“跟随”世界而非仅仅“冻结”世界的成像系统提供了可行路径。

引用: Shao, C., Cao, Y., Li, S. et al. Multichannel multicentroid motion-compensated single pixel imaging of a 2D arbitrarily moving rigid-body target. Commun Eng 5, 61 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00619-2

关键词: 单像素成像, 运动追踪, 计算成像, 傅里叶模式, 高速成像