本技术涉及免成像目标定位和单像素探测，特别涉及一种单像素免成像目标定位方法。
背景技术：
1、随着自动驾驶和雷达探测等技术的蓬勃发展，目标定位的实际应用需求逐渐趋于多元化，人们对成像系统的要求不单局限于分辨率的提高，还包括在更大的空间范围内观测到更全面更复杂的目标信息，以及对探测目标进行准确定位。尤其在复杂场景中需要对复杂场景下的目标进行实时处理，高精度低成本的目标定位技术显得尤为重要。目前已有的目标定位方法多是基于“先成像-后定位”的模式，先对目标进行图像重建再进行匹配与定位。然而，在面对复杂场景时，先成像后定位的模式容易导致目标受到环境干扰的影响，存在重建图像分辨率不足或者目标图像不清晰的情况时，定位精度将明显下降，并且预先成像的过程也将增加系统的计算时间和内存，而已有的“先成像-后定位”方法难以抵抗复杂干扰的影响，呈现出较差的鲁棒性。
2、近几年蓬勃发展的计算光学成像学将计算机、光学、传感器、图像和信号处理等技术结合，在成像机理上改变了传统相机“所得即所见”的模式。比如，区别于传统阵列探测器，采用基于单像素探测器的光场采集方法不做空间分辨测量，仅记录接收到的光强之和，利用测量值进行图像重建，因此图像重建算法就是制约成像质量的关键因素。已有的“先成像-后定位”的模式为提高定位准确率，先后提出了三维重建、压缩感知、深度学习等提高质量图像重构方法，恢复出高质量图像再进行目标定位。然而，“先成像-后定位”模式结合采用上述图像恢复、重建方法通常增加了系统复杂度，提高了运行时间。
3、申请内容
4、本技术是鉴于上述课题而进行的，其目的在于，提供一种单像素免成像目标定位方法，结合模板匹配和遗传算法原理，提出一种新的归一化匹配函数，该方法能够在大体知道待定位目标，但整个图像场景未知的情况进行目标定位，不需要进行图像重建，算法和系统复杂度均比较低，同时相较于传统模板匹配定位具有更快的运行速度。
5、具体如下，本技术的第一方面提供了一种单像素免成像目标定位方法，包括以下步骤：
6、s1：计算机将模板图案与纯白图案交替加载到数字微镜器件中同一位置，光源发射出的光束照射到数字微镜器件，并分别投影至物体图案；
7、数字微镜器件(digtial micromirror devices，dmd)，是一种电子输入、光学输出的微机电系统，由许多小型铝制反射镜面组成，每个镜面被称为一个像素，每个镜面能够绕每一个正方向小镜子的对角线偏转±12°，具备高分辨率、高对比度和快速的响应时间。
8、s2：投影至物体表面的光束经匹配、反射后被单像素探测器接收；
9、单像素探测器，用于接收光信号并计算单像素值。
10、s3：构建基于遗传算法和模板匹配的目标定位模型，计算模板和纯白图案所覆盖区域的单像素值，将两个单像素值相除并归一化作为改进模板匹配算法新的匹配函数，同时也作为遗传算法的适应度函数；
11、所述新的匹配函数的公式如下：
12、
13、其中r(x，y)：模板图像与目标图像在点(x,y)的相似度；
14、t(x′，y′)：模板的像素值；
15、模板的像素均值；目标图像的像素均值；
16、i(x+′，y+y′)：模板在目标区域对应区域的像素值；
17、∑x，yi(x，y)：目标图像对应位置像素值之和；
18、图像和模板的协方差；
19、遗传算法的适应度函数用来判断群体中的个体的优劣程度的指标，直接影响到遗传算法的性能。
20、s4：遗传算法对每次匹配得到的适应度值进行优化：重复选择、交叉和变异步骤，保留适应度值高的函数值，直到达到最大迭代次数或找到适应度值最高的解为止；
21、s5：通过匹配过程中得到的适应度值最高的解的对应坐标，显示出模板的位置，在目标图像中框选出于模板大小一致的范围，即可得到待定位的目标。
22、进一步地，所述计算机将模板图案与纯白图案交替加载到数字微镜器件中同一位置，具体包括：
23、计算机设置大小为128*128像素的待投影的模板和纯白图案，纯白图案像素值均为1，纯白图案与目标图案中相同大小的区域做卷积的结果为目标图案中相同区域本身，因此实验中等效为该区域的像素值，然后将128*128像素大小的模板图案加载到数字微镜器件中即可。
24、进一步地，所述光源发射出的光束照射到数字微镜器件，并分别投影至物体图案，具体包括：光源发出结构光，照射数字微镜器件表面，经反射与透镜汇聚后完整照射到目标物体表面。
25、进一步地，所述投影至物体表面的光束经匹配、反射后被单像素探测器接收，具体包括：在数字微镜器件和单像素探测器之间放置透镜，利用透镜汇聚的功能，调整数字微镜器件、透镜和单像素探测器的距离，使得目标图像表面反射的光束经透镜汇聚后能够被单像素探测器完整接收。
26、进一步地，所述透镜的作用为保证光场与目标图案大小相同及保证探测器能够完全接收光信号。
27、进一步地，所述构建基于遗传算法和模板匹配的目标定位模型，计算模板和纯白图案所覆盖区域的单像素值，将两个单像素值相除并归一化作为改进模板匹配算法新的匹配函数，同时也作为遗传算法的适应度函数，包括以下步骤：
28、s11：首先确定模板大小128*128像素，目标图像大小为400*400像素，实验中为便于接收光强，将模板嵌入到400*400的像素矩阵中，模板对应像素点设为1，其余为0；滑动模板，计算模板与目标图像对应区域的相似度；
29、s12：遗传算法定义一个适应度函数来评估每个个体的优劣根据每次模板匹配得到的匹配值衡量模板和待定位目标的匹配程度，进行全局优化，减少逐行扫描匹配的次数，提高运行时间从而更快的找到适应度值最高的位置；
30、s13：首先将模板图案与目标图案进行匹配，即对应区域做卷积运算并求和，然后计算对应区域的之和，将两个单像素值相除，并进行归一化，作为遗传算法改进后的适应度函数。
31、进一步地，所述模板图案与目标图案进行匹配，模板图案与目标图案表面重合区域的单像素值的计算过程包括以下步骤：
32、s21：模板图案大小为128*128像素，嵌入到与目标图像大小相等的400*400像素矩阵中，模板对应像素点设为1，其余为0，作为卷积核；
33、s22：模板的与目标图像对应区域做卷积计算，即对应像素值相乘后相加得到的光强值经反射后被单像素探测器接收，为单像素值。
34、进一步地，所述遗传算法的优化过程包括以下步骤：
35、s31：将每次匹配的位置作为个体，定义种群数量和个体的编码长度，采用二进制编码方式，生成一个行数等于种群数量，列数等于编码长度的矩阵，其中元素是随机生成的0和1，表示个体的二进制编码；
36、s32：进行选择运算，选择适应度函数值较大的个体，并复制下一代；
37、s33：进行交叉运算，将两个个体编码串以一定的交叉概率pc互换部分基因，产生两个新的个体；
38、s34：进行变异运算，变异概率pm将个体编码串中的某些基因值用其它基因值来替换，从而形成一个新的个体，保持多样性；
39、s35：重复s32-s34，达到迭代次数或者适应度值最大时停止。
40、进一步地，所述对结果归一化，得到的匹配结果范围在[-1，1]之间，1表示完全匹配，-1表示完全不匹配。
41、进一步地，所述通过匹配过程中得到的适应度值最高的解的对应坐标，显示出模板的位置，包括以下步骤：
42、s41：优化过程中模板每匹配一次，记录模板在400*400像素矩阵中的位置，直至找到目标位置时停止优化和匹配；
43、s42：找到目标位置时，得到最优的适应度值，同时得到模板在400*400像素矩阵中最终的位置；
44、s43：最优适应度值对应着左上角处像素坐标，以该坐标为起点，绘制128*128像素大小的矩形框，所框选区域即为待定位目标。
45、第二方面，本技术还提供了一种计算装置，该计算装置具有实现上述第一方面所描述的方法的功能，有益效果可以参见第一方面的描述，此处不再赘述。功能可以通过硬件实现，也可以通过硬件执行相应的软件实现。硬件或软件包括一个或多个与上述功能相对应的模块。在一个可能的设计中，装置的结构中包括获取模块、训练模块，可选的，还可包括构建模块。这些模块可以实现上述第一方面方法示例中训练节点的功能，具体参见方法示例中的详细描述，此处不做赘述。
46、第三方面，本技术还提供了一种计算设备，该计算设备用于实现上述第一方面描述的方法的功能，有益效果可以参见第一方面的描述此处不再赘述。该计算设备的结构中包括处理器和存储器，存储器用于存储指令和/或数据。存储器与处理器耦合，处理器执行所述存储器中存储的程序指令时，可以实现上述第一方面示例中训练节点的功能。计算设备的结构中还包括通信接口，用于与其他设备进行通信。
47、第四方面，本技术还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述第一方面以及第一方面的各个可能的设计中的方法。
48、第五方面，本技术还提供一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述第一方面以及第一方面的各个可能的设计中的方法。
49、第六方面，本技术还提供一种计算芯片，芯片与存储器相连，芯片用于读取并执行存储器中存储的软件程序，执行上述第一方面以及第一方面的各个可能的实现方式中的方法。
技术实现思路
1.一种单像素免成像目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种单像素免成像目标定位方法，其特征在于，所述计算机将模板图案与纯白图案交替加载到数字微镜器件中同一位置，具体包括：
3.根据权利要求1所述的一种单像素免成像目标定位方法，其特征在于，所述光源发射出的光束照射到数字微镜器件，并分别投影至物体图案，具体包括：光源发出结构光，照射数字微镜器件表面，经反射与透镜汇聚后完整照射到目标物体表面。
4.根据权利要求1所述的一种单像素免成像目标定位方法，其特征在于，所述投影至物体表面的光束经匹配、反射后被单像素探测器接收，具体包括：在数字微镜器件和单像素探测器之间放置透镜，利用透镜汇聚的功能，调整数字微镜器件、透镜和单像素探测器的距离，使得目标图像表面反射的光束经透镜汇聚后能够被单像素探测器完整接收。
5.根据权利要求4所述的一种单像素免成像目标定位方法，其特征在于，所述透镜的作用为保证光场与目标图案大小相同及保证探测器能够完全接收光信号。
6.根据权利要求1所述的一种单像素免成像目标定位方法，其特征在于，所述构建基于遗传算法和模板匹配的目标定位模型，计算模板和纯白图案所覆盖区域的单像素值，将两个单像素值相除并归一化作为改进模板匹配算法新的匹配函数，同时也作为遗传算法的适应度函数，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种单像素免成像目标定位方法，其特征在于，所述模板图案与目标图案进行匹配，模板图案与目标图案表面重合区域的单像素值的计算过程包括以下步骤：
8.根据权利要求6所述的一种单像素免成像目标定位方法，其特征在于，所述遗传算法的优化过程包括以下步骤：
9.根据权利要求6所述的一种单像素免成像目标定位方法，其特征在于，所述对结果归一化，得到的匹配结果范围在[-1，1]之间，1表示完全匹配，-1表示完全不匹配。
10.根据权利要求1所述的一种单像素免成像目标定位方法，其特征在于，所述通过匹配过程中得到的适应度值最高的解的对应坐标，显示出模板的位置，包括以下步骤：
