主动式可见光单像素成像系统通过系统中的主动光源发出可见光，对目标场景进行照明。然后，空间光调制器会对这束可见光进行调制，产生一系列特定的光场模式（如不同方向的条纹、特定的图案等）。经过调制的光照射到目标场景上，目标场景会反射或透射这些光。此时，仅有一个单像素的光电探测器来接收这些经过目标场景作用后的光信号。
在不同的光场模式照射下，单像素探测器会收集到相应的一系列光强信息。最后，通过特定的算法，如压缩感知算法等，对这些不同模式下收集到的光强数据进行处理和计算，从而重构出目标场景的二维图像。
系统主要由一个投影模组、一个透镜（焦距为f）和一台单像素探测器组成，其中，投影模组由光源、分束镜（BS）、数字微镜阵列（DMD）和镜头组成。主动单像素成像系统设计方案如图1所示。
1、标定投影模组和目标间的相对距离，将编码清晰投影至待测目标。
2、计算投影图像宽度（x1）和单像素探测器探测面宽度（x2）之比。
3、安装透镜及单像素探测器，设编码透镜至透镜距离为L1，透镜至探测器距离为L2，L1和L2满足单透镜成像公式：
，同时应满足
，编码投影中心，透镜中心和单像素探测器中心应共线。其中，单像素探测器通过采集卡将探测结果传输至计算机。
4、系统通过多次编码和单像素采集的方式实现对单个目标的单像素成像，编码数量和采集次数约为编码像素数的10%。软件算法通过对单像素探测器采集的光强序列依编码图像解码获取目标图像。整个过程主要涉及以下算法和技术：GAP-TV算法、投影标定、照明光随机编码等。
单像素成像将二维空间场景编码后压缩至探测器采集整体强度值，编码通过投影模组提供的主动照明光实现，这一投影过程可描述为二维场景和编码的哈达玛乘积。理想情况下，投影模组对二维场景的主动照明编码可使用如下数学过程表示：
对照明光的编码过程被集成在投影模组中，投影模组由平行光源、TIR棱镜和数字微镜阵列（DMD）组成。平行光经TIR棱镜照射至DMD，入射角度与DMD表面的垂直方向呈24度，编码图像加载于DMD，编码中的通光部分垂直于DMD表面反射，经镜头成像至二维场景，遮光部分经TIR棱镜离开光路。
广义交替投影(Generalized Alternating Projection)算法是一种通用的重建算法，GAP利用了两个凸集上的欧几里得投影，分别增强了数据的保真度和结构的稀疏性，它不需要目标场景的先验知识，能够有效地缩放延迟图像的大小和压缩比例。此外，随着算法的进行，GAP算法产生的结果单调地收敛于真值。在广泛的实验中普遍观察到单调性，并在正向模型的一组充分条件下建立了理论性。重建的子帧在连续迭代中不断改进，用户可以随时停止计算以获得中间结果，且用户可以通过恢复计算来继续改进重建。图2说明了GAP算法的基本原理。
下面是 GAP 算法的主要步骤：
- 线性流形
数据保真度通过投影到
保证，这是由所有合格的高速帧组成的线性流形，可以按照正向模型
集成到观测的快照g中。
换句话说，
是一个未确定的线性方程组的解集，它可以通过利用变换域中f的结构稀疏性来消除歧义。
- 加权值
设
，
，
分别是沿两个空间坐标和时间坐标的正交变换矩阵。帧f在
中表示为：
将变换系数划
分为m个不相交子集
，
，每组
的权重为正数
，其中
是系数指数的划分。当
是离散余弦变换时，选择权重
来强调低频系数（不强调高频系数）；或者当是小波变换时，强调粗尺度系数（不强调细尺度系数）。
一个大小为C的加权值
被定义为
，其中：
是标准的
范数，
是w的一个子向量，其元素
用中的指数表示。因为结构稀疏性不是体素而是系数所需要的，所以是在变换系数空间中构造的加权值
。由于正交变换
，在体素空间中旋转。
- 欧几里得投影
任何
在
上的欧几里得投影由下式定义：
任何
在
上的欧几里得投影由下式可得：
其中是标准的欧几里得范数。仅对C取下文考虑的特殊值时的
感兴趣。
- C发生系统变化下Π和
之间的交替投影
GAP 算法是一个线性流形和一个加权之间的欧几里得投影序列，它在规模上发生了系统的变化。让Π上的投影用
表示，在
上的投影用
表示。
GAP算法从 
(对应的
)开始，在以下两个步骤之间迭代，直到
在t中收敛。
在线性流形
上的投影：
，
在加权的投影：
，
其中，
表示
，是按下式组式给出的：
是
如下形式的排列：
适用于任何 
维度 ，不难验证用于推导
解的加权尺寸
由下式表示，取决于对的最新预测：
GAP-TV用TV正则化项代替加权范数的约束项，在简化GAP的同时，实现了GAP的近似性能。TV主要是对于目标内部进行平滑，而在目标边缘进行非平滑的功能，使得重建图像更加平滑并消除伪影。然而，TV正则化仅在模拟对比中对一种视频图像进行验证，仅在固定压缩比下进行评估。对于不同稀疏度和运动的视频压缩感知，还需要大量的实验来进一步证明。此外，仅对二维图像进行TV正则化，可能会导致重建图像的信息丢失或过平滑。
可视化软件操作界面，软件上集成数据采集卡及DLP模组驱动控制，可通过GUI界面进行编码图像加载及投影、硬件触发数据采集卡采集光场强度值并存盘，利用matlab通过压缩感知算法进行重建。
| 名称 | 规格型号 | 单位 | 数量 |
| 6500光机 | 含空间光调制器F9120 DDR 0.65 1080P、底座、光机结构 | 套 | 1 |
| 6500光机配件 | 含固定底板装配、散热结构 | 套 | 1 |
| 探测器 | 可调增益，320～1100ｎｍ，带宽11ＭＨｚ，75.4ｍｍ² | 个 | 1 |
| 采集卡 | 500Ksps 16位16 RSE / NRSE通道或8通道DIFF模拟量输入 | 套 | 1 |
| 双凸透镜 | 焦距50mm，未镀膜 | 个 | 1 |
| 套筒 | 长度50mm，带外开槽 | 个 | 1 |
| 支架 | 含底板、接杆、杆架、叉块、橡胶底座、M6螺钉（若干） | 套 | 1 |
| 工具 | 面包板把手 | 套 | 1 |
硬件相关优点：
1、成本相对较低：相比传统高分辨率的面阵探测器成像系统（尤其是在一些高端探测器上），单像素探测器结合空间光调制器等部件的成本在某些情况下有优势。
2、结构灵活性：系统结构可以设计得相对简单、紧凑和灵活，更易于在一些特殊结构需求和空间受限的场景下布置和应用。
3、对探测器的要求相对宽松：无需依赖昂贵且复杂的高分辨率二维像素阵列探测器，在选择探测器时可以有更多样化的选择。
成像性能和功能相关优点：
1、抗干扰能力：对于电磁干扰等，由于只涉及单像素探测器和简单的光路等，不容易受到多种电磁环境的干扰。在一些恶劣环境下，比传统成像系统中复杂的探测器阵列更能保持稳定工作。
2、可定制性强：可以通过改变空间光调制器的模式以及主动光源的特性（如强度、频率、调制方式等）来灵活地适应不同的成像任务和场景。
3、光谱适应性：如果改变主动光源的可见光波段等，可以在不同可见光细分波段成像等。
4、隐私保护潜力：在某些情况下，如果只是获取场景的大致轮廓等信息（单像素成像可实现一定程度的重构图像），可以更好地保护隐私，避免高分辨率图像可能带来的信息过度暴露。
其他优点：
1、科研价值：为成像技术提供了一种新的思路和途径，有助于推动光学、算法、材料等领域的交叉研究和发展。
2、特殊场景应用：在一些无法使用传统二维阵列成像（如部分阵列探测器损坏等）但又需要成像的特殊紧急场景下，可作为一种应急成像手段。
