专利名称：基于编码孔径透镜阵列的压缩成像系统的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种基于编码孔径透镜阵列的压缩成像系统设计方法，可用于不同谱段的高分辨率成像系统属于光学成像领域。
背景技术：
随着人们对图像信息需求量的不断增加，携带图像信息的信号带宽越来越宽。以Nyquist采样定理为基础的图像信号处理框架就必然要求成像系统的采样速率和处理速度与日剧增。更高分辨率、更密集采样、海量图像信号的获取和传输使得传统成像系统无论 是硬件和算法方面都面临着巨大的挑战。为应对该问题，在实际应用过程中，人们常将DSP加入传感器，用压缩机制降低数据存储、处理和传输的成本。但是从另一方面却造成系统需要进行繁琐的图像域变换、系数排序以及编解码工作，额外增加了传感器的复杂度和成本。然而令人感到遗憾的是，高速采样的结果换来的却是，超过80%的非重要数据被抛弃。这种传统的“高速采样”再“压缩”的成像模式浪费了大量的采样资源。若能够实现对图像信息的同步压缩采样，在减少数据量的同时能够携带原始图像的完整信息，可避免传统成像方式先采样后压缩的复杂数据处理和传输过程。从而极大程度地降低图像信号的采样频率以及数据存储和传输代价，显著地降低成像系统的硬件成本。压缩成像技术是在压缩感知理论的基础上迅速发展起来的崭新科学研究方向。2006年，美国著名科学家Cand6s和Donoho在相关研究基础上正式提出了压缩感知理论。该理论突破了 Nyquist采样定理瓶颈，认为对信号的采样量不取决于信号的带宽，而取决于信号的内部结构。如果信号是稀疏的或者在某个变换域内是稀疏的，那么就可以用一个与变换基不相关并且满足约束等距性的测量矩阵将高维信号投影至低维空间。通过求解最小O-范数优化问题从少量的投影测量中以高概率重构出原始信号。目前针对压缩成像技术进行研究的主要单位有美国的Rice大学,Arizona大学、MIT、Duke大学以及瑞士联邦理工学院等。2006年美国的Rice大学成功研制出单像素数码相机。其设计原理是通过光路系统将成像目标投影至数字微镜器件上进行空间光调制，其反射光由透镜聚焦到单个光敏二极管，光敏二极管两端的电压值即为一个测量值。将此投影操作重复多次，即可获得多个观测值。采用最小全变分图像重构算法恢复出原始目标图像。WL Chan等人提出基于单像素相机概念的太赫兹成像新方法，克服了现有太赫兹成像系统的缺点，能够提供较高的处理速度和较强的探测能力。Arizona大学的Baheti和Neifeld等人对Rice大学开发的单像素相机进行了光路结构的改进，使其光学结构更加紧凑，光能利用率更加高效。特拉华大学的研究人员将单像素成像的思想应用于电子显微镜系统。然而，单像素压缩成像系统是以串行的工作方式输出压缩采样的图像信号。其采用的是数字微镜器件对成像目标进行空间光调制，需采样投影多次，才能获得重构出原始图像所需的测量值，因此系统较为耗时。对于运动场景或视频图像的压缩成像具有一定的局限性。MIT的freeman研究小组提出采用随机反射镜的压缩成像方式。与传统成像方式显著不同之处在于，系统由平面反射镜、随意拼接的反射镜片组和探测器构成。由于来自物体上每一点的光线都有可能经由随机反光镜片在探测器上成像，因此任意拼接的反光镜片实际上是实现了随机投影矩阵的功能。但是系统采用随意拼接的镜片实现对目标图像的随机测量，因此存在投影矩阵标定难的问题。Duke大学的研究小组提出采用编码孔径以并行的方式实现目标物体的压缩成像。但是，由于该工作才初步展开，就孔径的编码模式，孔径的尺寸大小以及编码孔径模板与压缩图像的恢复精度之间的关系均未进行深入的研究。此外，该压缩成像系统的投影矩阵标定工作量巨大。大场景图像的压缩成像成为该系统的技术难点。
发明内容
本发明旨在克服现有压缩成像系统成像时间过长，投影矩阵标定工作量大的问题。基于编码孔径透镜阵列的压缩成像系统采用视场光阑阵列实现对大场景的分块处理，将整个光学系统分为若干具有相同形式与功能的子光学系统，编码孔径模板阵列对场景目标进行空间光调制，利用子孔径拼接透镜阵列实现大视场的光学系统成像，并采用编码采样模板阵列对系统产生的会聚光线进行随机采样，实现单次曝光的压缩成像。系统易于加·工和检测，可实现大视场、低分辨率探测器的高分辨率成像，可应用于不同谱段的高分辨率光学成像。本发明的详细内容如图I所示，由视场光阑阵列1，编码孔径模板阵列2，子孔径拼接透镜阵列3，编码采样模板阵列4和探测器像面阵列5构成。视场光阑阵列I位于场景与编码孔径模板阵列2之间，编码孔径模板阵列2中的所有子模板都是采用特殊编码方式的编码孔径光阑，子孔径拼接透镜阵列3是nXn个子孔径拼接的正光焦度子透镜，η为正实数，其子孔径拼接透镜阵列的结构如图2所示，编码采样模板阵列4中所有子模板的编码方式都为高斯随机编码方式，编码采样模板阵列4位于焦平面探测器阵列像面5的前端。本发明的工作原理为了使大视场范围内的场景目标物体能够在探测器像面阵列5上压缩成像，系统采用编码孔径透镜阵列的成像方式。设目标场景到子孔径拼接阵列的距离为d，视场光阑阵列I的作用是完成对大场景的均等分块，其位于场景与编码孔径模板阵列之间，设其到子孔径拼接透镜阵列的距离为t，编码孔径模板阵列2用于对场景目标进行空间光调制，将其紧贴子孔径拼接阵列中的透镜球面放置，场景目标经过编码孔径模板阵列2的空间光调制后照射到子孔径拼接的透镜阵列3上产生会聚的像，经过紧贴于探测器表面的编码采样模板阵列4的随机采样，最终在探测器像面阵列5上成像。其中，该光学系统是由若干具有相同形式与功能的子光学系统拼接构成，而每个子光学系统的光学结构的具体参数的确定可由几何光学知识得到，按如下步骤可进行计算推导设h为子视场光阑半宽，hi为子透镜的通光口径半宽，hm为每一个分块区域的垂直半宽，L为视场光阑阵列中子视场光阑的间距，Λ为子孔径拼接透镜阵列中子透镜的间距，t为视场光阑阵列到子孔径拼接阵列的距离，d为场景到子孔径拼接阵列的距离，S为场景到视场光阑阵列的距离。首先确定视场光阑阵列中每一个视场光阑的半宽h，子孔径拼接透镜阵列中每一个子透镜的通光口径半宽Ii1及分块场景半宽hm之间的关系。由图4所示，可根据几何知识得到如下式子
Δ MNG相似于Λ CDG可得
权利要求
1.基本编码孔径透镜阵列的压缩成像系统设计方法，其特征在于采用视场光阑阵列来限制入射光线从而实现对大场景的分块处理，具有特殊编码形式的编码孔径模板阵列对来自场景的目标光线进行空间光调制，调制后的光线进入子孔径拼接透镜阵列产生会聚，会聚光线再经位于焦平面前端的编码采样模板阵列进行空间光线采样，最终在探测器像面阵列上压缩成像。
2.根据权利要求I所述的一种基于编码孔径透镜阵列的压缩成像系统设计方法，其特征还在于，采用视场光阑阵列对场景进行分块处理，从而将整个光学系统分成若干具有相同形式的子光学系统，进而实现大场景的拼接成像。
3.根据权利要求I所述的一种基于编码孔径透镜阵列的压缩成像系统设计方法，其特征还在于，编码孔径模板阵列所包含的所有编码孔径模板的特殊编码形式都采用循环编码或托普利兹编码。
4.根据权利要求I所述的一种基于编码孔径透镜阵列的压缩成像系统设计方法，其特征还在于，子孔径拼接透镜阵列为nXn个具有正光焦度的子透镜，η为正实数，其中子孔径拼接透镜阵列中的子透镜都具有相同的规格，且每个子透镜的通光口径半宽Ii1，分块场景 h V + h/J半宽hm、视场光阑阵列中每个视场光阑的半宽h大小满足关系式:hm =^—t^，其中，t为视场光阑阵列到子孔径拼接阵列的距离，d为场景到子孔径拼接阵列的距离，s为场景到视场光阑阵列的距离。
5.根据权利要求I所述的一种基于编码孔径透镜阵列的压缩成像系统设计方法，其特征还在于，位于焦平面前端的编码采样模板阵列中所包含的所有编码采样模板都采用随机高斯编码形式。
全文摘要
本发明为一种基于编码孔径透镜阵列的压缩成像系统设计方法。该发明包括视场光阑阵列、编码孔径模板阵列、子孔径拼接透镜阵列、编码采样模板阵列以及探测器像面阵列。视场光阑阵列实现对大场景的分块处理，编码孔径模板阵列对来自场景目标的光线进行空间光调制，调制后的光线经过子孔径拼接透镜阵列产生光线会聚，会聚光线再经位于焦平面前端的编码采样模板阵列进行空间光线采样，最终在探测器像面阵列上压缩成像。基于编码孔径透镜阵列的压缩成像系统能够对目标场景同步进行压缩采样，可大幅降低图像信号的采样频率及数据存储和传输代价，采用子孔径透镜阵列对大场景分块成像可大幅降低测量矩阵所需要的存储空间，大幅减少光学系统标定的工作量。
文档编号H04N5/225GK102891956SQ20121035977
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者陈靖, 吴含笑 申请人:北京理工大学