专利名称：基于压缩感知的多光谱成像装置和方法
技术领域：
本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及基于压缩感知使用两个空间光调制器对图像纹理和光谱编码调制的多光谱成像装置和方法。
背景技术：
多光谱成像技术将成像技术与光谱技术结合在一起，是一种基于多个窄波段的技术，在遥感探测等方面具有重要的应用。需要经过横纵扫描获得目标的多光谱图像数据。常规的多光谱成像技术从原理上可以分成色散型和干涉型两类。其中，色散型光谱系统利用介质折射率随波长变化的性质，采用棱镜或者光栅作为分光元件。组件包括成像透镜，色散系统，光电传感器，需要加扫描方式成像。另一类是基于干涉效应的干涉多光 谱成像技术，也需要经过与色散型技术相类似的扫描成像，与色散型成像技术不同的是，每一个像素的光谱分布不是由色散形成，而是利用光的干涉现象得到干涉图，经傅里叶变换在频域内得到光谱图。这些技术的共同点是采用推扫一类的扫描技术，实现对图像的场景的多光谱分析。综上，现有的多光谱成像系统需要扫描或者使用线阵探测器来完成，需要先获取二维图像，再对图像进行光谱扫描来获取多光谱图像，测量时间较长，其分辨率受衍射极限限制。压缩感知理论是关于信号采样和数据处理的一门新兴的理论，它指出在一定的条件下，用远低于Nyquist采样定理要求的采样次数对信号进行采样时，也能很好的恢复出原始信号，它可以将图像的压缩采集和压缩过程合二为一。通过M次的测量可以还原N维的信号(M < N)。压缩感知理论的核心内容有两点目标信号的稀疏表达和测量的非相干
N
性。对于有长度为N的实数信号x(n)，可以进行稀疏变换=或者X= Ψ Θ。
i=l ,
Ψ为相应的稀疏基矩阵。压缩感知并不直接对信号X (η)进行测量，而是通过一个随机投影矩阵Φ进行测量y = Φχ0 Φ是一个MXN维的矩阵，每一行是一个基向量&，表示对信号X (η)进行一次线性的测量。M表示测量次数，并且满足M < N。由于X可以在Ψ域进行稀疏表示，所以上式也可以表示为y= Φχ= ΦΨΤΘ。求解此方程的问题可以表示为求最小
I范数的优化问题1^11 l^i，约束条件为y= ΦΧ= ΦΨΤΘ = Θ Θ。可用的算法有基追
踪算法，贪婪追踪算法，凸松弛法，组合算法，TV算法等。目前还没有将压缩感知理论应用于对光谱维编码调制的多光谱成像领域的文献报道。
发明内容
本发明提出了一种基于压缩感知的多光谱成像装置，无需扫描器件，仅仅需要两个空间光调制器实现对成像图像的纹理和光谱编码调制并配合单点探测器，即可实现无运动部件的多光谱成像，不需要对光谱进行扫描，采用单点探测器，突破衍射极限，成像过程测量时间短。一种基于压缩感知的多光谱成像装置，包括成像物镜、图像生成加载模块、第一空间光调制器、准直系统、色散元件、第一会聚透镜、第二空间光调制器、第二会聚透镜、单点探测器和数据存储计算模块；其中，所述成像物镜将目标景物成像到第一空间光调制器上；所述图像生成加载模块生成多次测量的二维随机调制图像和一维随机调制图像，并将二维随机调制图像传递给第一空间光调制器，将一维随机调制图像传递给第二空间光调制器；所述第一空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行纹理编码调制；所述准直系统将经第一空间光调制器纹理编码调制后的图像进行缩束、准直、滤·波得到平行光束；所述色散元件将经准直系统得到的平行光束色散成线光谱；所述第一会聚透镜将色散元件色散后得到的线光谱中各光谱成分会聚到第二空间光调制器上不同的位置，得到各光谱成分的光强；所述第二空间光调制器根据加载其上的一维随机调制图像对得到的各光谱成分的光强进行光谱维的编码调制，得到各光谱成分调制后的光强；所述第二会聚透镜将各光谱成分调制后的光强会聚后得到调制后的总光强；所述单点探测器探测第二会聚透镜汇聚得到总光强信息；所述数据存储计算模块收集单点探测器多次探测的总光强信息，并利用压缩感知完成多光谱成像，得到多光谱图像。所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器均可独立的采用透射型空间光调制器或反射型空间光调制器。即第一空间光调制器和所述第二空间光调制器可以是透射型的液晶器件，反射型的硅上液晶器件(LCOS)或者反射型的数字微镜器件(DMD)，也可以是编码调制盘等。所述色散元件可选择光栅、色散棱镜或F-P标准具等。当第一空间光调制器、第二空间光调制器均为反射型数字微镜器件(DMD)，由于反射型数字微镜器件(DMD)的反射角较小，为便于光路的布置，作为优选，可在第一空间光调制器、第二空间光调制器的入射面部位设置TIR棱镜。TIR棱镜的设置间接的增加了反射型数字微镜器件(DMD)的反射角，增加了光路布置的空间。所述图像生成加载模块和数据存储计算模块均可通过计算机实现。所述单点探测器可选用现有设备。所述准直系统包括光轴和焦点相互重合的透镜和透镜；设于透镜和透镜之间且中心轴与所述光轴相互平行或重合的针孔滤波器；所述的透镜和透镜之间的距离为两者焦距之和，且透镜和透镜的焦点位于所述针孔滤波器的针孔内。由于需要多次采样，为便于快速实现第一空间光调制器和第二空间光调制器上调制图像同步刷新，所述的数据存储计算模块内还设有同步模块，实现第一空间光调制器和第二空间光调制器上相应的调制图像同步刷新。所述图像生成加载模块内同时设有同步模块，实现单点探测器的同步探测。本发明还提供了一种基于压缩感知的多光谱成像方法，该方法包括以下步骤(I)将目标景物成像到第一空间光调制器上，第一空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行纹理编码调制；(2)将经第一空间光调制器纹理编码调制后的图像进行缩束、准直、滤波得到平行光束，将得到的平行光束色散成线光谱；(3)将得到的线光谱中各光谱成分汇聚到第二空间光调制器上不同的位置，得到各光谱成分的光强；第二空间光调制器根据加载其上的一维随机调制图像对得到的各光谱成分的光强进行光谱维的编码调制，得到各光谱成分调制后的光强；(4)将各光谱成分调制后的光强会聚后得到调制后的总光强，探测汇聚得到总光强信息，同时收集探测的总光强信息；重复步骤(1)-(3)对目标景物进行M次测量，收集每次探测的总光强信息，最后利用压缩感知完成多光谱成像，得到多光谱图像，其中M为小于一维随机调制图像总像素数和二维随机调制图像总像素数的乘积的自然数。步骤(4)中，所述的利用压缩感知完成多光谱成像的具体方法为(I)设定二维调制图像总像素数A = pXq, ρ为二维调制图像的横向分辨率，q为二维调制图像的纵向分辨率；一维调制图像总像素数B = IXr, r为一维调制图像分辨率，目标景物的测量次数为M，生成一个MXA维的矩阵O1和一个MXB维的矩阵Φ2，利用矩阵O1和矩阵Φ2生成M幅随机二维调制图像O1Q)和M幅随机一维调制图像Φ2(」)，其中i，j = 1,2,3,4. . .M ；
权利要求
1.一种基于压缩感知的多光谱成像装置，其特征在于，包括成像物镜(2)、第一空间光调制器(301)、准直系统(4)、色散元件(5)、第一会聚透镜(6)、第二空间光调制器(302)、第二会聚透镜(7)、单点探测器(8)、图像生成加载模块(10)和数据存储计算模块(9)； 所述图像生成加载模块(10)生成多次测量加载的二维随机调制图像和一维随机调制图像，并将二维随机调制图像传递给第一空间光调制器(301)，将一维随机调制图像传递给第二空间光调制器(302)； 所述成像物镜(2)将目标景物成像到第一空间光调制器(301)上； 所述第一空间光调制器(301)根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行纹理编码调制； 所述准直系统(4)将经第一空间光调制器(301)纹理编码调制后的图像进行缩束、准直、滤波得到平行光束； 所述色散元件(5)将经准直系统(4)得到的平行光束色散成线光谱； 所述第一会聚透镜(6)将色散元件(5)色散后得到的线光谱中各光谱成分会聚到第二空间光调制器(302)上不同的位置，得到各光谱成分的光强； 所述第二空间光调制器(302)根据加载其上的一维随机调制图像对得到的各光谱成分的光强进行光谱维的编码调制，得到各光谱成分调制后的光强； 所述第二会聚透镜(7)将各光谱成分调制后的光强会聚后得到调制后的总光强； 所述单点探测器(8)探测第二会聚透镜(7)会聚得到的总光强信息； 所述数据存储计算模块(9)收集单点探测器(8)多次探测的总光强信息，并利用压缩感知完成多光谱成像，得到多光谱图像。
2.根据权利要求I所述的基于压缩感知的多光谱成像装置，其特征在于，所述第一空间光调制器(301)为透射型空间光调制器或反射型空间光调制器。
3.根据权利要求I所述的基于压缩感知的多光谱成像装置，其特征在于，所述第二空间光调制器(302)为透射型空间光调制器或反射型空间光调制器。
4.根据权利要求I所述的基于压缩感知的多光谱成像装置，其特征在于，所述色散元件(5)为光栅、色散棱镜或F-P标准具。
5.根据权利要求I所述的基于压缩感知的多光谱成像装置，其特征在于，所述准直系统包括 光轴和焦点相互重合的透镜(401)和透镜(403)； 设于透镜(401)和透镜(403)之间且中心轴与所述光轴相互平行或重合的针孔滤波器(402)； 所述的透镜(401)和透镜(403)之间的距离为两者焦距之和，且透镜(401)和透镜(403)的焦点位于所述针孔滤波器(402)的针孔内。
6.根据权利要求I所述的基于压缩感知的多光谱成像装置，其特征在于，所述的数据存储计算模块(9)内还设有同步模块，实现第一空间光调制器(301)和第二空间光调制器(302)上相应的调制图像同步刷新。
7.根据权利要求6所述的基于压缩感知的多光谱成像装置，其特征在于，所述图像生成加载模块(10)内同时设有同步模块，实现单点探测器(8)的同步探测。
8.一种基于压缩感知的多光谱成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)将目标景物成像到第一空间光调制器上，第一空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行纹理编码调制； (2)将经第一空间光调制器纹理编码调制后的图像进行缩束、准直、滤波得到平行光束，将得到的平行光束色散成线光谱； (3)将得到的线光谱中各光谱成分会聚到第二空间光调制器上不同的位置，得到各光谱成分的光强；第二空间光调制器根据加载其上的一维随机调制图像对得到的各光谱成分的光强进行光谱维的编码调制，得到各光谱成分调制后的光强； (4)将各光谱成分调制后的光强会聚后得到调制后的总光强，探测汇聚得到总光强信息，同时收集探测的总光强信息；重复步骤(1)-(3)对目标景物进行M次测量，收集每次探测的总光强信息，最后利用压缩感知完成多光谱成像，得到多光谱图像，其中M为小于一维随机调制图像总像素数和二维随机调制图像总像素数的乘积的自然数。
9.根据权利要求8所述的基于压缩感知的多光谱成像方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的利用压缩感知完成多光谱成像的具体方法为 (1)设定二维调制图像总像素数A= pXq, P为二维调制图像的横向分辨率，q为二维调制图像的纵向分辨率；一维调制图像总像素数B = IXr, r为一维调制图像分辨率，目标景物的测量次数为M，生成一个MXA维的矩阵O1和一个MXB维的矩阵Φ2，利用矩阵Φι和矩阵Φ2生成M幅随机二维调制图像和M幅随机一维调制图像Φ2(」)，其中i，j=1，2，3，4· · · M ;
全文摘要
本发明公开了一种基于压缩感知的多光谱成像装置，包括成像物镜、第一空间光调制器、准直系统、色散元件、第一会聚透镜、第二空间光调制器、第二会聚透镜、单点探测器、数据存储计算模块、图像生成加载模块，成像物镜将所要测试的目标成像于第一空间光调制器上，利用空间光调制器实现对成像图像的纹理和光谱编码调制，然后将调制后的图像的总光强通过单点探测器探测，利用多次编码图像的纹理和光谱信息，通过压缩感知算法计算获得景物的多光谱图像。本发明不需要对光谱进行扫描，采用单点探测器，突破衍射极限，成像过程测量时间较短。利用压缩感知算法进一步缩短了测量时间，因此利用本发明的方法可快速获得景物的多光谱图像。
文档编号G01J3/28GK102914367SQ20121041726
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者刘旭, 李 东, 刘向东, 张硕, 王金成, 李海峰 申请人:浙江大学