專利名稱：基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像儀及成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及多光譜視頻數(shù)據(jù)的采集，主要應(yīng)用于對多光譜視頻圖像信息的獲取與重建。
背景技術(shù)：
早在20世紀(jì)60年代人造地球衛(wèi)星圍繞地球獲取地球的圖片資料時，成像就成為研究地球的有利工具。在傳統(tǒng)的成像技術(shù)中，人們就知道黑白圖像的灰度級別代表了光學(xué)特性的差異因而可用于辨別不同的材料。在此基礎(chǔ)上，成像技術(shù)有了更高的發(fā)展，對地球成像時，選擇一些不同顏色的濾波片分別對場景遮擋成像，這對于提高對特殊農(nóng)作物、大氣、 海洋、土壤等的研究和辨別能力大有裨益。這種以離散的幾種顏色(或者幾個波段)對景物成像，就是人們常說的多光譜成像，多次獲得的多光譜圖像在時間上相連則構(gòu)成了多光譜視頻。多光譜視頻是一種高維數(shù)據(jù)，隨著光譜分辨率的提高，多光譜視頻數(shù)據(jù)急劇增加，針對多光譜視頻數(shù)據(jù)量大的特點，為了能夠保證大量的多光譜視頻更加高效的傳輸和處理，高質(zhì)量的圖像壓縮采樣編碼已經(jīng)成為一個非常重要的技術(shù)。在傳統(tǒng)方法中為了實現(xiàn)對多光譜視頻數(shù)據(jù)高效的傳輸和處理，是對多光譜圖像采樣后進(jìn)行壓縮，大量的非重要的數(shù)據(jù)被扔掉，這種先采樣再壓縮的過程使得系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，而且在要求采樣速率較高的情況下，A/D轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)就成為了一個難以解決的問題。如何解決這個問題，即用遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣速率對信號進(jìn)行采樣，同時又可完全恢復(fù)信號成為了廣大研究者關(guān)心的重點。2004 年由 E. J. Candes> J. Romberg、T. Tao 和 D. L. Donoho 等人提出了一種新的信
號處理理論-壓縮感知(Compressive Sensing),該理論的出現(xiàn)為解決上述問題帶來了
新的思路。壓縮感知的基本思路從盡量少的數(shù)據(jù)中提取盡可能多的信息，這是一種有著極大理論和應(yīng)用前景的想法。它是傳統(tǒng)信息論的一個延伸，但是又超越了傳統(tǒng)的壓縮理論，成為了一門嶄新的子分支。其數(shù)學(xué)模型假設(shè)長度為N的信號X在某個正交基或緊框架V下的系數(shù)是系數(shù)的，只含有非常少的非零系數(shù)，若將這些系數(shù)投影到另外一個與V不相關(guān)的觀測①M*N, M < N，得到觀測數(shù)據(jù)集合Y: M*1，信號X就可以根據(jù)觀測值Y通過求解優(yōu)化問題而精確恢復(fù)出來X = HimIIiFrXII1 s. t O^tX = Y由于X在變換域V中是稀疏的，通過求解上述范數(shù)優(yōu)化問題得到恢復(fù)值X可以很好的逼近原信號X。由于多光譜圖像信號具有可壓縮性，只要找到合適的稀疏表示空間，就可以利用一個與變換基不相關(guān)的觀測矩陣將變換所得的高維信號投影到一個低維空間上，有效地進(jìn)行壓縮采樣，這樣就可以在一定的光譜分辨率條件下降低相機(jī)的實現(xiàn)難度，或者在相同的技術(shù)條件下大幅提升多光譜分辨率；進(jìn)一步通過優(yōu)化問題的求解就可以從這些較少的投影中以較高的概率重構(gòu)出原信號，可以證明這樣的投影信息包含了重構(gòu)原信號所需要的足夠多的信息。在一般情況下，隨機(jī)觀測矩陣有著姣好的觀測效果，這是因為隨機(jī)矩陣幾乎和所有的變換基矩陣不相關(guān)。目前為止，壓縮感知理論在單幅圖像的低速采樣及重構(gòu)中有較多應(yīng)用，而對于多光譜成像而言，頻譜寬、數(shù)據(jù)量大并且各譜段之間有較強(qiáng)的相關(guān)性的特點使得壓縮感知理論很適用于多光譜圖像的低速信息采集和重構(gòu)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪濾光式多光譜視頻成像儀對一個場景依次更換濾光片分別成像，獲取多張光譜維圖像，受其成像原理的限制，傳統(tǒng)的多光譜視頻成像儀有較多不足(I)傳統(tǒng)的多光譜視頻成像儀采用機(jī)械轉(zhuǎn)輪式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會引起成像儀的震動，造成多光譜成像儀的成像質(zhì)量低，且穩(wěn)定性差；(2)傳統(tǒng)的多光譜視頻成像儀對每一光譜段圖像進(jìn)行成像均需要切換一次濾光片，使得成像效率和信噪比均比較低，而且對于性能良好的濾光片加工較為困難；
(3)傳統(tǒng)的多光譜視頻成像方法采用先采樣后壓縮的方式，造成光譜數(shù)據(jù)的大量浪費，同時造成壓縮失真。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像儀及成像方法，以實現(xiàn)對多光譜視頻圖像數(shù)據(jù)的完整采集，提升多光譜視頻成像儀的成像效率、穩(wěn)定性和多光譜圖像的質(zhì)量，降低成像儀的實現(xiàn)難度和復(fù)雜度。本發(fā)明的技術(shù)原理是借鑒Ashwin A. Wagadarikar等人設(shè)計、提出的CASSI(Spectral Image Estimation for Coded Aperture Snapshot Spectral Imagers),在原有的單通道的基礎(chǔ)上提出雙通道技術(shù)，整個系統(tǒng)共分為兩個部分?jǐn)?shù)據(jù)觀測部分和光譜圖像重構(gòu)部分。數(shù)據(jù)觀測部分分為兩個光路通道，光譜圖像由分光器件分為兩個包含信息完全一樣的部分，然后分別進(jìn)入兩個光路通道，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。由于兩個通道中的隨機(jī)編碼模板是互補(bǔ)的，因此觀測到的數(shù)據(jù)包含了光譜圖像的完整信息。光譜圖像重構(gòu)部分接收數(shù)據(jù)觀測部分采集到的數(shù)據(jù)，通過解非線性優(yōu)化問題更高精度的重構(gòu)出原光譜圖像。根據(jù)上述原理，本發(fā)明基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像儀，其特征在于包括一個分束器、兩個物鏡、兩個編碼模板、兩個帶通濾波器、兩個中繼透鏡組、兩個棱鏡組、兩個陣列傳感器和一個圖像重構(gòu)處理器；第一物鏡、第一編碼模板，第一帶通濾波器，第一中繼透鏡組，第一棱鏡組，第一陣列傳感器依次相連，構(gòu)成第一光路通道；第二物鏡，第二編碼模板，第二帶通濾波器，第二中繼透鏡組，第二棱鏡組，第二陣列傳感器依次相連，構(gòu)成第~■光路通道；所述分束器，將原始光譜圖像X的光束分成兩束進(jìn)入所述的兩個光路通道，進(jìn)入第一光路通道的光束在第一物鏡上聚焦成像，通過第一編碼模板對光譜圖像各位置上的光束進(jìn)行隨機(jī)遮擋，隨機(jī)遮擋后的光譜圖像的光束經(jīng)過第一帶通濾波器濾波，再由第一中繼透鏡組傳遞到第一棱鏡組，產(chǎn)生色散，色散后的光譜圖像的光束照射到第一陣列傳感器上，得到第一路混疊的光譜圖像X1傳輸給圖像重構(gòu)處理器；進(jìn)入第二光路通道的光束在第二物鏡上聚焦成像，并通過第二編碼模板對光譜圖像各位置上的光束進(jìn)行隨機(jī)遮擋，隨機(jī)遮擋后的光譜圖像的光束經(jīng)過第二帶通濾波器的濾波，再由第二中繼透鏡組傳遞到第二雙棱鏡組產(chǎn)生色散，色散后的光譜圖像的光束照射到第二陣列傳感器上，得到第二路的混疊的光譜圖像X2傳輸給圖像重構(gòu)處理器；所述圖像重構(gòu)處理器，根據(jù)輸入的第一路混疊光譜圖像X1和第二路混疊光譜圖像X2，利用非線性的優(yōu)化方法重構(gòu)出原光譜圖像X。所述雙通道的互補(bǔ)編碼模板，其特征在于第一編碼模板和第二編碼模板，是由通光和不通光的大小相同的方格組成的矩形平面板，通光方格編碼為1，不通光方格為遮光板，編碼為0 ;第一編碼模板的每一方格的編碼隨機(jī)設(shè)定；第二編碼模板的每一方格的編碼與第一編碼模板的相反，實現(xiàn)對光譜圖像的每一位置的圖像信息的互補(bǔ)編碼，保證對光譜圖像信息采樣的完整性。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像方法，包括如下步驟(I)將原光譜圖像的光束分成兩束，分別進(jìn)入兩個光路通道； ( 2 )獲取光譜混疊圖像X1 :(2a)在第一光路通道內(nèi)對進(jìn)入該通道內(nèi)的光束聚焦成像，獲得光譜圖像；(2b)對光譜圖像進(jìn)行隨機(jī)編碼，即將光譜圖像上的每一位置上的光束隨機(jī)遮擋，被遮擋的位置編碼為0，沒有被遮擋的位置編碼為I ;(2c)對編碼后的光譜圖像進(jìn)行濾波，濾除需要重構(gòu)的帶寬以外的光譜圖像的光束；(2d)對光譜圖像各光譜維的圖像在空間維的方向上進(jìn)行搬移，即光譜圖像的光束發(fā)生色散，實現(xiàn)每一光譜維圖像之間相對位置的變化；(2e)由陣列傳感器獲取搬移后的光譜圖像每一位置光束的光量，得到第一路混疊的光譜圖像X1 ；( 3 )獲取光譜混疊圖像X2 :(3a)對進(jìn)入第二光路通道的光束聚焦成像，獲得光譜圖像；(3b)對光譜圖像進(jìn)行與第一光路通道內(nèi)的光譜圖像互補(bǔ)的編碼，即對第二通道內(nèi)的光譜圖像上的每一位置上光束進(jìn)行相應(yīng)的遮擋，使其與第一光路通道內(nèi)光譜圖像同一位置上的遮擋狀態(tài)相反；(3c)對互補(bǔ)編碼后的光譜圖像的光束進(jìn)行濾波，濾除需要重構(gòu)的帶寬以外的光譜圖像的光束；(3d)對光譜圖像各光譜維的圖像在空間維的方向上進(jìn)行搬移，即光譜圖像的光束發(fā)生色散，實現(xiàn)每一光譜維圖像之間相對位置的變化；(3e)由陣列傳感器獲取搬移后的光譜圖像每一位置光束的光量，得到第二路混疊的光譜圖像X2 ；(4)根據(jù)上述得到的第一路混疊光譜圖像X1和第二路混疊光譜圖像X2，利用非線性的優(yōu)化方法重構(gòu)原光譜圖像X ；(5)在時間上對一場景進(jìn)行多次光譜成像，形成多光譜視頻。所述的對光譜圖像各光譜維的圖像在空間維的方向上進(jìn)行搬移，是將棱鏡組放在光譜圖像光束的傳播路線上，使不同光譜維圖像光束通過棱鏡，在到達(dá)陣列傳感器時產(chǎn)生不同距離的偏移，實現(xiàn)各光譜維圖像之間相對位置的變化。本發(fā)明與傳統(tǒng)技術(shù)相比較具有的優(yōu)點
第一本發(fā)明針對傳統(tǒng)的多光譜視頻成像儀成像效率較低的缺點，提出了基于壓縮感知的成像方法，采用雙通道觀測技術(shù)，使得光譜圖像信息采樣完整，每次曝光可以對多個譜段進(jìn)行成像，時間分辨率高，信噪比高；第二本發(fā)明針對傳統(tǒng)的多光譜視頻成像儀中機(jī)械轉(zhuǎn)輪引起成像儀震動，從而造成成像質(zhì)量低的缺點，提出了一種無轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的多光譜視頻成像儀，保證了光譜成像儀的成像穩(wěn)定性和成像質(zhì)量；第三本發(fā)明針對傳統(tǒng)的多光譜視頻成像儀先以較高密度傳感器陣列采樣，再進(jìn)行壓縮，丟失部分冗余信息的缺點，采用直接以低傳感器密度對其進(jìn)行信息采樣的方式，實現(xiàn)了采樣與壓縮的結(jié)合，進(jìn)而提高了傳感器陣列的利用率，降低了系統(tǒng)的實現(xiàn)難度和復(fù)雜度，避免了壓縮失真。


圖I是本發(fā)明基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像儀的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明成像儀中的第一光路通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明成像儀中的第二光路通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本發(fā)明成像儀中的編碼模板示意圖；圖5是本發(fā)明基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像方法的流程圖；圖6是仿真使用的原始拍攝的河流多光譜圖像的6張光譜維圖像平面圖；圖7是用現(xiàn)有的單通道方式重建多光譜圖像的結(jié)果及相應(yīng)的每一光譜維圖像的PSNR 值；圖8是用本發(fā)明的雙通道方式重建多光譜圖像的結(jié)果及相應(yīng)的每一光譜維圖像的PSNR值。
具體實施例方式參照圖1，本發(fā)明的基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像儀，包括分束器I、第一光路通道2、第二光路通道3、圖像重構(gòu)處理器4。其中第一光路通道2和第二光路通道3的結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。原光譜圖像X的光束由分束器I分成兩束，這兩束光包含的光譜信息相同，但是方向卻是不同的，它們從不同的方向分別進(jìn)入到兩光路通道內(nèi)；第一路光束和第二路光束分別在第一光路通道2和第二光路通道3內(nèi)經(jīng)過各種元件的處理和采集后，得到第一路混疊的光譜圖像X1和第二路混疊光譜圖像X2,并輸出到圖像重構(gòu)處理器4中；圖像重構(gòu)處理器4根據(jù)輸入的第一路混疊光譜圖像X1和第二路混疊光譜圖像X2,利用非線性的優(yōu)化方法重構(gòu)出原光譜圖像X。參照圖2，本發(fā)明的第一光路通道2，由第一物鏡21、第一編碼模板22，第一帶通濾波器23，第一中繼透鏡組24，第一棱鏡組25和第一陣列傳感器26依次相連構(gòu)成；第一物鏡21位于第一光路通道2的最前端，用于對第一光路通道2內(nèi)的光束進(jìn)行聚焦，形成清晰的光譜圖像；第一編碼模板22位于第一物鏡21成像的像面位置上，如圖4 Ca)所示，它是由通光和不通光的方格組成的矩形面板，方格的大小相同，其中白色為通光方格編碼為1，黑色的不通光方格為遮光板，編碼為0，每一方格的編碼隨機(jī)設(shè)定，以保證對光譜圖像信息編碼的隨機(jī)性；第一帶通濾波器23位于第一編碼模板22的后端，它是由各種透鏡組成的透鏡組，用于濾除不需要的光譜維圖像光束；第一中繼透鏡組24接在第一帶通濾波器23的后面，將第一帶通濾波器23保留下來的光譜維圖像的光束傳遞到第一棱鏡組25 ;第一棱鏡組25位于第一中繼透鏡組24和第一陣列傳感器26之間，它對于不同的光譜維圖像有不同的折射率，使各光譜維圖像透過第一棱鏡組25到達(dá)第一陣列傳感器26時產(chǎn)生不同距離的偏移，從而實現(xiàn)對不同的光譜維圖像的搬移；位于第一光路通道2最后端的第一陣列傳感器26，獲取光譜圖像每一位置光束的光量信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，即而得到第一路混疊光譜圖像參照圖3，本發(fā)明的第二光路通道3，由第二物鏡31、第二編碼模板32，第二帶通濾波器33，第二中繼透鏡組34，第二棱鏡組35和第二陣列傳感器36依次相連構(gòu)成；第二物鏡31位于第二光路通道2的最前端，用于對第二光路通道3內(nèi)光束的聚焦，形成清晰的光譜圖 像；第二編碼模板32位于第二物鏡31成像的像面位置上，如圖4 (b)所示，同第一編碼模板22 —樣，它也是由通光和不通光的大小相同方格組成的矩形面板，其中白色的通光方格編碼為1，黑色不通光方格為遮光板，編碼為0，但是第二編碼模板32的每一方格的編碼并不是隨機(jī)設(shè)定，而是與第一編碼模板22上同一位置上方格的編碼相反，與第一編碼模板22共同實現(xiàn)對光譜圖像信息的互補(bǔ)編碼，保證對光譜圖像信息觀測的完整性；第二帶通濾波器33位于第二編碼模板32的后端，它是由各種透鏡組成的透鏡組，用于濾除不需要的光譜維圖像光束；第二中繼透鏡組34接在第二帶通濾波器33的后面，將第二帶通濾波器33保留下來的光譜維圖像的光束傳遞到第二棱鏡組35 ;第二棱鏡組35位于第二中繼透鏡組34和第二陣列傳感器36之間，其對于不同的光譜維圖像有不同的折射率，使各光譜維圖像透過棱鏡到達(dá)第二陣列傳感器36時產(chǎn)生不同的偏移距離，從而實現(xiàn)對不同的光譜維圖像的搬移；位于第二光路通道3最后端的第二陣列傳感器36，獲取光譜圖像每一位置光束的光量信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，即而得到第二路混疊光譜圖像X2。參照圖5，本發(fā)明基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像方法，包括如下步驟步驟1，將原光譜圖像的光束分成包含有光譜圖像信息相同的兩束，使其從兩個不同方向分別進(jìn)入兩個光路通道，即第一光路通道和第二光路通道。步驟2，獲取第一光路通道的混疊光譜圖像(2a)在第一光路通道內(nèi)對進(jìn)入該通道內(nèi)的光束進(jìn)行聚焦成像，獲得第一光路通道初始光譜圖像X11 ；(2b)對第一光路通道初始光譜圖像X11每一位置上的信息進(jìn)行隨機(jī)編碼，即對光譜圖像X11上的每一位置上的光束利用遮光板進(jìn)行隨機(jī)遮擋，遮擋住的位置將沒有光束通過，沒有被遮擋的位置上的光束將通過方形孔徑繼續(xù)向后照射；將被遮擋住位置上的信息編碼為0，將沒有被遮擋位置上的信息編碼為1，得到第一光路通道編碼后的光譜圖像X12 ；(2c)對第一光路通道編碼后的光譜圖像X12進(jìn)行濾波，即濾除帶寬外不需要的光譜維圖像的光束，保留帶寬內(nèi)光譜維圖像的光束，得到第一光路通道濾波后的光譜圖像X13;(2d)將棱鏡組放在第一光路通道濾波后的光譜圖像X13光束的傳播路線上，使濾波后的光譜圖像的光束發(fā)生色散，由于各光譜維圖像的偏移距離不同，從而實現(xiàn)對每一光譜維圖像在空間維上不同距離的搬移，得到第一光路通道搬移后的光譜圖像X14 ；(2e)通過陣列傳感器獲取第一光路通道搬移后的光譜圖像X14的光量信息，由于在該陣列傳感器每一位置上獲取的光量信息是光譜圖像X14全部搬移后光譜維圖像在同一空間位置上光量信息的求和，因而可實現(xiàn)不同光譜維圖像信息的混疊；將求和的光量信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，得到第一光路通道的混疊光譜圖像X1 ；步驟3，獲取第二光路通道的混疊光譜圖像X2 (3a)在第二光路通道內(nèi)對進(jìn)入該通道的光束進(jìn)行聚焦成像，獲得第二光路通道初始光譜圖像X21 ;(3b)對第二光路通道初始光譜圖像X21進(jìn)行與第一光路通道互補(bǔ)的編碼，即對第二通道內(nèi)的光譜圖像X21上的每一位置上光束進(jìn)行相應(yīng)的遮擋，使其與第一光路通道內(nèi)光譜圖像X11同一位置上光束的遮擋狀態(tài)相反，保證原光譜圖像X的任一位置上的信息不被遺漏，得到第二光路通道互補(bǔ)編碼的光譜圖像X22 ；(3c)對第二光路通道互補(bǔ)編碼后的光譜圖像X22的光束進(jìn)行濾波，即濾除帶寬外 不需要的光譜維圖像的光束，保留帶寬內(nèi)光譜維圖像的光束，得到第二光路通道濾波后的光譜圖像X23;(3d)將棱鏡組放在第二光路通道濾波后的光譜圖像X23光束的傳播路線上，使光譜圖像X23的光束發(fā)生色散，由于各光譜維圖像的偏移距離不同，從而實現(xiàn)對每一光譜維圖像在空間維上不同距離的搬移，得到第二光路通道搬移后的光譜圖像X24 ；(3e)通過陣列傳感器獲取第二光路通道搬移后的光譜圖像X24的光量信息，由于在陣列傳感器每一位置上獲取的光量信息是光譜圖像X24全部搬移后的光譜維圖像在同一空間位置上光量信息的求和，因而可實現(xiàn)不同光譜維圖像信息的混疊；將求和的光量信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，得到第二光路通道的混疊光譜圖像X2 ；步驟4，根據(jù)上述得到的第一路混疊光譜圖像X1和第二路混疊光譜圖像X2,利用非線性的優(yōu)化方法重構(gòu)原光譜圖像X (I)將輸入的第一路混疊光譜圖像X1和第二路混疊光譜圖像X2在平面空間上連接在一起，得到一個總的混疊光譜圖像Y Y = [X1, X2] = [A1X, A2X] = AX,其中，A1, A2為兩個線性算子，A1X, A2X分別表示第一光路通道和第二光路通道對光譜圖像X的操作結(jié)果；A = [A11A2]表示整個觀測部分的線性函數(shù)算子，AX表示整個觀測部分對光譜圖像的操作結(jié)果；(2)設(shè)V為原光譜圖像X稀疏域的一個正交基，則原光譜圖像X在基V上的表示系數(shù)O是稀疏的，即系數(shù)O中的零元素或者小于設(shè)定閾值的元素個數(shù)較多O = IiT1X = ￥tX,其中，IlT1和V1分別表示正交基V的矩陣的逆和轉(zhuǎn)置；(3)設(shè)定min| | ￥TX| I。為優(yōu)化求解的目標(biāo)函數(shù)，Y = AX為約束條件，采用非線性優(yōu)化方法，如基追蹤算法或雙步迭代算法或貪婪算法求解下式，作為對原光譜圖像X的逼近值f:X = argmin || ^FrX ||0 s.t Y = AX,其中，I I vTX| I。表示原光譜圖像X在稀疏域上的表示系數(shù)O的I。范數(shù)；argmin表示取最小值；s. t Y = AX表示約束條件為Y = AX ;步驟5，對同一場景重復(fù)進(jìn)行上述步驟，即在時間上對場景進(jìn)行多次多光譜成像，形成多光譜視頻。為驗證本發(fā)明的基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像儀的可行性和有效性，通過MATLAB仿真軟件模擬了一個實例，其中在時間上進(jìn)行一次光譜成像的過程如下仿真I :a)選用原始拍攝的河流的多光譜圖像作為原始光譜圖像，其包含6張512*512光譜維圖像，如圖6所示；b)根據(jù)現(xiàn)有的單通道光譜成像儀結(jié)構(gòu)，采用余弦稀疏域和雙步迭代算法重構(gòu)原光譜圖像，并計算出每一張光譜維圖像重構(gòu)結(jié)果的PSNR值，結(jié)果如圖7所示，其中7(a)、7(b)、
7(c) ,7(d) ,7(e) ,7(f)分別是對 6 (a)、6 (b)、6 (c)、6 (d)、6 (e)、6 (f)的重構(gòu)結(jié)果及相應(yīng)的 PSNR。仿真2:a)選用原始拍攝的河流的多光譜圖像作為原始光譜圖像，其包含6張512*512光譜維圖像，如圖6所示；b)根據(jù)本發(fā)明的雙通道光譜成像儀結(jié)構(gòu)，采用余弦稀疏域和雙步迭代算法重構(gòu)原光譜圖像，并計算出每一張光譜維圖像重構(gòu)結(jié)果的PSNR值，結(jié)果如圖8所示，其中8(a)、
8(b)、8 (c)、8 (d)、8 (e)、8 (f)分別是對 6 (a)、6 (b)、6 (c)、6 (d)、6 (e)、6 (f)的重構(gòu)結(jié)果及相應(yīng)的PSNR。從仿真I的實驗結(jié)果可以計算出用單通道方式進(jìn)行多光譜圖像重構(gòu)出的6張光譜維圖像的平均PSNR為30. 31dB，其中PSNR最低為28. 5167dB，最高為32. 7970dB。從仿真2的實驗結(jié)果可以計算出用本發(fā)明雙通道方式進(jìn)行多光譜圖像重構(gòu)出的6張光譜維圖像的平均PSNR為32. 82dB,其中PSNR最低為31. 0005dB，最高可達(dá)35. 5981dB。將仿真I與仿真2的結(jié)果做出比較可以看出，本發(fā)明的雙通道技術(shù)相對于現(xiàn)有單通道技術(shù)的光譜重構(gòu)結(jié)果可以將平均PSNR提高2. 51dB，證明本發(fā)明在進(jìn)行多光譜圖像重建時有更好的性能。
權(quán)利要求
1.一種基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像儀，其特征在于包括一個分束器、兩個物鏡、兩個編碼模板、兩個帶通濾波器、兩個中繼透鏡組、兩個棱鏡組、兩個陣列傳感器和一個圖像重構(gòu)處理器；第一物鏡(21)、第一編碼模板(22)，第一帶通濾波器(23)，第一中繼透鏡組(24),第一棱鏡組(25),第一陣列傳感器(26)依次相連,構(gòu)成第一光路通道；第二物鏡(31)，第二編碼模板(32)，第二帶通濾波器(33)，第二中繼透鏡組(34)，第二棱鏡組(35)，第二陣列傳感器(36)依次相連，構(gòu)成第二光路通道； 所述分束器(I )，將原始光譜圖像X的光束分成兩束進(jìn)入所述的兩個光路通道，進(jìn)入第一光路通道的光束在第一物鏡(21)上聚焦成像，通過第一編碼模板(22)對光譜圖像各位置上的光束進(jìn)行隨機(jī)遮擋，隨機(jī)遮擋后的光譜圖像的光束經(jīng)過第一帶通濾波器(23)濾波，再由第一中繼透鏡組(24)傳遞到第一棱鏡組(25)，產(chǎn)生色散，色散后的光譜圖像的光束照射到第一陣列傳感器(26)上，得到第一路混疊的光譜圖像X1傳輸給圖像重構(gòu)處理器(4);進(jìn)入第二光路通道的光束在第二物鏡(31)上聚焦成像，并通過第二編碼模板(32)對光譜圖像各位置上的光束進(jìn)行隨機(jī)遮擋，隨機(jī)遮擋后的光譜圖像的光束經(jīng)過第二帶通濾波器(33)的濾波，再由第二中繼透鏡組(34)傳遞到第二棱鏡組(35)產(chǎn)生色散，色散后的光譜圖像的光束照射到第二陣列傳感器(36)上，得到第二路的混疊的光譜圖像X2傳輸給圖像重構(gòu)處理器⑷； 所述圖像重構(gòu)處理器(4)，根據(jù)輸入的第一路混疊光譜圖像X1和第二路混疊光譜圖像X2，利用非線性的優(yōu)化方法重構(gòu)出原光譜圖像X。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像儀，其特征在于第一編碼模板(22)和第二編碼模板(32)，是由通光和不通光的大小相同的方格組成的矩形平面板，通光方格編碼為1，不通光方格為遮光板，編碼為O ;第一編碼模板(22)的每一方格的編碼隨機(jī)設(shè)定；第二編碼模板(32)的每一方格的編碼與第一編碼模板(22)的相反，實現(xiàn)對光譜圖像的每一位置的圖像信息的互補(bǔ)編碼，保證對光譜圖像信息采樣的完整性。
3.一種基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像方法，包括如下步驟 (1)將原光譜圖像的光束分成兩束，分別進(jìn)入兩個光路通道； (2)獲取光譜混疊圖像X1 (2a)在第一光路通道內(nèi)對進(jìn)入該通道內(nèi)的光束聚焦成像，獲得光譜圖像； (2b)對光譜圖像進(jìn)行隨機(jī)編碼，即將光譜圖像上的每一位置上的光束隨機(jī)遮擋，被遮擋的位置編碼為O，沒有被遮擋的位置編碼為I ; (2c)對編碼后的光譜圖像進(jìn)行濾波，濾除需要重構(gòu)的帶寬以外的光譜圖像的光束； (2d)對光譜圖像各光譜維的圖像在空間維的方向上進(jìn)行搬移，即使光譜圖像的光束發(fā)生色散，實現(xiàn)每一光譜維圖像之間相對位置的變化； (2e)由陣列傳感器獲取搬移后的光譜圖像每一位置光束的光量，得到第一路混疊的光譜圖像X1 ； (3)獲取光譜混疊圖像X2 (3a)對進(jìn)入第二光路通道的光束聚焦成像，獲得光譜圖像； (3b)對光譜圖像進(jìn)行與第一光路通道內(nèi)的光譜圖像互補(bǔ)的編碼，即對第二通道內(nèi)的光譜圖像上的每一位置上光束進(jìn)行相應(yīng)的遮擋，使其與第一光路通道內(nèi)光譜圖像同一位置上的遮擋狀態(tài)相反；(3c)對互補(bǔ)編碼后的光譜圖像的光束進(jìn)行濾波，濾除需要重構(gòu)的帶寬以外的光譜圖像的光束； (3d)對光譜圖像各光譜維的圖像在空間維的方向上進(jìn)行搬移，即光譜圖像的光束發(fā)生色散，實現(xiàn)每一光譜維圖像之間相對位置的變化； (3e)由陣列傳感器獲取搬移后的光譜圖像每一位置光束的光量，得到第二路混疊的光譜圖像X2 ； (4)根據(jù)上述得到的第一路混疊光譜圖像X1和第二路混疊光譜圖像X2，利用非線性的優(yōu)化方法重構(gòu)原光譜圖像X ; (5)重復(fù)步驟(I)到(4)對同一場景進(jìn)行多次光譜成像，獲得該場景在不同時刻上的光譜圖像，形成多光譜視頻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像方法，其中步驟(2d)和步驟(3d)所述的對光譜圖像各光譜維的圖像在空間維的方向上進(jìn)行搬移，是將棱鏡組放在光譜圖像光束的傳播路線上，使不同光譜維圖像光束通過棱鏡，在到達(dá)陣列傳感器時產(chǎn)生不同距離的偏移，實現(xiàn)各光譜維圖像之間相對位置的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像方法，其中步驟(4)所述的用非線性的優(yōu)化方法重構(gòu)原光譜圖像X，按如下步驟進(jìn)行 (1)將輸入的第一路混疊光譜圖像X1和第二路混疊光譜圖像X2在平面空間上連接在一起，得到一個總的混疊光譜圖像Y Y = [X1, X2] = [A1X, A2X] = AX 其中，A1, A2為兩個線性算子，A1X, A2X分別表示第一光路通道和第二光路通道對光譜圖像X的操作結(jié)果；A = [A11A2]表示整個觀測部分的線性函數(shù)算子，AX表示整個觀測部分對光譜圖像的操作結(jié)果； (2)設(shè)V為原光譜圖像X稀疏域的一個正交基，則原光譜圖像X在基V上的表示系數(shù)O是稀疏的，即O = VtX = Iir1X ； (3)設(shè)定min|I ￥t|q為優(yōu)化求解的目標(biāo)函數(shù)，Y = AX為約束條件，采用非線性優(yōu)化方法求解下式，為對原光譜圖像X的逼近值f : X - arg min || yV7X ||0 s.t Y = AX 其中，I I VTX| Itl表示原光譜圖像X在稀疏域上的表示系數(shù)①的Itl范數(shù)；argmin表示取最小值；s. tY = AX表示約束條件為Y = AX。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知的雙通道多光譜視頻成像儀及成像方法。它包括分束器(1)、圖像重構(gòu)處理(4)和兩個光路通道，其中第一光路通道(2)由第一物鏡(21)、第一編碼模板(22)，第一帶通濾波器(23)，第一中繼透鏡組(24)，第一棱鏡組(25)和第一陣列傳感器(26)依次相連構(gòu)成；第二光路通道(3)由第二物鏡(31)，第二編碼模板(32)，第二帶通濾波器(33)，第二中繼透鏡組(34)，第二棱鏡組(35)和第二陣列傳感器(36)依次相連構(gòu)成。原光譜圖像X由分束器分成兩束分別進(jìn)入第一光路通道(2)和第二光路通道(3)，并分別得到混疊光譜圖像X1和X2；圖像重構(gòu)處理器(4)根據(jù)輸入的混疊光譜圖像X1和X2重構(gòu)出原始光譜圖像X。本發(fā)明具有采樣信息全、重構(gòu)精度高、成本低的優(yōu)點，可用于多光譜視頻的獲取。
文檔編號G01J3/28GK102706450SQ20121019324
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者劉丹華, 劉陽, 李國 , 王立志, 石光明, 高大化 申請人:西安電子科技大學(xué)