本發(fā)明屬于計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)，具體為一種基于振幅編碼調(diào)制的非相干合成的成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一直都沒(méi)有改變，通過(guò)使用一組透鏡將所觀察物體“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”地投射至成像平面上。早在johann?zahn于1702年寫下的《人工之眼(oculusartificialis)》一書中，就提到了這樣一種相機(jī)結(jié)構(gòu)：一個(gè)封閉的暗箱，一側(cè)是聚焦透鏡，另一側(cè)則是記錄圖像的裝置(zahn?j.oculus?artificialis?teledioptricus?sivetelescopium[m].heyl,1702.)。這種設(shè)計(jì)與人眼的結(jié)構(gòu)相似，這似乎并非巧合。多年過(guò)去，盡管用于實(shí)現(xiàn)透鏡(如水晶透鏡、玻璃透鏡、3d打印)和圖像記錄裝置(如畫師手繪、感光膠片、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary?metal?oxide?semiconductor，cmos)、電荷耦合器件(charge-coupled?device，ccd))的技術(shù)不斷更新迭代，這種基本的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)卻未曾改變。在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)里，透鏡有著廣泛的應(yīng)用，小到實(shí)驗(yàn)室里用顯微鏡觀察細(xì)胞，大到用天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體的運(yùn)動(dòng)，支持著生物、醫(yī)療、物理、冶金、攝影、食品化工等眾多領(lǐng)域的生產(chǎn)與科研活動(dòng)，為人類的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

2、但是，透鏡的確具有一些固有的局限性。首先，透鏡要求成像平面在焦平面上。盡管如今的數(shù)字傳感器已經(jīng)可以非常薄，但由于透鏡到焦平面的距離限制使得整個(gè)相機(jī)最終會(huì)很厚，非常不利于一些小型化使用的場(chǎng)景。同時(shí)，在相機(jī)具有調(diào)焦能力的場(chǎng)景下，需要引入精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整鏡頭組之間的距離，增加了相機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造成本。其次，對(duì)于可見光透鏡可以使用玻璃或塑料等材料生產(chǎn)，但到了不可見光范圍的紅外和紫外透鏡則變得要么造價(jià)極其昂貴，要么存在嚴(yán)重的像差問(wèn)題難以使用，特別是在x射線、γ射線等高能射線下，傳統(tǒng)的透鏡成像方法根本不可行。第三，使用鏡頭的相機(jī)通常需要在制造后組裝，導(dǎo)致制造效率低下。如今，可穿戴設(shè)備、植入式設(shè)備、自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)(iot)、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(geiger?a,lenz?p,stiller?c,et?al.vision?meetsrobotics:the?kitti?dataset[j].the?international?journal?ofrobotics?research,2013,32(11):1231-1237.)等眾多新興技術(shù)正在推進(jìn)鏡頭的小型化、輕量化，而厚重的傳統(tǒng)相機(jī)已無(wú)法滿足這樣的要求，因此有必要對(duì)這一傳統(tǒng)的相機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底的重新設(shè)計(jì)，以滿足小型化的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于振幅編碼調(diào)制的非相干合成的成像系統(tǒng)，既能降低相機(jī)所需的曝光時(shí)間，提高系統(tǒng)的圖像采集速度，又能提升成像系統(tǒng)的分辨率，優(yōu)化圖像重構(gòu)質(zhì)量。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種基于振幅編碼調(diào)制的非相干合成的成像系統(tǒng)，包括：

3、成像主透鏡組1、可編程lcd面板2、相機(jī)3以及超分辨模塊，所述成像主透鏡組1、可編程lcd面板2、相機(jī)3分別設(shè)置在光學(xué)平臺(tái)，所述相機(jī)3位于成像主透鏡組1的后焦面上，所述可編程lcd面板2設(shè)置在成像主透鏡組1與相機(jī)3之間，所述可編程lcd面板2相對(duì)于相機(jī)3的位置保持不變，所述可編程lcd面板2上顯示fza振幅編碼圖案，所述相機(jī)對(duì)每個(gè)子孔徑拍攝四張不同相位的fza振幅編碼圖像，所述超分辨模塊用于對(duì)每個(gè)子孔徑的四張不同相位的fza振幅編碼圖像進(jìn)行重建并進(jìn)行處理獲得超分辨圖像。

4、優(yōu)選地，所述fza振幅編碼圖案具體為：

5、

6、其中，β是菲涅爾參數(shù)，φf(shuō)是fza的初始相位因子，r是fza平面的徑向距離，rk是不同子孔徑的偏移向量，k＝1…n，n為子孔徑個(gè)數(shù)。

7、優(yōu)選地，所述超分辨模塊用于對(duì)每個(gè)子孔徑的四張不同相位的fza振幅編碼圖像進(jìn)行重建并進(jìn)行處理獲得超分辨圖像的具體方法為：

8、步驟1：對(duì)每個(gè)子孔徑ak拍攝的四張不同相位的fza振幅編碼圖像ib,b＝1,2,3,4進(jìn)行重建，得到n個(gè)子孔徑的強(qiáng)度值ik，k＝1…n；

9、步驟2：將中心子孔徑的重建強(qiáng)度值io做傅里葉變換得到頻域圖像，將頻域圖像作為初始化高分辨率頻譜iter表示迭代次數(shù)，初始化時(shí)iter＝0；

10、步驟3：在高分辨率頻譜上選取設(shè)定支持域下的子孔徑ak，對(duì)其做傅里葉變換到空域得到低分辨率圖像將相應(yīng)子孔徑下拍攝到的圖像的幅值ik映射到低分辨率圖像上，獲得更新后的低分辨率圖像

11、步驟4：將更新后的低分辨率圖像變換回頻域，替換高分辨率頻譜對(duì)應(yīng)子孔徑ak下的頻譜；

12、步驟5：重復(fù)步驟1～步驟4，直到所有子孔徑拍攝圖像ik都迭代完成，視為一次迭代過(guò)程；

13、步驟6：令iter＝iter+1，重復(fù)步驟3到5進(jìn)行下一輪迭代，直到誤差收斂。

14、優(yōu)選地，對(duì)每個(gè)子孔徑ak拍攝的四張不同相位的fza振幅編碼圖像ib,b＝1,2,3,4進(jìn)行重建，具體為：

15、每個(gè)子孔徑ak拍攝的四張不同相位的fza振幅編碼圖像ib,b＝1,2,3,4具體為：

16、

17、其中，rk為偏移矢量(xk,yk)，對(duì)應(yīng)子孔徑相對(duì)于中心孔徑的偏移，β是菲涅爾參數(shù)，φb為fza相位因子；

18、將每一張編碼圖像ib乘以后將四步相移的結(jié)果相加，得到：

19、

20、通過(guò)四步相移將fza振幅調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔徽{(diào)制，有如下等式：

21、exp[iβr2]*exp[-iβr2]＝δ(r)

22、其中，“*”符號(hào)代表卷積，r是fza平面的徑向距離，δ(r)為脈沖響應(yīng)函數(shù)；

23、將四步相移后得到的光強(qiáng)圖像i和exp[-iβr2]進(jìn)行卷積，得到重建后的圖像：

24、

25、式中，f(x,y)為重建后的圖像，β為菲涅爾參數(shù)，(xk,yk)為光強(qiáng)圖像i的二維坐標(biāo)，(x,y)為重建后的圖像f(x,y)的二維坐標(biāo)。

26、優(yōu)選地，高分辨率頻譜的更新公式為：

27、

28、wi＝diag(βi(|pi|2+γ)-1)

29、

30、其中，αiter為步長(zhǎng)，i為子孔徑序號(hào)，為誤差函數(shù)εi對(duì)高分辨率頻譜求導(dǎo)，ψi為子孔徑頻譜，γ是固定常數(shù)，βi是比例因子，pi為光瞳函數(shù)，ai為子孔徑支持域。

31、優(yōu)選地，收斂的判據(jù)為所有生成的目標(biāo)低分辨率圖像與子孔徑重建的低分辨率圖像ik的均方誤差之和小于一個(gè)閾值t。

32、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有多孔徑成像系統(tǒng)，該裝置不需任何機(jī)械相位掃描裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量快速，操作簡(jiǎn)易，可穩(wěn)定精確測(cè)量。(2)相對(duì)于相干合成孔徑成像系統(tǒng)，采用可編程lcd面板進(jìn)行非相干編碼的成像系統(tǒng)無(wú)需主動(dòng)照明，可直接對(duì)自然光照明下的物體進(jìn)行超分辨成像，降低成像時(shí)的暴露風(fēng)險(xiǎn)。本成像系統(tǒng)及其超分辨方法能夠成功地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離超分辨成像，可將目標(biāo)成像分辨率提高2倍以上。

33、下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。