[發明專利]多光譜計算重構方法及系統

有效

• 申請號: 201210075172.6
• 申請日: 2012-03-20
• 公開（公告）號: CN102661794A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: 戴瓊海;馬晨光;索津莉
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術領域

本發明涉及計算攝像學領域，特別涉及一種多光譜計算重構方法及系統。

背景技術

近年來，計算攝像學已經成為交叉視覺、圖形學、攝像學、信號處理等領域的國際前沿熱點研究，如何對于真實場景的高維信息進行計算采集和重構引起了廣泛的關注。開展場景多光譜信息的相關研究工作對于遙感監測、安全偵查、數字娛樂等領域具有重要意義。

傳統的數字攝像學是對高維場景信號(常用七維全光函數表示)的二維投影子空間進行采樣，將高維場景信息投影到相機二維采樣子空間上進行采集?？梢钥闯?，傳統的數字攝像學會產生全光函數其它維度上信息的丟失與耦合問題，包括角度信息丟失、場景深度信息丟失、多光譜信息丟失、曝光時間內場景信息積分耦合等等。

計算攝像學中一個很重要的方向是在光譜域上對于傳統的成像技術進行擴展，即多光譜技術。從多光譜與視覺的技術原理說來，人眼球中有三種不同視錐細胞對光譜中不同波段的信號進行感應，使真實場景中的光線以紅、綠、藍三種顏色的形式被人所感知，而與此相對應，傳統意義上的相機也是從人眼的認知原理出發，通過電荷耦合元件(CCD)不同的顏色積分曲線去捕捉場景的紅綠藍(RGB)三通道信息。但是實際上，能夠看到的場景光線具有一個完整的光譜，僅僅捕捉RGB三個通道則失去了光譜維度上的大量細節。而光譜中豐富的細節信息往往能夠揭示物體和場景光線的很多特質，有了這些光譜信息，也能在很多計算機視覺領域的工作中獲得長足的進展。計算攝像學領域中的多光譜工作基本上是針對場景的多光譜信息進行采集與重構的研究。

根據技術要求和采集條件的不同，現有的多光譜采集系統可以分為三類：光譜分析儀、掃描式光譜成像儀和單次拍攝成像光譜儀。各種技術解決方案都是通過犧牲空間或時間分辨率的方式對于光譜分辨率進行補償，以采集多光譜信息。2011年初，一種基于混合相機系統的進行多光譜采集系統被提出，其在犧牲空間分辨率獲得附加光譜分辨率的同時，使用雙路采集的技術，對場景進行雙路采集，從得到的多路數據中重構出高時空分辨率的多光譜視頻，實現了一種多光譜采集技術。這些工作都說明了多光譜采集的重要意義，但是雖然多光譜采集工作已經成為近期計算攝像學的熱點，如何獲得高時間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率的場景信息仍然是一個難題，因此，這個方向上的研究非常重要而且有廣泛的應用。

同時CS(Compressive?Sensing，or?Compressed?Sampling，壓縮感知)，是近幾年流行起來的一個介于數學和信息科學的新方向，由Candes、Terres?Tao等人提出，挑戰傳統的采樣編碼技術，即Nyquist采樣定理壓縮感知理論，其為信號采集技術帶來了革命性的突破，能夠采用非自適應線性投影來保持信號的原始結構，以遠低于Nyquist頻率對信號進行采樣，通過數值最優化問題準確重構出原始信號。

因此將壓縮感知、稀疏表示理論應用于光譜重構領域必然能夠獲得更好的效果。本發明正是基于這樣的思考提出的。

發明內容

本發明的目的旨在至少解決上述的技術缺陷之一。

為此，本發明的第一個目的在于提供一種多光譜計算重構方法，該方法可以實現基于壓縮感知理論的高維多光譜數據采集。本發明的第二個目的在于提供一種多光譜計算重構系統。

為達到上述目的，本發明一方面的實施例提出了一種多光譜計算重構方法，包括如下步驟：

生成雙路多光譜圖像，并利用拍照裝置對所述雙路多光譜圖像進行采集以得到采樣點多光譜信息，其中，所述拍照裝置包括灰度相機和RGB相機，所述雙路多光譜圖像包括第一路多光譜圖像和第二路多光譜圖像，其中，所述灰度相機采集所述第一路多光譜圖像，所述RGB相機采集所述第二路多光譜圖像；根據所述采樣點多光譜信息生成對應的采樣點多光譜信息矩陣，并對所述采樣點多光譜信息矩陣進行稀疏約束的字典學習，生成光譜字典，其中，所述光譜字典為光譜向量；以及

根據所述光譜字典、所述RGB相機的R通道、G通道和B通道的積分曲線以及所述第二路多光譜圖像在稀疏先驗的約束下重構所述雙路多光譜圖像中的非采樣點的光譜信息。

根據本發明實施例的多光譜計算重構方法，通過采集雙路多光譜圖，得到采樣點多光譜信息矩陣，生成光譜字典，在稀疏先驗的約束下重構非采樣點的光譜信息，使得多光譜信息的重構更簡單、直觀，所需要的場景光譜采樣點較少，實現了基于壓縮感知理論的高維多光譜數據采集。