[發明專利]基于編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統的設計方法

無效

• 申請號: 201210359777.8
• 申請日: 2012-09-25
• 公開（公告）號: CN102891956A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發明（設計）人: 陳靖;吳含笑
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;G02B26/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統設計方法，可用于不同譜段的高分辨率成像系統屬于光學成像領域。

背景技術

隨著人們對圖像信息需求量的不斷增加，攜帶圖像信息的信號帶寬越來越寬。以Nyquist采樣定理為基礎的圖像信號處理框架就必然要求成像系統的采樣速率和處理速度與日劇增。更高分辨率、更密集采樣、海量圖像信號的獲取和傳輸使得傳統成像系統無論是硬件和算法方面都面臨著巨大的挑戰。為應對該問題，在實際應用過程中，人們常將DSP加入傳感器，用壓縮機制降低數據存儲、處理和傳輸的成本。但是從另一方面卻造成系統需要進行繁瑣的圖像域變換、系數排序以及編解碼工作，額外增加了傳感器的復雜度和成本。然而令人感到遺憾的是，高速采樣的結果換來的卻是，超過80%的非重要數據被拋棄。這種傳統的“高速采樣”再“壓縮”的成像模式浪費了大量的采樣資源。若能夠實現對圖像信息的同步壓縮采樣，在減少數據量的同時能夠攜帶原始圖像的完整信息，可避免傳統成像方式先采樣后壓縮的復雜數據處理和傳輸過程。從而極大程度地降低圖像信號的采樣頻率以及數據存儲和傳輸代價，顯著地降低成像系統的硬件成本。

壓縮成像技術是在壓縮感知理論的基礎上迅速發展起來的嶄新科學研究方向。2006年，美國著名科學家Candés和Donoho在相關研究基礎上正式提出了壓縮感知理論。該理論突破了Nyquist采樣定理瓶頸，認為對信號的采樣量不取決于信號的帶寬，而取決于信號的內部結構。如果信號是稀疏的或者在某個變換域內是稀疏的，那么就可以用一個與變換基不相關并且滿足約束等距性的測量矩陣將高維信號投影至低維空間。通過求解最小0-范數優化問題從少量的投影測量中以高概率重構出原始信號。目前針對壓縮成像技術進行研究的主要單位有美國的Rice大學，Arizona大學、MIT、Duke大學以及瑞士聯邦理工學院等。2006年美國的Rice大學成功研制出單像素數碼相機。其設計原理是通過光路系統將成像目標投影至數字微鏡器件上進行空間光調制，其反射光由透鏡聚焦到單個光敏二極管，光敏二極管兩端的電壓值即為一個測量值。將此投影操作重復多次，即可獲得多個觀測值。采用最小全變分圖像重構算法恢復出原始目標圖像。WL?Chan等人提出基于單像素相機概念的太赫茲成像新方法，克服了現有太赫茲成像系統的缺點，能夠提供較高的處理速度和較強的探測能力。Arizona大學的Baheti和Neifeld等人對Rice大學開發的單像素相機進行了光路結構的改進，使其光學結構更加緊湊，光能利用率更加高效。特拉華大學的研究人員將單像素成像的思想應用于電子顯微鏡系統。然而，單像素壓縮成像系統是以串行的工作方式輸出壓縮采樣的圖像信號。其采用的是數字微鏡器件對成像目標進行空間光調制，需采樣投影多次，才能獲得重構出原始圖像所需的測量值，因此系統較為耗時。對于運動場景或視頻圖像的壓縮成像具有一定的局限性。

MIT的freeman研究小組提出采用隨機反射鏡的壓縮成像方式。與傳統成像方式顯著不同之處在于，系統由平面反射鏡、隨意拼接的反射鏡片組和探測器構成。由于來自物體上每一點的光線都有可能經由隨機反光鏡片在探測器上成像，因此任意拼接的反光鏡片實際上是實現了隨機投影矩陣的功能。但是系統采用隨意拼接的鏡片實現對目標圖像的隨機測量，因此存在投影矩陣標定難的問題。

Duke大學的研究小組提出采用編碼孔徑以并行的方式實現目標物體的壓縮成像。但是，由于該工作才初步展開，就孔徑的編碼模式，孔徑的尺寸大小以及編碼孔徑模板與壓縮圖像的恢復精度之間的關系均未進行深入的研究。此外，該壓縮成像系統的投影矩陣標定工作量巨大。大場景圖像的壓縮成像成為該系統的技術難點。

發明內容

本發明旨在克服現有壓縮成像系統成像時間過長，投影矩陣標定工作量大的問題。基于編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統采用視場光闌陣列實現對大場景的分塊處理，將整個光學系統分為若干具有相同形式與功能的子光學系統，編碼孔徑模板陣列對場景目標進行空間光調制，利用子孔徑拼接透鏡陣列實現大視場的光學系統成像，并采用編碼采樣模板陣列對系統產生的會聚光線進行隨機采樣，實現單次曝光的壓縮成像。系統易于加工和檢測，可實現大視場、低分辨率探測器的高分辨率成像，可應用于不同譜段的高分辨率光學成像。

本發明的詳細內容如圖1所示，由視場光闌陣列1，編碼孔徑模板陣列2，子孔徑拼接透鏡陣列3，編碼采樣模板陣列4和探測器像面陣列5構成。