[發明專利]基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像系統

無效

• 申請號: 201310277938.3
• 申請日: 2013-07-03
• 公開（公告）號: CN103384300A
• 公開（公告）日: 2013-11-06
• 發明（設計）人: 王琳;徐軍;孫昊洋;杜娟;張少輝;吳騰飛;楊虹;關少奇
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;H04N5/14;H04N5/21
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于圖像處理及成像技術領域，涉及光學系統和圖像重建，主要用于光學超分辨率成像。

背景技術

傳統的光學成像方法通過前端光學系統和后端電荷耦合器件CCD采集數據，采樣頻率符合奈奎斯特采樣定理，即反映為CCD像元的空間間隔應不大于所關心的細節尺寸的一半。由于采集的數據量龐大，故一般需要對采集到的數據壓縮，以便于存儲、傳輸。這種傳統成像方法存在兩點不足：一是由于采樣率高，所以對CCD的分辨率要求比較高。而在其它參數確定的前提下，高分辨率的CCD比低分辨率的CCD昂貴。而且，CCD分辨率的提高會導致像元尺寸的減小，從而導致成像性能，如動態范圍、感光度的降低。二是先采集大量數據，然后再壓縮數據是一種資源上的浪費。

近年，壓縮感知CS理論表明，在信號是稀疏的或可壓縮的前提下，可以以遠低于奈奎斯特采樣頻率的采樣頻率對信號進行采樣而不損失信號的細節。這樣，就可以減少CCD的分辨率而不影響成像質量。極端情況下，可以用只有一個像元的CCD來成像。Rice大學的單像素相機做了這方面的嘗試，參見《Single?pixel?imaging?via?compressive?sampling》(Marco?F.Duarte等，IEEE?Signal?Processing?Magazine)。該方法在短時間內將數控微鏡陣列快速隨機變化，從而將拍攝場景偽隨機投影為順序的單測量值，并用單像素CCD將之接收。將采集到的測量值重建之后，即可得到相應的場景。但這種方法的局限性在于它對于一個場景的采集需要比較長的時間。因此，若場景時時變換，則該方法得到的效果將很差。

發明內容

本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出了一種基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像系統，以實現利用較小分辨率的CCD獲得較高分辨率的圖像。

實現本發明的目的的技術思路是：采用編碼孔徑代替傳統成像系統中的多邊形或圓形孔徑光闌，由相干或非相干光源照明成像，在焦平面陣列上獲得低分辨率編碼圖像，并將其傳輸至主控計算機中，通過對低分辨率編碼圖像超分辨率解碼重建并對重建結果去噪，可獲得較高質量的高分辨率圖像。其技術方案描述如下：

一．本發明基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像系統，包括光源、物鏡、孔徑光闌、快門和焦平面陣列，孔徑光闌設在組成物鏡的透鏡組中間，光源發出的光依次經過場景、物鏡和孔徑光闌，并通過快門控制曝光時間，使得場景在焦平面陣列上成像，其特征在于：

孔徑光闌，采用一塊隨機開孔且開孔率為50%的編碼孔徑模板，使在焦平面陣列上成的像為壓縮編碼后的圖像；

壓縮編碼后的圖像傳輸至主控計算機，通過主控計算機對其進行超分辨率解碼重建后獲得高分辨率的圖像；

所述主控計算機，設有圖像處理模塊，該圖像處理模塊包括：

解碼模塊，用于將所得的壓縮編碼圖像解碼重建而得到高分辨率的圖像；

去噪模塊，用于去除解碼后高分辨率圖像中的人工痕跡。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1)本發明由于采用編碼孔徑模板代替傳統孔徑光闌，使得光場通過編碼孔徑模板時被編碼，這樣即可采用分辨率較低的焦平面陣列代替分辨率較高的焦平面陣列壓縮成像，并在主控計算機上將壓縮編碼的圖像進行解碼超分辨率重建，這種方法使得利用較小分辨率的焦平面陣列成像而獲得較高分辨率的圖像成為可能，從而降低了焦平面陣列的成本。

2)本發明由于對場景進行編碼壓縮，使得成像時的數據量較傳統成像方法的數據量大大降低，節約了圖像的存儲成本和傳輸成本。

3)本發明由于使用快速梯度投影重建算法重建原圖像信號，不僅能精確、高效地重建出原圖像信號，而且此方法在傳統的優化算法后加入了去偏算法，這能進一步提高圖像重建的準確性。

4)本發明由于使用自適應TV去噪算法來去除重建過程中引入的人工痕跡，可在保證真實圖像信號不被影響的前提下大大地抵制由重建引起的人工痕跡。

附圖說明

圖1是本發明基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像系統結構框圖；

圖2是本發明基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像方法流程圖。

具體實施方式

以下將結合附圖，清楚、完整地描述本發明基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像系統的設置，用圖像重建算法進行處理、計算恢復出高分辨率圖像，并用自適應TV算法去除圖像人工痕跡的詳細過程。