[發(fā)明專利]一種基于液晶屏光調(diào)制的圖像采樣方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410131479.2
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN103871387A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹章;徐立軍;周家怡;魏天嘯
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G09G3/36
• 分類號: G09G3/36
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

（一）技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及將壓縮傳感理論應(yīng)用于圖像采集的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種將液晶屏作為觀測矩陣的物理實現(xiàn)方式的新型壓縮采樣方法。

（二）背景技術(shù)

傳統(tǒng)的信號采集以奈奎斯特采樣定理為基礎(chǔ)，在獲取信號時，采樣頻率必須大于信號中最高頻率的兩倍，才能精確重構(gòu)信號。但是隨著科技的迅速發(fā)展，高分辨率的數(shù)碼設(shè)備采樣產(chǎn)生了龐大的數(shù)據(jù)，如何更高效地處理這些數(shù)據(jù)并最大限度地節(jié)省存儲和傳輸成本是一大難題，給信號處理能力提出了更高要求，也給相應(yīng)的硬件設(shè)備帶來了極大挑戰(zhàn)。實際上，傳統(tǒng)采樣得到的大部分數(shù)據(jù)是不重要的，在信號或圖像的處理過程中，只保留某些重要的數(shù)據(jù)，舍棄大量的冗余數(shù)據(jù)，重構(gòu)后的信號或圖像并不會引起視覺上的差異。由于采集到的數(shù)據(jù)大部分都是不重要的，可以被丟棄，那么可以直接采集那部分重要的、最后沒有被丟棄的數(shù)據(jù)，并且能夠精確地重構(gòu)原始信號或圖像，這便是壓縮傳感理論的思想。

壓縮傳感理論是由Candés和Donoho在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上于2006年正式提出的。其核心思想是將壓縮與采樣合并進行。首先采集信號的非自適應(yīng)線性投影（測量值），然后根據(jù)相應(yīng)重構(gòu)算法由測量值重構(gòu)原始信號。壓縮傳感的優(yōu)點在于信號的投影測量數(shù)據(jù)量遠遠小于傳統(tǒng)采樣方法所獲的數(shù)據(jù)量，并且能夠抑制隨機噪聲。該原理先壓縮采樣，將被測信號由高維向低維映射并對其進行采樣，選取合適的稀疏表示基Ψ，使得原始信號f經(jīng)Ψ變換所得向量x是稀疏的。然后根據(jù)觀測數(shù)據(jù)y、觀測矩陣Φ和稀疏表示基Ψ，選取特定算法求解y=ΦΨx，最后由f=Ψx反演出原始信號f。

自壓縮傳感提出以來，學者們在光學成像領(lǐng)域?qū)ζ溟_展了廣泛的應(yīng)用研究。如顆粒粒度測量、單像素相機、超薄成像系統(tǒng)、多路技術(shù)智能成像、多光譜成像、CMOS低數(shù)據(jù)率成像、核磁共振成像、天文觀測等。例如，專利（編號：201210058483.1）“光子計數(shù)壓縮采樣相控陣激光三維成像方法”用液晶光學相控陣調(diào)制照明激光，按照壓縮采樣所用的測量矩陣照射目標，由蓋革模式雪崩光電二極管（APD）接收目標回波信號和時間相關(guān)單光子計數(shù)器隨時間變換返回的光子數(shù)，最后通過壓縮采樣恢復(fù)算法重構(gòu)三維圖像。上述專利中涉及測量矩陣僅實現(xiàn)對發(fā)射端的信號的調(diào)制，并未考慮接收端信號的壓縮傳感實現(xiàn)方式。

液晶屏以液晶材料為基本組件，在兩塊平行玻璃板之間填充液晶材料，通過電壓來改變液晶材料內(nèi)部分子的排列狀況，以達到遮光和透光的目的，來顯示深淺不一，錯落有致的圖像。而且只要在兩塊平板間再加上三元色的濾光層，就可實現(xiàn)顯示彩色圖像。液晶屏功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設(shè)備。

本發(fā)明采用去掉背光的單色可調(diào)灰度的液晶屏。液晶屏的每個像素相當于一個光開關(guān)，液晶屏驅(qū)動電路控制液晶的扭轉(zhuǎn)，以改變其透光率，使光線有選擇地透過液晶屏。通過液晶屏的透光率變化，物理上實現(xiàn)一個可編程的觀測矩陣。

（三）發(fā)明內(nèi)容

如何將壓縮感知成功運用到光學成像中，關(guān)鍵是如何正確地獲取圖像的壓縮采樣。從各成像方法上看，除了CMOS成像外，其余都涉及到了編碼模式。編碼模式大多數(shù)都是靠光學系統(tǒng)實現(xiàn)，一旦掩膜制作完成，其編碼模式也就固定，無法改變。像數(shù)字微鏡陣列（Digital?Mirror?Device，DMD）這種具有可編程性的編碼實現(xiàn)方式，雖然靈活方便，但將其運用到成像系統(tǒng)會增加光路的復(fù)雜性，影響系統(tǒng)可靠性。而且，DMD只能實現(xiàn)二進制的觀測矩陣。

本發(fā)明提出一種新的壓縮采樣方式，采用液晶屏作為觀測矩陣Φ的物理實現(xiàn)方式。

所用元件包括：液晶屏、液晶屏驅(qū)動控制電路、傅里葉透鏡、光電二極管。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：所測物體發(fā)出的光經(jīng)光學成像部件成像在液晶屏上。液晶屏的每個像素相當于一個光開關(guān)，液晶屏驅(qū)動電路控制液晶的扭轉(zhuǎn)，以改變其透光率，使光線有選擇地透過液晶屏。通過液晶屏的透光率變化，物理上實現(xiàn)一個可編程的觀測矩陣。透過液晶屏的光線射入傅里葉透鏡。光電二極管在透鏡焦點處接收光強，通過對光強積分，得到的結(jié)果相當于壓縮傳感理論中的觀測值y。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：具有類似DMD元件的可編程性。而且，由于光線是透過液晶屏而不是經(jīng)DMD元件反射后進入透鏡，故可將系統(tǒng)各元件放置于一條光軸上，即可直接將傅里葉透鏡放置于液晶屏背面。這樣透鏡焦距的選擇便不再受光線反射角度的限制，降低了光路的復(fù)雜度。同時，克服了DMD只能實現(xiàn)二進制觀測矩陣的缺點。并且液晶屏的價格較為低廉，降低了成像系統(tǒng)的成本。

（四）附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。