[發明專利]基于全色和壓縮光譜成像的圖像超分辨率系統及方法

在審

• 申請號: 201510496793.5
• 申請日: 2015-08-13
• 公開（公告）號: CN105021280A
• 公開（公告）日: 2015-11-04
• 發明（設計）人: 劉丹華;耿學文;李超;陳超;高大化;石光明
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;黎漢華

技術領域

本發明屬于圖像處理技術領域，特別涉及一種利用壓縮光譜成像方法實現圖像超分辨率重構的技術，可用于地理遙感、氣象觀測、災害預防等領域中超分辨圖像的獲取。

背景技術

傳統成像的空間分辨率取決于探測器陣列密度，為提高圖像的空間分辨率而增加探測器陣列密度的代價是非常巨大的。由于圖像除了空間信息還有光譜信息，圖像的光譜信息是由相同場景下不同譜段的圖像組成，其中包含空間維信息和光譜維信息。光譜圖像空間位置的光譜維信息對于表明場景中被觀測物體的組成及結構有重大意義。如何利用圖像的光譜信息實現圖像的超分辨率重構，是一個亟待解決的問題。

2006年由E.J.Candes、J.Romberg、T.Tao和D.L.Donoho等人提出的壓縮感知CS理論為解決上述問題帶來了新的希望。該理論指出，在信號獲取的同時就對數據進行適當的壓縮。相比于傳統的信號獲取和處理過程，在壓縮感知理論框架下，采樣速率不再決定于信號的帶寬，而是決定于信號中信息的結構與內容，這使得傳感器的采樣和計算成本大大降低，而信號恢復過程是一個優化重構的過程。

設被采樣信號X的長度為N，稀疏變換基為Ψ,即被采樣信號X在稀疏變換基Ψ上的表示是稀疏的。壓縮感知理論的數學模型要求設計一個與稀疏變換基Ψ不相關的M×N維的觀測矩陣Φ，其中M＜N，通過觀測矩陣Φ與被采樣信號X相乘得到較低維數的觀測數據Y：

Y＝ΦX，

通過求解l₁范數下的優化問題來重構原始信號X，其數學表示為：

min||Ψ^TX||₁s.t.Y＝ΦX，

根據上述理論，美國杜克大學的學者M.E.Gehm，R.Johm等設計并提出了CASSICoded?Aperture?Snapshot?Spectral?Imager系統，利用隨機編碼模板和色散元件，實現對光譜圖像的觀測，最后通過壓縮感知理論重構出原始圖像。

發明內容

本發明的目的在于針對現有面陣探測器空間分辨率低和現有圖像超分辨率系統重構質量差這一問題，提出了一種基于全色和壓縮光譜成像的圖像超分辨率系統及方法，以增加圖像的空間分辨率和提高圖像重構質量。

本發明的技術方案是這樣完成的：

本發明借鑒M.E.Gehm，R.Johm等人提出的CASSI系統，在原有編碼觀測基礎上增加全色觀測，重構超分辨率的圖像。

一.基于全色和壓縮光譜成像的圖像超分辨率系統，包括分束器、兩個物鏡、編碼模板、兩個帶通濾波器、中繼透鏡組、雙阿西奇棱鏡、兩個陣列傳感器和圖像重構處理器；分束器位于兩個物鏡的前端，作為分光器件；第一物鏡，編碼模板，第一帶通濾波器，中繼透鏡組，雙阿米奇棱鏡，第一探測面陣依次相連，構成第一光路通道C₁，其特征在于：

第二物鏡，第二帶通濾波器，第二探測面陣依次相連，構成第二光路通道C₂，獲得用于修正超分辨率重構圖像的全色光譜信息；

編碼模板，采用隨機編碼方式，其碼元分為1和0，1表示透光，0表示不透光，且碼元數量是第一探測面陣像素數量的2-9倍，使得第一面陣探測器中的一個探測單元能獲得編碼模板中2-9個碼元的通光量，為超分辨率重構提供更多的光譜空間信息。

二.基于全色和壓縮光譜成像的圖像超分辨率方法，包括以下步驟：

(1)通過分束器將原始圖像的光譜信息X分成能量相同的兩束光束x₁₀和x₂₀，并分別進入第一光路通道C₁和第二光路通道C₂；

(2)獲取第一光路通道C₁的壓縮光譜觀測圖像X₁：

(2a)在第一光路通道C₁內通過第一物鏡對進入通道內的光束進行聚焦成像，獲得光譜圖像x₁₁；

(2b)對光譜圖像x₁₁進行隨機編碼，即將光譜圖像上的每一位置上的光束隨機遮擋，被遮擋的位置編碼為0，未遮擋的位置編碼為1，得到編碼后的光譜圖像x₁₂；

(2c)對編碼后的光譜圖像x₁₂進行光譜維濾波，濾除需要重構的光譜帶寬以外的光譜圖像的能量，得到濾波后的編碼光譜圖像x₁₃；