[發(fā)明專利]基于全通單模板互補采樣的光譜相機及成像方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610188152.8
• 申請日: 2016-03-29
• 公開（公告）號: CN105758524A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉丹華;陳超;高大化;牛毅;李超;耿學(xué)文;石光明;林耀海
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02;G01N21/01
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 韋全生;王品華

1.一種基于全通單模板互補采樣的光譜相機，包括依次排列的透鏡組(1)、編碼模塊(2)、觀測模塊(3)和圖像重構(gòu)模塊(4)，所述編碼模塊(2)包括編碼模板；其特征在于，編碼模板采用由多個透射陣元和反射陣元隨機組合的面陣結(jié)構(gòu)，且與光譜圖像的透射方向成銳角，用于對光譜圖像的透射信息和反射信息分別進行隨機采樣，得到編碼的光譜圖像的透射信息和與之互補的反射信息；所述觀測模塊(3)包括透射觀測模塊(31)和反射觀測模塊(32)，且該兩個觀測模塊(31，32)分別位于編碼模板的后方和下方，用于對已編碼的光譜圖像進行透射觀測和反射觀測。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通單模板互補采樣的光譜相機，其特征在于，所述編碼模板與光譜圖像的透射方向所成銳角為45度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通單模板互補采樣的光譜相機，其特征在于，所述透射觀測模塊(31)包括依次設(shè)置的第一色散棱鏡(311)和第一面陣檢測器(312)，其中，第一色散棱鏡(311)用于對已編碼的光譜圖像透射信息進行色散；第一面陣檢測器(312)用于對經(jīng)過色散的光譜圖像進行觀測，獲得混疊的觀測圖像。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通單模板互補采樣的光譜相機，其特征在于，所述反射觀測模塊(32)包括依次設(shè)置的第二色散棱鏡(321)和第二面陣檢測器(322)，其中，第二色散棱鏡(321)用于對已編碼的光譜圖像反射信息進行色散；第二面陣檢測器(322)用于對經(jīng)過色散的光譜圖像進行觀測，獲得混疊的觀測圖像。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通單模板互補采樣的光譜相機，其特征在于，所述透射觀測模塊(31)和反射觀測模塊(32)，分別位于編碼模板的正后方和正下方。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通單模板互補采樣的光譜相機的成像方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)對原始光譜圖像進行觀測，具體步驟為：

(1a)設(shè)原始光譜圖像矩陣為f₀，其大小為M×N×L，其中M×N為光譜圖像空間分辨率，L為光譜圖像的光譜分辨率；

(1b)設(shè)矩陣f₀中任意一點的光譜信息為f₀(m,n,k)，其中m和n表示空間維坐標(biāo)，k表示光譜維坐標(biāo)，且0≤m≤M-1，0≤n≤N-1，0≤k≤K-1；

(1c)利用編碼函數(shù)T(m,n)對經(jīng)過編碼模板的透射和反射的光譜圖像分別進行編碼，得到編碼的透射信息和反射信息分別為f₁₁(m,n,k)和f₂₁(m,n,k)，且該兩個信息互補，即：

f₁₁(m,n,k)＝f₀(m,n,k)T(m,n)，

f₂₁(m,n,k)＝f₀(m,n,k)(1-T(m,n))

其中，編碼函數(shù)T(m,n)隨機取0或1；

(1d)分別將已編碼的透射信息f₁₁(m,n,k)和反射信息f₂₁(m,n,k)中的第k個譜段的信息平移k個像素，即將第k個譜段第m行的信息平移到第m-k行，得到色散之后的透射信息f₁₂(m,n,k)和反射信息f₂₂(m,n,k)，分別表示為：

f₁₂(m,n,k)＝f₁₁(m-k,n,k)＝f₀(m-k,n,k)T(m-k,n)，

f₂₂(m,n,k)＝f₂₁(m-k,n,k)＝f₀(m-k,n,k)(1-T(m-k,n))

(1e)對色散后的透射信息f₁₂(m,n,k)和反射信息f₂₂(m,n,k)同時進行曝光，得到透射信息的觀測結(jié)果y₁(m,n)和反射信息的觀測結(jié)果y₂(m,n)：

y1(m,n)=Σkf12(m,n,k)=Σk=0L-1f0(m-k,n,k)T(m-k,n),]]>

y2(m,n)=Σkf22(m,n,k)=Σk=0L-1f0(m-k,n,k)(1-T(m-k,n))]]>

上述對原始光譜圖像矩陣f₀的觀測過程可以歸納為：

Y＝Hf₀，

其中，Y＝{y₁(m,n),y₂(m,n)}為觀測圖像，H為線性算子，表示系統(tǒng)的混疊觀測模型，f₀為原始光譜圖像；

(2)對已觀測的光譜圖像進行重構(gòu)，具體步驟為：

(2a)將得到的觀測圖像Y傳遞給圖像重構(gòu)模塊；

(2b)令稀疏基Ψ為DCT基或傅里葉基，使得光譜圖像在稀疏基Ψ下是稀疏的；

(2c)圖像重構(gòu)模塊根據(jù)觀測圖像Y和稀疏基Ψ，利用非線性優(yōu)化方法重構(gòu)出原始光譜圖像f₀。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于全通單模板互補采樣的光譜相機的成像方法，其特征在于，步驟(2c)所述的利用非線性優(yōu)化方法重構(gòu)原始圖像，按如下步驟進行：

(2c1)設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為min(||Ψ^Tf₀||₁)，其中T表示矩陣轉(zhuǎn)置，||·||₁表示對投影系數(shù)Ψ^Tf₀取l₁范數(shù)，min(·)表示取l₁范數(shù)的最小值；

(2c2)將觀測圖像矩陣Y＝Hf₀作為約束條件；

(2c3)聯(lián)立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件，得出滿足約束條件Y＝Hf₀，并且使||Ψ^Tf₀||₁最小的f₀，即為原始光譜信息f₀。