[發明專利]一種基于壓縮感知的對象成像系統及其成像方法

有效

• 申請號: 201710402262.4
• 申請日: 2017-06-01
• 公開（公告）號: CN107121709B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 李軍;雷苗;戴曉芳;王尚媛;鐘婷
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G01V8/10
• 分類號: G01V8/10;G06T7/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 劉巧霞

1.一種基于壓縮感知的對象成像系統，其特征在于，包括依次連接的光源生成單元、濾波單元、圖像生成單元、圖像采集單元和圖像重構單元；

光源生成單元生成實驗激光；

濾波單元控制激光光強衰減、濾除高頻散射光、形成零級衍射光斑，然后控制衍射光斑形成平行光；

圖像生成單元生成物體圖像與特定測量矩陣疊加的實驗圖像；

圖像采集單元對實驗圖像進行壓縮采樣；

圖像重構單元對采樣數據進行重構恢復出物體圖像；

濾波單元包括與光路平行、依次布置的圓形可調衰減器、針孔濾波器和傅里葉透鏡；圓形可調衰減器控制激光光強衰減，衰減后的激光經過針孔濾波器濾除高頻散射光，而讓未經散射的零級光通過針孔形成零級衍射光斑，然后衍射光斑經過傅里葉透鏡形成平行光；

圖像生成單元包括與光路平行、依次布置的第一偏振片、加載特定測量矩陣的空間光調制器和第二偏振片；由濾波單元傳送過來的實驗光照射物體圖像，空間光調制器上加載特定測量矩陣，并實現物體圖像與特定測量矩陣的疊加，第一偏振片和第二偏振片分別置于空間光調制器前后使其處于純振幅狀態；

圖像采集單元包括與光路平行、依次布置的會聚透鏡和單光子探測器；會聚透鏡將圖像生成單元的實驗圖像數據會聚于一點，之后通過單光子探測器單點采集光信號并轉換為電信號。

2.根據權利要求1所述的基于壓縮感知的對象成像系統，其特征在于，光源生成單元包括激光器和可以反射改變其傳播方向的反射鏡。

3.根據權利要求1所述的基于壓縮感知的對象成像系統，其特征在于，圖像重構單元包括計算機。

4.一種基于權利要求1所述的系統的成像方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：利用激光光源發出實驗激光；

步驟S2：將實驗激光進行衰減處理，濾除高頻散射光后獲得零級衍射光斑，并調整衍射光斑為平行光；

步驟S3：將平行光照射在物體圖像上，透過加載特定測量矩陣的空間光調制器生成物體圖像和特定測量矩陣疊加的實驗圖像；

特定測量矩陣的計算方法是：建立包含特定目標物體圖像的樣本庫，利用主成分分析法訓練樣本圖像得到特定測量矩陣；

根據主成分分析方法，設有N張尺寸均為p×q像素的圖像訓練樣本集X，每個樣本由其像素灰度值組成一個向量X_i，由向量構成的訓練樣本集X＝{X₁,X₂,···,X_i,···,X_N}，首先計算訓練樣本集均值：

進一步對數據進行中心化：

對中心化后的數據求協方差矩陣：

將協方差矩陣R的特征值λ_i按照從大到小的順序排列，把前m個特征值相對應的特征向量u_i構成主成分矩陣U：

U＝[u₁,u₂,···,u_m]

這m個分量就提取了代表圖像主要信息的特征；

將其轉秩后作為特定測量矩陣，根據壓縮感知原理，經樣本庫訓練得到的特定測量矩陣表示為：

Φ＝U^T＝[φ₁,φ₂,···,φ_m]^T,φ_i＝u_i；

步驟S4：對實驗圖像進行壓縮采樣，圖像重構單元根據采樣數據重構出物體圖像；

采集實驗測量數據：單點采集光信號并轉換為電信號，輸出的電壓值表示為：

其中，x∈R^p×q，x表示物體圖像，表示特定測量矩陣的第n維，它實現對物體圖像x的第n次測量；

重復這個過程m次，可以得到的測量值Y為：

其中，Φ∈R^m×(p×q)是特定測量矩陣，Y∈R^m×1是測量值。

5.根據權利要求4所述的成像方法，其特征在于，步驟S4中，圖像重構單元包括數據篩選處理模塊和圖像重構處理模塊，數據篩選處理模塊用于將圖像采集單元采集的數據進行時域篩選和大小篩選得到準確的實驗數據；圖像重構處理模塊利用最小全變分優化算法重構出物體圖像。