[發明專利]一種基于模糊編碼的壓縮高光譜掩膜優化方法

有效

• 申請號: 201910712003.0
• 申請日: 2019-08-02
• 公開（公告）號: CN110501071B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 顏成鋼;呂彬彬;吳嘉敏;孫垚棋;張繼勇;張勇東
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發明公開了一種基于模糊編碼的壓縮高光譜掩膜優化方法。本發明通過控制掩膜與聚焦平面之間的距離來控制掩膜編碼的模糊程度，并將模糊程度進行量化，從而使用模糊導致灰度值變化之后的掩膜編碼代替理論上的原始掩膜編碼，使得重建時所用的編碼更加接近實際編碼。本發明只需通過系統的數值孔徑、物鏡焦距、光源波長、物鏡放大倍數等信息來估算系統點擴散函數分布情況，并且計算出不同離焦位置處的實際模糊編碼分布情況，使得投影矩陣最接近于實際數值，以實現投影矩陣的準確掌握，利于重建。仿真實驗結果表明，相比于通常使用的二值化掩膜，優化后的掩膜編碼更加接近于實際情況，重建圖像的信噪比與光譜準確度也明顯得到提高。

技術領域

本發明涉及高光譜成像技術與利用離焦對掩膜的影響進行光圈編碼，具體的說涉及應用壓縮高光譜成像時，提供一種基于離焦模糊掩膜的編碼方法。

背景技術

基于編碼光圈的快照式光譜成像技術，因其成像速度快，不需要犧牲時間分辨率，而適用于視頻處理與需要短曝光的場景。在本文中，主要針對于在傳感器前離焦平面放置掩膜實現壓縮高光譜成像的方法，進行進一步分析和討論。結合成像系統點擴散函數的相關知識以及離焦處卷積核對成像造成模糊，應用于壓縮感知等相關內容對于該實際問題實現掩膜的優化。

高光譜成像技術是一種新興技術，旨在獲得視場內物體的連續光譜信息，并且與傳統成像技術相結合，獲得視場內觀測物體的三維空間在二維平面的投影信息與其對應的一維光譜信息。因此，相比于傳統相機成像系統而言，如何在記錄二維投影信息的像素陣列中記錄三維數據立方體，是一個亟待解決的重要問題。快照成像的方法可以通過單次曝光捕獲完整的三維數據，這點在采集動態場景或者航拍時比掃描的方法具有明顯的優勢。為了實現這一目標，需要在光圈附近放置掩膜，對視場內光信號進行標記編碼，因此會部分犧牲像素分辨率?？煺粘上穹椒ǖ臉永ㄋ木S成像光譜儀(4DIS)以及計算斷層掃描成像光譜儀(CTIS)等。最近一種編碼光圈快照光譜儀(CASSI)通過應用計算壓縮重建來編碼光信號。這種計算成像方法能夠克服獲得的空間成像和光譜成像分辨率的折中。CASSI系統可以通過采集在壓電工作臺不斷翻轉的編碼掩膜對應的多次成像得到改進。一種更加靈活的選擇是利用數字微鏡器件(DMD)連拍光譜成像系統(DMD-SSI)。利用光學編碼對場景內物體拍攝原始圖像信息，視場內觀測物體將會被光學編碼進行灰度調制，通過壓縮計算重建數據的趨勢已經非常明顯，然而所有的壓縮光譜成像的方法編碼顏色時都基于空間均勻的假設，這本質上限制了帶有壓縮壓縮稀疏性約束的壓縮重建算法的質量。由于成像系統需要捕獲視場內觀測物體清晰的空間投影信息，因此像素平面所處位置將會是成像系統的聚焦平面，因此，在相機像素平面前放置掩膜實現空間不一致的調制的同時，光學掩膜所處位置無法與像素平面位置重合，因此基于壓縮感知的高光譜成像系統中，掩膜所處位置一定是離焦位置，在像素平面的投影將會因為離焦平面所對應點擴散函數的卷積效果而變得模糊。如何使得采集到的信息更加接近于真實情況，解決掩膜模糊而造成原始編碼改變的問題，是一個重要的研究方向。而對于壓縮高光譜成像而言，這一問題始終未曾被詳細研究過。所以我們在壓縮高光譜成像的基礎上，進一步利用線性系統近軸成像的相關知識，充分利用系統點擴散函數對近軸處成像的卷積效應，提出一種掩膜的優化算法，使得所用編碼數據與實際編碼數據更加接近，使得重建結果達到最好。為了驗證所提出優化算法的可行性，我們進行了一些仿真試驗來佐證和展示算法的優化效果。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：為了使得采集到的信息更加接近真實情況，需要一種評判離焦位置掩膜模糊程度的算法，并且以此為基礎，通過控制掩膜與聚焦平面之間的距離來控制掩膜編碼的模糊程度，并將模糊程度進行量化，從而使用模糊導致灰度值變化之后的掩膜編碼代替理論上的原始掩膜編碼，使得重建時所用的編碼更加接近實際編碼。

本發明掩膜為一個100×1的向量，并且按照列排序組成一個10×10掩膜塊，掩膜塊呈現周期排列，因此單一掩膜塊編碼的變化同時適用于所有的掩膜塊編碼。本算法應用于光譜相機成像系統中，與普通相機相比，光譜相機在原始像面位置上放置了一塊光柵來替代原有的像素陣列，光柵將場景的光譜信息映射到像面的不同角度的出射光線處，最終再重新匯聚在像素陣列上。本發明所采用的技術方案為：