隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法及其裝置製造方法

2023-10-11 13:07:39

隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法及其裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法。本發明根據低維隨機高斯模板隨機壓縮圖像信號，對所述壓縮後獲得的隨機投影域信號進行隨機相位編碼，重構所述隨機相位編碼後獲得的壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像；本發明還公開了一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像裝置，通過本發明能夠在保證圖像重構質量的前提下，顯著提高紅外圖像的解析度。
【專利說明】隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法及其裝置

【技術領域】
[0001]本發明屬於紅外成像領域，具體涉及一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法及其裝置。

【背景技術】
[0002]隨著紅外成像系統在民用領域、軍事防禦領域中的廣泛應用，人們對紅外成像系統獲取高品質、高解析度紅外圖像的要求越來越高。但傳統的紅外成像系統因其受制於探測傳感器尺寸的大小而難以實現高解析度紅外成像。因此，在對紅外成像系統性能的提升上，研究獲取高解析度紅外圖像的成像方法成為一項具有重大意義的工作。
[0003]新興的壓縮採樣理論一壓縮感知(CS)理論打破了奈奎斯特採樣定律的局限，實現了只需少量的採樣數目就能完成信號的近似甚至精確重構。根據這一特點，將其應用於成像【技術領域】而形成的壓縮成像技術就是一項只需通過較少的探測傳感器的探測而獲取到高解析度圖像的新型成像技術。因其具有提高成像解析度，降低成像系統製造成本以及優化成像質量等一系列優勢而引起眾多專家學者的關注，已成為成像【技術領域】的一大研究執佔。
[0004]目前，在對通過編碼掩膜的方式獲取高解析度圖像的壓縮成像方法的研究上已取得一定的進展。2007 年，Stern 等人在文獻《Random project1ns imaging with extendedspace-bandwidth product)) (Journal of Display Technology, 2007, 3 (3):315-320)中提出了一種利用隨機相位編碼掩膜來實現對場景壓縮採樣的方法。從方法步驟角度講，該方法先通過傅立葉變換將信號變換到頻域，接著對信號頻譜相位進行編碼，之後再將信號變換回空域(時域)；從光學設計角度講，該設計包括兩個傅立葉變換透鏡和一個相位編碼模板，兩個透鏡分別完成信號在空域(時域)和頻域之間的正逆變換，相位編碼模板是對信號進行隨機相位的編碼。隨機相位編碼的目的是對信號的頻譜相位進行「白化」，在空域(時域)中表現為信號能量的均勻分散化，這就為後續壓縮採樣後精確重構原始場景提供了可能。需要指出的是相位編碼模板矩陣的維數是與探測器陣列維數或仿真圖像的維數相等的，也就是說相位編碼模板矩陣是一個高維的複雜矩陣。在文獻《物理可實現的相位編碼壓縮成像》(《電子學報》，2013年41卷(5期):P982-986，作者:張成，程鴻，張芬等)中就是採用隨機相位模板對圖像進行編碼，然後對編碼圖像作下採樣操作，最後通過重構算法恢復得到原始圖像，其設計的相位編碼模板矩陣維數等於仿真圖像的維數大小(如512X512)，在實際應用中應該是更大的，同時運算過程中涉及到高維矩陣的向量乘法，這些因素就要求成像系統具有穩定快速的運算能力和較大的存儲空間，必然導致其製造成本高，極大影響圖像重構的效率；在文獻《Random phase modulat1n and sparse sampling-basedoptical imaging system)) (Optical Engineering, 2010,49 (4):047002-1-047002-5)中提出一種隨機相位調製高解析度成像方法，該方法採用的相位編碼模板矩陣維數與原始圖像大小是相等的，為避免高維矩陣的向量乘積帶來運算上的複雜性，它將矩陣向量乘積修改為矩陣中對應元素的乘積，即矩陣點乘，之後通過「隨機稀疏採樣」模板進行壓縮採樣，得到壓縮後信號，再通過重構方法重構出原始高解析度圖像信號，此方法確實可有效節省計算時間和內存消耗，但其編碼矩陣以及採樣矩陣依然是高維的，在硬體設計上就需要採用較大型、高成本的編碼採樣模板，同時文中是採用矩陣點乘的形式對信號進行相位編碼的，所以在空域中並非表現為對信號的卷積處理。


【發明內容】

[0005]為解決現有存在的技術問題，本發明實施例提供一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法及其裝置，能夠在保證圖像重構質量的前提下，顯著提高紅外圖像的解析度。
[0006]為達到上述目的，本發明實施例的技術方案是這樣實現的:
[0007]本發明實施例提供一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法，其特徵在於，該方法包括:根據低維隨機高斯模板隨機壓縮圖像信號，對所述壓縮後獲得的隨機投影域信號進行隨機相位編碼，重構所述隨機相位編碼後獲得的壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像。
[0008]上述方案中，所述根據低維隨機高斯模板隨機壓縮圖像信號為:構建一個低維隨機空間，將所述低維隨機空間作為高維空域圖像信號的投影域；將圖像信息從空域場景變換到所述投影域內。
[0009]上述方案中，所述對所述壓縮後獲得的隨機投影域信號進行隨機相位編碼為:根據傅立葉變換將隨機投影域信號變換為頻譜信號；再根據低維相位編碼模板對所述頻譜信息進行隨機相位編碼調製；最後根據傅立葉逆變換將隨機相位編碼調製後的頻譜信號變換為隨機投影域信號。
[0010]上述方案中，所述重構所述隨機相位編碼後獲得的壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像為:根據公式mini I ψτχ| I1S.t.? = Fs PFRX if構所述壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像；其中，Ψ表不對/[目號進行稀疏變換的稀疏基，V1X表不稀疏表不後的稀疏係數，11 ψτχ| I1表示稀疏係數的I1範數f表示壓縮編碼的採樣信號。
[0011]本發明實施例還提供一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像裝置，其特徵在於，該裝置包括:壓縮單元、編碼單元、重構單元，其中，
[0012]所述壓縮單元，用於根據低維隨機高斯模板隨機壓縮圖像信號，發送所述壓縮後獲得的隨機投影域信號到編碼單元；
[0013]所述編碼單元，用於對接收到的所述隨機投影域信號進行隨機相位編碼，發送所述隨機相位編碼後獲得的壓縮編碼採樣信號到重構單元；
[0014]所述重構單元，用於重構接收到的所述壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像。
[0015]上述方案中，所述壓縮單元，具體用於構建一個低維隨機空間，將所述低維隨機空間作為高維空域圖像信號的投影域；將圖像信息從空域場景變換到所述投影域內。
[0016]上述方案中，所述編碼單元，具體用於根據傅立葉變換將隨機投影域信號變換為頻譜信號；再根據低維相位編碼模板對所述頻譜信號進行隨機相位編碼調製；最後根據傅立葉逆變換將隨機相位編碼調製後的頻譜信號變換為隨機投影域信號。
[0017]上述方案中，所述重構單元，具體用於根據公式mini | ΨΤΧ| I1S.t.Y = FsPFRX重構所述壓縮編碼採樣信號壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像；其中，V表示對信號進行稀疏變換的稀疏基，V1X表不稀疏表不後的稀疏係數，11 V1X11:表不稀疏係數的I1範數，
Γ表示壓縮編碼的採樣信號。
[0018]本發明提供一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法及其裝置，該方法包括:根據低維隨機高斯模板隨機壓縮圖像信號，對所述壓縮後獲得的隨機投影域信號進行隨機相位編碼，重構所述隨機相位編碼後獲得的壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像；通過本發明將圖像信號變換到隨機投影域，在保證信號信息基本完整的同時先完成對信號的壓縮，實現對高維信號的低維化；在低維隨機投影域內完成相位編碼，將信號能量隨機均勻分散，同時編碼模板小型化，運算過程相對簡單化，成像重構效率得到提升；根據成像的效果及評價指標，可靈活調節投影空間維度，使其具有對場景較好的適應性以及獲得更優的成像質量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發明提供的一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法的流程不意圖；
[0020]圖2為實驗I選取的原始紅外圖像；
[0021]圖3為通過本發明對圖2重構出的圖像；
[0022]圖4為實驗2選取的原始紅外圖像；
[0023]圖5為通過本發明對圖4重構出的圖像；
[0024]圖6為通過本發明方法的實驗I重構圖像的PSNR數值與投影率K/N的關係曲線圖；
[0025]圖7為通過本發明方法的實驗2重構圖像的PSNR數值與投影率K/N的關係曲線圖；
[0026]圖8為本發明提供的一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像裝置的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0028]本發明提供一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法，根據低維隨機高斯模板隨機壓縮圖像信號，對所述壓縮後獲得的隨機投影域信號進行隨機相位編碼，重構所述隨機相位編碼後獲得的壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像。
[0029]本發明實施例提供一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法，如圖1所示，通過以下步驟實現:
[0030]步驟101:根據低維隨機高斯模板隨機壓縮圖像信號。
[0031]具體的，構建一個低維隨機空間R，將所述低維隨機空間R作為高維空域圖像信號的投影域；將圖像信息從空域場景變換到所述投影域內。
[0032]數學上表達為:
[0033]Y = R.X
[0034]其中，X表示原始圖像信號,大小為NXN，R表示低維隨機空間,大小為KXN，Y表示隨機投影域信號，即隨機域中的圖像信號。
[0035]所述低維隨機空間R是通過randn函數產生的服從高斯分布的隨機矩陣。
[0036]步驟102:對所述壓縮後獲得的隨機投影域信號進行隨機相位編碼。
[0037]具體的，實現對隨機投影域信號進行隨機相位編碼的過程為:
[0038]步驟201:根據傅立葉變換將隨機投影域信號變換為頻譜信號；
[0039]根據矩陣形式表達:
[0040]Y1 = F.Y
[0041]其中，F表示大小為KXK的離散傅立葉變換矩陣，其具體形式為:

【權利要求】
1.一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法，其特徵在於，該方法包括:根據低維隨機高斯模板隨機壓縮圖像信號，對所述壓縮後獲得的隨機投影域信號進行隨機相位編碼，重構所述隨機相位編碼後獲得的壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像。
2.根據權利要求1所述的隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法，其特徵在於，所述根據低維隨機高斯模板隨機壓縮圖像信號為:構建一個低維隨機空間，將所述低維隨機空間作為高維空域圖像信號的投影域；將圖像信息從空域場景變換到所述投影域內。
3.根據權利要求1或2所述的隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法，其特徵在於，所述對所述壓縮後獲得的隨機投影域信號進行隨機相位編碼為:根據傅立葉變換將隨機投影域信號變換為頻譜信號；再根據低維相位編碼模板對所述頻譜信息進行隨機相位編碼調製；最後根據傅立葉逆變換將隨機相位編碼調製後的頻譜信號變換為隨機投影域信號。
4.根據權利要求3所述的隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像方法，其特徵在於，所述重構所述隨機相位編碼後獲得的壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像為:根據公式min| I ΨΤΧ| |lS.t.Y = FtPFRX S構所述壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像；其中，ψ表不對/[目號進行稀疏變換的稀疏基，V1X表不稀疏表不後的稀疏係數，11 ψτχ| I i表不稀疏係數的I1範數，f表示壓縮編碼的採樣信號。
5.一種隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像裝置，其特徵在於，該裝置包括:壓縮單元、編碼單元、重構單元，其中， 所述壓縮單元，用於根據低維隨機高斯模板隨機壓縮圖像信號，發送所述壓縮後獲得的隨機投影域信號到編碼單元； 所述編碼單元，用於對接收到的所述隨機投影域信號進行隨機相位編碼，發送所述隨機相位編碼後獲得的壓縮編碼採樣信號到重構單元； 所述重構單元，用於重構接收到的所述壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像。
6.根據權利要求5所述的隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像裝置，其特徵在於，所述壓縮單元，具體用於構建一個低維隨機空間，將所述低維隨機空間作為高維空域圖像信號的投影域；將圖像信息從空域場景變換到所述投影域內。
7.根據權利要求5或6所述的隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像裝置，其特徵在於，所述編碼單元，具體用於根據傅立葉變換將隨機投影域信號變換為頻譜信號；再根據低維相位編碼模板對所述頻譜信號進行隨機相位編碼調製；最後根據傅立葉逆變換將隨機相位編碼調製後的頻譜信號變換為隨機投影域信號。
8.根據權利要求7所述的隨機投影域下相位編碼的紅外高解析度成像裝置，其特徵在於，所述重構單元，具體用於根據公式min| I ΨΤΧ| |lS.t.Y ^ PFRX重構所述壓縮編碼採樣信號壓縮編碼採樣信號，獲得原始紅外圖像；其中，V表示對信號進行稀疏變換的稀疏基，ψ 1X表示稀疏表示後的稀疏係數，11 ψτχ| I1表示稀疏係數的I1範數，Y表示壓縮編碼的採樣信號。
【文檔編號】H04N19/154GK104185026SQ201410452761
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】秦翰林, 曾慶傑, 延翔, 宗靖國, 李佳, 周慧鑫, 韓姣姣, 呂恩龍, 王炳健, 楊智傑 申請人:西安電子科技大學