基於編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統的設計方法
2023-12-11 14:54:57
專利名稱：基於編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種基於編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統設計方法，可用於不同譜段的高解析度成像系統屬於光學成像領域。
背景技術：
隨著人們對圖像信息需求量的不斷增加，攜帶圖像信息的信號帶寬越來越寬。以Nyquist採樣定理為基礎的圖像信號處理框架就必然要求成像系統的採樣速率和處理速度與日劇增。更高解析度、更密集採樣、海量圖像信號的獲取和傳輸使得傳統成像系統無論 是硬體和算法方面都面臨著巨大的挑戰。為應對該問題，在實際應用過程中，人們常將DSP加入傳感器，用壓縮機制降低數據存儲、處理和傳輸的成本。但是從另一方面卻造成系統需要進行繁瑣的圖像域變換、係數排序以及編解碼工作，額外增加了傳感器的複雜度和成本。然而令人感到遺憾的是，高速採樣的結果換來的卻是，超過80%的非重要數據被拋棄。這種傳統的「高速採樣」再「壓縮」的成像模式浪費了大量的採樣資源。若能夠實現對圖像信息的同步壓縮採樣，在減少數據量的同時能夠攜帶原始圖像的完整信息，可避免傳統成像方式先採樣後壓縮的複雜數據處理和傳輸過程。從而極大程度地降低圖像信號的採樣頻率以及數據存儲和傳輸代價，顯著地降低成像系統的硬體成本。壓縮成像技術是在壓縮感知理論的基礎上迅速發展起來的嶄新科學研究方向。2006年，美國著名科學家Cand6s和Donoho在相關研究基礎上正式提出了壓縮感知理論。該理論突破了 Nyquist採樣定理瓶頸，認為對信號的採樣量不取決於信號的帶寬，而取決於信號的內部結構。如果信號是稀疏的或者在某個變換域內是稀疏的，那麼就可以用一個與變換基不相關並且滿足約束等距性的測量矩陣將高維信號投影至低維空間。通過求解最小O-範數優化問題從少量的投影測量中以高概率重構出原始信號。目前針對壓縮成像技術進行研究的主要單位有美國的Rice大學,Arizona大學、MIT、Duke大學以及瑞士聯邦理工學院等。2006年美國的Rice大學成功研製出單像素數位相機。其設計原理是通過光路系統將成像目標投影至數字微鏡器件上進行空間光調製，其反射光由透鏡聚焦到單個光敏二極體，光敏二極體兩端的電壓值即為一個測量值。將此投影操作重複多次，即可獲得多個觀測值。採用最小全變分圖像重構算法恢復出原始目標圖像。WL Chan等人提出基於單像素相機概念的太赫茲成像新方法，克服了現有太赫茲成像系統的缺點，能夠提供較高的處理速度和較強的探測能力。Arizona大學的Baheti和Neifeld等人對Rice大學開發的單像素相機進行了光路結構的改進，使其光學結構更加緊湊，光能利用率更加高效。德拉瓦大學的研究人員將單像素成像的思想應用於電子顯微鏡系統。然而，單像素壓縮成像系統是以串行的工作方式輸出壓縮採樣的圖像信號。其採用的是數字微鏡器件對成像目標進行空間光調製，需採樣投影多次，才能獲得重構出原始圖像所需的測量值，因此系統較為耗時。對於運動場景或視頻圖像的壓縮成像具有一定的局限性。MIT的freeman研究小組提出採用隨機反射鏡的壓縮成像方式。與傳統成像方式顯著不同之處在於，系統由平面反射鏡、隨意拼接的反射鏡片組和探測器構成。由於來自物體上每一點的光線都有可能經由隨機反光鏡片在探測器上成像，因此任意拼接的反光鏡片實際上是實現了隨機投影矩陣的功能。但是系統採用隨意拼接的鏡片實現對目標圖像的隨機測量，因此存在投影矩陣標定難的問題。Duke大學的研究小組提出採用編碼孔徑以並行的方式實現目標物體的壓縮成像。但是，由於該工作才初步展開，就孔徑的編碼模式，孔徑的尺寸大小以及編碼孔徑模板與壓縮圖像的恢復精度之間的關係均未進行深入的研究。此外，該壓縮成像系統的投影矩陣標定工作量巨大。大場景圖像的壓縮成像成為該系統的技術難點。
發明內容
本發明旨在克服現有壓縮成像系統成像時間過長，投影矩陣標定工作量大的問題。基於編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統採用視場光闌陣列實現對大場景的分塊處理，將整個光學系統分為若干具有相同形式與功能的子光學系統，編碼孔徑模板陣列對場景目標進行空間光調製，利用子孔徑拼接透鏡陣列實現大視場的光學系統成像，並採用編碼採樣模板陣列對系統產生的會聚光線進行隨機採樣，實現單次曝光的壓縮成像。系統易於加·工和檢測，可實現大視場、低解析度探測器的高解析度成像，可應用於不同譜段的高解析度光學成像。本發明的詳細內容如圖I所示，由視場光闌陣列1，編碼孔徑模板陣列2，子孔徑拼接透鏡陣列3，編碼採樣模板陣列4和探測器像面陣列5構成。視場光闌陣列I位於場景與編碼孔徑模板陣列2之間，編碼孔徑模板陣列2中的所有子模板都是採用特殊編碼方式的編碼孔徑光闌，子孔徑拼接透鏡陣列3是nXn個子孔徑拼接的正光焦度子透鏡，η為正實數，其子孔徑拼接透鏡陣列的結構如圖2所示，編碼採樣模板陣列4中所有子模板的編碼方式都為高斯隨機編碼方式，編碼採樣模板陣列4位於焦平面探測器陣列像面5的前端。本發明的工作原理為了使大視場範圍內的場景目標物體能夠在探測器像面陣列5上壓縮成像，系統採用編碼孔徑透鏡陣列的成像方式。設目標場景到子孔徑拼接陣列的距離為d，視場光闌陣列I的作用是完成對大場景的均等分塊，其位於場景與編碼孔徑模板陣列之間，設其到子孔徑拼接透鏡陣列的距離為t，編碼孔徑模板陣列2用於對場景目標進行空間光調製，將其緊貼子孔徑拼接陣列中的透鏡球面放置，場景目標經過編碼孔徑模板陣列2的空間光調製後照射到子孔徑拼接的透鏡陣列3上產生會聚的像，經過緊貼於探測器表面的編碼採樣模板陣列4的隨機採樣，最終在探測器像面陣列5上成像。其中，該光學系統是由若干具有相同形式與功能的子光學系統拼接構成，而每個子光學系統的光學結構的具體參數的確定可由幾何光學知識得到，按如下步驟可進行計算推導設h為子視場光闌半寬，hi為子透鏡的通光口徑半寬，hm為每一個分塊區域的垂直半寬，L為視場光闌陣列中子視場光闌的間距，Λ為子孔徑拼接透鏡陣列中子透鏡的間距，t為視場光闌陣列到子孔徑拼接陣列的距離，d為場景到子孔徑拼接陣列的距離，S為場景到視場光闌陣列的距離。首先確定視場光闌陣列中每一個視場光闌的半寬h，子孔徑拼接透鏡陣列中每一個子透鏡的通光口徑半寬Ii1及分塊場景半寬hm之間的關係。由圖4所示，可根據幾何知識得到如下式子
Δ MNG相似於Λ CDG可得
權利要求
1.基本編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統設計方法，其特徵在於採用視場光闌陣列來限制入射光線從而實現對大場景的分塊處理，具有特殊編碼形式的編碼孔徑模板陣列對來自場景的目標光線進行空間光調製，調製後的光線進入子孔徑拼接透鏡陣列產生會聚，會聚光線再經位於焦平面前端的編碼採樣模板陣列進行空間光線採樣，最終在探測器像面陣列上壓縮成像。
2.根據權利要求I所述的一種基於編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統設計方法，其特徵還在於，採用視場光闌陣列對場景進行分塊處理，從而將整個光學系統分成若干具有相同形式的子光學系統，進而實現大場景的拼接成像。
3.根據權利要求I所述的一種基於編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統設計方法，其特徵還在於，編碼孔徑模板陣列所包含的所有編碼孔徑模板的特殊編碼形式都採用循環編碼或託普利茲編碼。
4.根據權利要求I所述的一種基於編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統設計方法，其特徵還在於，子孔徑拼接透鏡陣列為nXn個具有正光焦度的子透鏡，η為正實數，其中子孔徑拼接透鏡陣列中的子透鏡都具有相同的規格，且每個子透鏡的通光口徑半寬Ii1，分塊場景 h V + h/J半寬hm、視場光闌陣列中每個視場光闌的半寬h大小滿足關係式:hm =^—t^，其中，t為視場光闌陣列到子孔徑拼接陣列的距離，d為場景到子孔徑拼接陣列的距離，s為場景到視場光闌陣列的距離。
5.根據權利要求I所述的一種基於編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統設計方法，其特徵還在於，位於焦平面前端的編碼採樣模板陣列中所包含的所有編碼採樣模板都採用隨機高斯編碼形式。
全文摘要
本發明為一種基於編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統設計方法。該發明包括視場光闌陣列、編碼孔徑模板陣列、子孔徑拼接透鏡陣列、編碼採樣模板陣列以及探測器像面陣列。視場光闌陣列實現對大場景的分塊處理，編碼孔徑模板陣列對來自場景目標的光線進行空間光調製，調製後的光線經過子孔徑拼接透鏡陣列產生光線會聚，會聚光線再經位於焦平面前端的編碼採樣模板陣列進行空間光線採樣，最終在探測器像面陣列上壓縮成像。基於編碼孔徑透鏡陣列的壓縮成像系統能夠對目標場景同步進行壓縮採樣，可大幅降低圖像信號的採樣頻率及數據存儲和傳輸代價，採用子孔徑透鏡陣列對大場景分塊成像可大幅降低測量矩陣所需要的存儲空間，大幅減少光學系統標定的工作量。
文檔編號H04N5/225GK102891956SQ20121035977
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者陳靖, 吳含笑 申請人:北京理工大學