CN103929577B - 基于压缩感知的紫外光与红外光成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压缩感知的紫外光与红外光成像系统和方法，主要解决现有紫外光与红外光成像装置成本高、图像配准性差的问题。其实现步骤是：利用成像镜头将目标景物成像到数字微镜器件上；数字微镜器件对其上光信号随机采样；光信号分离器将随机采样的光信号分离得到紫外光和红外光；单点紫外传感器与单点红外传感器分别对紫外光和红外光进行光电转换；模数转换器将光电转换的模拟电信号变换为数字电信号；最后计算机将数字电信号存储，并通过压缩感知的恢复方法计算得到数字紫外图像和数字红外图像。本发明装置利用两个单点传感器和一个数字微镜器件，替代价格昂贵的传感器阵列，减小了成本，增强了图形配准性，可用于目标的检测。

Description

基于压缩感知的紫外光与红外光成像系统和方法

技术领域

本发明属于图像信号处理领域，具体涉及一种基于压缩感知的紫外光与红外光成像系统和方法，可用于目标的检测。

背景技术

紫外光和红外光成像领域有着广阔的发展前景。传统的紫外光和红外光成像方法是利用成像镜头将目标景物分别成像到红外阵列传感器和紫外阵列传感器，然后通过模数变换得到数字红外图像和数字紫外图像。当前对紫外和红外频段进行多频段成像探测的需求不断提高，但是传统的紫外光和红外光成像存在以下问题：

(1)红外阵列传感器和紫外阵列传感器不仅成本高昂而且不易获得；

(2)阵列传感器受到阵列中探测元件一致性的影响会造成一定程度的成像失真；

(3)红外通路与紫外通路采用独立光路，成像结果的配准性差，后续处理难度较大。

近几年出现的压缩感知CS理论为解决上述问题提供了新的思路，它指出用远低于奈奎斯特采样定理要求的采样频率对原始稀疏信号采样时，可以正确恢复出原始稀疏信号，它将信号的采集和压缩合二为一。压缩感知CS理论的核心包括三个方面：信号的稀疏表示、信号的压缩测量和信号的恢复重构。对于一个长度为N的一维稀疏信号X，利用大小为M×N的测量矩阵Φ_M×N对一维稀疏信号X压缩测量，其中M＜N，可以得到测量结果Y，通过测量结果Y和测量矩阵Φ_M×N可以求解出欠定方程组Y＝ΦX，得到原始稀疏信号X。

目前将压缩感知CS理论应用于紫外光和红外光成像的研究还很少，浙江大学的专利申请201210417264.8公开了一种基于压缩感知的多光谱成像装置和方法，该装置主要利用两个空间调制器和一个单点传感器进行多光谱成像，与传统做法相比虽说可以降低成像成本，缩短部分测量时间，但是该装置存在两点不足，一是该装置使用两个空间调制器导致该装置结构比较复杂，使得计算量增大；二是该装置使用一个单点探测器，增加了光电转换的负担，减慢了成像速度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于压缩感知的紫外光与红外光成像系统和方法，以减小成像装置结构复杂度和计算量，提高紫外光和红外光成像的速度。

实现本发明目的的技术思路是：利用数字微镜器件对其上的入射光进行随机采样以减小整个过程的数据量，并通过单点探测器替代传感器阵列进行光电转换，最后利用压缩感知的恢复算法计算得到数字紫外图像和数字红外图像。

根据上述思路本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提出的基于压缩感知的紫外光和红外光成像系统，包括：

光信号采样装置，用于对入射光信号进行采样，得到采样的光信号；

光信号分离器，用于对采样的光信号进行光分离，得到紫外光信号和红外光信号；

光电转换装置，用于对光分离后的紫外光信号和红外光信号进行光电转换，得到对应的紫外光强模拟电信号和红外光强模拟电信号；

采集与计算模块，用于对紫外光强模拟电信号和红外光强模拟电信号进行模数变换，得到对应的紫外光强数字电信号和红外光强数字电信号，并存储这些数字电信号，通过计算得到数字紫外图像和数字红外图像；

其特征在于：

所述光信号采样装置，包含成像镜头和数字微镜器件，且数字微镜器件固定于成像镜头的成像位置；

所述光电转换装置，包含第一会聚透镜、第二会聚透镜、带紫外滤镜的单点紫外传感器、带红外滤镜的单点红外传感器；该第一会聚透镜固定在经过光信号分离器分离后的紫外光信号的光路上，该带紫外滤镜的单点紫外传感器固定在第一会聚透镜的焦点处，该第二会聚透镜固定在经过光信号分离器分离后的红外光信号的光路上，该带红外滤镜的单点红外传感器固定在第二会聚透镜的焦点处。

本发明提出的基于压缩感知的紫外光和红外光成像方法，包括如下步骤：

1)利用成像镜头将目标景物成像在由m×n个铝镜构成的数字微镜器件上，得到目标图像，其中m为数字微镜器件中横向铝镜的个数，n为数字微镜器件中纵向铝镜的个数；

2)利用数字微镜器件对目标图像的入射光进行一次随机采样，得到随机采样的光信号：

2a)构造M个互不相同二进制随机矩阵其中1≤i≤M，M为小于m×n的自然数，第i个二进制随机矩阵为：

其中b_ipq为第i个二进制随机矩阵中第p行，第q列的元素，1≤p≤m，1≤q≤n，且b_ipq的取值为0或者1；

2b)按照二进制随机矩阵中相应元素值的大小设定数字微镜器件内部对应位置铝镜的角度，当二进制随机矩阵中相应的元素值为1时，将数字微镜器件中对应位置的铝镜偏转+12°；当二进制随机矩阵中相应的元素为0时，将数字微镜器件中对应位置的铝镜偏转-12°；

2c)数字微镜器件内部偏转角度为-12°的铝镜将其上的入射光反射到吸收平面进行入射光吸收，数字微镜器件内部偏转角度为+12°的铝镜将其上的入射光反射到光信号分离器上，得到随机采样的光信号；

3)利用光信号分离器对随机采样的光信号进行色散，得到紫外光信号和红外光信号；

4)利用会聚透镜分别对色散分离的紫外光信号和红外光信号进行光强会聚，得到紫外光的总光强和红外光的总光强；

5)利用带紫外滤镜的单点紫外传感器对紫外光的总光强进行光电转换，得到对应的紫外光强模拟电信号；利用带红外滤镜的单点红外传感器对红外光的总光强进行光电转换，得到对应的红外光强模拟电信号；

6)分别对紫外光强模拟电信号和红外光强模拟电信号进行采样、量化，得到紫外光强数字电信号和红外光强数字电信号；

7)重复步骤2)－6)共M次，得到M维的紫外光强数字电信号测量值和M维的红外光强数字电信号测量值；

8)利用数字微镜器件随机采样时对应的二进制随机矩阵M维的紫外光强数字电信号测量值和M维的红外光强数字电信号测量值，按照压缩感知的恢复算法，计算得到数字紫外图像和数字红外图像，其中1≤i≤M。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明由于采用一个数字微镜器件、一个带紫外滤镜的单点紫外传感器和一个带红外滤镜的单点红外传感器，优化了紫外光与红成光成像装置的结构，减小了成像的成本；

第二，本发明由于利用相同的入射光得到不同的数字紫外图像和数字红外图像，增强了成像结果的配准性，便于后续的处理。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明中的数字微镜器件结构图；

图3为本发明方法的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，本发明基于压缩感知的紫外光与红外光成像系统，由成像镜头11、数字微镜器件12、光信号分离器2、第一会聚透镜34、第二会聚透镜35、带紫外滤镜的单点紫外传感器36、带红外滤镜的单点红外传感器37、第一模数变换器48、第二模数变换器49、数据存储计算单元410组成。所述光信号分离器2可选择棱镜或光栅；所述数字微镜器件12位于成像镜头11成像的位置；光信号分离器2位于数字微镜器件12反射的光路上；第一会聚透镜34位于光信号分离器2色散得到的紫外光信号的光路上；第二会聚透镜35位于光信号分离器2色散得到的红外光信号的光路上；带紫外滤镜的单点紫外传感器36位于第一会聚透镜34的焦点处；带红外滤镜的单点红外传感器37位于第二会聚透镜35的焦点处；第一模数变换器48与带紫外滤镜的单点紫外传感器36单向连接；第二模数变换器49与带红外滤镜的单点红外传感器37单向连接；数据存储计算单元410分别与第一模数变换器48和第二模数变换器49单向连接。

所述数字微镜器件12，其结构如图2。它主要包括基座，扭转铰链和数字微镜阵列，其中数字微镜阵列由横向铝镜和纵向铝镜组成。

本系统的工作原理如下：

成像镜头11根据镜头成像原理将目标景物成像到数字微镜器件12上，数字微镜器件12根据内部各个铝镜的不同状态，对成像得到的目标图像进行采样，并将采样得到的光信号反射给光信号分离器2，光信号分离器2根据不同波长的光在光信号分离器中折射率不同，对采样得到的光信号进行色散，并将色散得到的紫外光和红外光分别折射到第一会聚透镜34和第二会聚透镜35，第一会聚透镜34根据会聚透镜的聚焦原理，将色散得到的紫外光的光强会聚到带紫外滤镜的单点紫外传感器36上，第二会聚透镜35根据会聚透镜的聚焦原理，将色散得到的红外光的光强会聚到带红外滤镜的单点红外传感器37上，带紫外滤镜的单点紫外传感器36根据光的强度与电信号成正比关系，对光强会聚得到的紫外光的总光强进行光电转换，并将光电转换得到紫外光强模拟电信号传输给第一模数转换器48，带红外滤镜的单点红外传感器37根据光的强度与电信号成正比关系，对光强会聚得到的红外光的总光强进行光电转换，并将光电转换得到红外光强模拟电信号传输给第二模数转换器49，第一模数变换器48根据其对模拟信号采样、量化的过程，对紫外光强模拟电信号进行模数变换，并将模数变换得到的紫外光强数字电信号传输给数据存储计算单元410，第二模数变换器49根据其对模拟信号采样量化的过程，对红外光强模拟电信号进行模数变换，并将模数变换得到红外光强数字电信号传输给数据存储计算单元410，数据存储计算单元410对紫外光强数字电信号和红外光强数字电信号进行存储，并根据压缩感知的恢复算法，计算得到数字紫外图像和数字红外图像。

参照图3，本发明基于压缩感知的紫外光与红外光成像方法，包括如下步骤：

步骤1，设定数字微镜器件的状态。

1.1)选定一个由m×n个铝镜组成的数字微镜器件，m为数字微镜器件中横向铝镜的个数，n为数字微镜器件中纵向铝镜的个数；

1.2)确定总测量次数M，其中1＜M<m×n，

1.3)构造M个互不相同二进制随机矩阵用于设定数字微镜器件的状态，构造时选用随机数发生器或移位寄存器等，其中1≤i≤M，第i个二进制随机矩阵为：

其中b_ipq为第i个二进制随机矩阵中第p行，第q列的元素，1≤p≤m，1≤q≤n，且b_ipq的取值为0或者1；

1.4)按照二进制随机矩阵中相应元素值的大小设定组成数字微镜器件内部对应位置铝镜的角度，用于对其上入射光进行反射，其中1≤i≤M，当二进制随机矩阵中相应的元素值为1时，将数字微镜器件中对应位置的铝镜偏转+12°；当二进制随机矩阵中相应的元素为0时，将数字微镜器件中对应位置的铝镜偏转-12°。

步骤2，对光信号随机采样。

2.1)根据镜头的成像原理，利用成像镜头将目标景物成像到数字微镜器件上，得到目标图像；

2.2)数字微镜器件根据内部铝镜设定的状态，偏转角度为-12°的铝镜将其上目标图像入射光反射到吸收平面进行光吸收，偏转角度为+12°的铝镜将其上目标图像入射光反射到光信号分离器上，得到随机采样的光信号；

步骤3，光分离得到紫外光和红外光。

随机采样的光信号入射到光信号分离器，根据不同波长的光信号在光信号分离器中的折射率不同，光信号分离器对随机采样的光信号进行光分离，分离得到紫外光和红外光；

步骤4，对红外光和紫外光进行光电转换。

4.1)根据会聚透镜的聚焦原理，利用第一会聚透镜对光分离得到的紫外光进行光强会聚，得到紫外光的总光强，利用第二会聚透镜对光分离得到的红外光进行光强会聚，得到红外光的总光强；

4.2)利用带紫外滤镜的单点紫外传感器对紫外光的总光强进行光电转换，得到紫外光强模拟电信号，利用带红外滤镜的单点红外传感器对红外光的总光强进行光电转换，得到红外光强模拟电信号；

4.3)利用第一模数变换器对紫外光强模拟电信号进行采样和量化，利用第二模数变换器对红外光强模拟电信号进行采样和量化，分别将相应的模拟信号转换为对应的数字信号，得到紫外光强数字电信号y_1i和红外光强数字电信号y_2i，以便于数据存储计算单元存储和计算，其中1≤i≤M。

步骤5，模数转换、存储和计算，得到数字紫外光图像和数字红外光图像。

5.1)根据步骤1中确定的总观测次数M，重复步骤1—步骤4共M次，对目标图像进行M次观测后，得到M维的紫外光数字电信号测量值Y₁和M维的红外光数字电信号测量值Y₂，其中Y₁和Y₂分别为：

5.2)将M次观测对应的二进制随机矩阵按如下方式组合得到观测矩阵Φ：

其中b_ipq为第i个二进制随机矩阵中第p行，第q列的元素，1≤i≤M，1≤p≤m，1≤q≤n；所述紫外光数字电信号测量值Y₁、红外光数字电信号测量值Y₂和观测矩阵Φ满足：Y₁＝ΦX₁和Y₂＝ΦX₂，式中X₁为数字紫外图像的像素信息，X₂数字红外图像的像素信息；

5.3)按照压缩感知的恢复算法，例如贪婪算法和凸优化算法等，对欠定方程组Y₁＝ΦX₁和Y₂＝ΦX₂进行求解，计算得到对应的数字紫外图像的像素信息X₁和数字红外图像的像素信息X₂：

5.3a)将M维的紫外光数字电信号测量值Y₁和测量矩阵Φ带入方程组Y₁＝ΦX₁，得到：

按照压缩感知的恢复算法求解该方程组，得到：

X₁＝[a₁₁a₂₁…a_m1…a_jk…a_1na_2n…a_mn]^T，

其中a_jk为数字紫外图像的像素信息X₁中第j×k个元素，1≤j≤m，1≤k≤n；

5.3b)将M维的红外光数字电信号测量值Y₂和测量矩阵Φ带入方程组Y₂＝ΦX₂，得到：

按照压缩感知的恢复算法求解该方程组，得到：

X₂＝[c₁₁c₂₁…c_m1…c_jk…c_1nc_2n…c_mn]^T，

其中c_jk为数字紫外图像的像素信息X₂中第(k-1)×m+j个元素，1≤j≤m，1≤k≤n；

5.4)对数字紫外图像的像素信息X₁和数字红外图像的像素信息X₂分别按其坐标位置重新排列，得到数字紫外图像Fig1各点像素值和数字红外图像Fig2各点像素值：

其中a_jk和c_jk分别为数字紫外图像Fig1和数字红外图像Fig2第j行、第k列对应的图像像素值，1≤j≤m，1≤k≤n。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于压缩感知的紫外光与红外光成像系统，包括：

光信号采样装置(1)，用于对入射光信号进行采样，得到采样的光信号；

光信号分离器(2)，用于对采样的光信号进行光分离，得到紫外光信号和红外光信号；

光电转换装置(3)，用于对光分离后的紫外光信号和红外光信号进行光电转换，得到对应的紫外光强模拟电信号和红外光强模拟电信号；

采集与计算模块(4)，用于对紫外光强模拟电信号和红外光强模拟电信号进行模数变换，得到对应的紫外光强数字电信号和红外光强数字电信号，并存储这些数字电信号，通过压缩感知的恢复算法，计算得到数字紫外图像和数字红外图像；

其特征在于：

所述光信号采样装置(1)，包含成像镜头(11)和数字微镜器件(12)，且数字微镜器件(12)固定于成像镜头(11)的成像位置；

所述光电转换装置(3)，包含第一会聚透镜(34)、第二会聚透镜(35)、带紫外滤镜的单点紫外传感器(36)、带红外滤镜的单点红外传感器(37)；该第一会聚透镜(34)固定在经过光信号分离器(2)分离后的紫外光信号的光路上，该带紫外滤镜的单点紫外传感器(36)固定在第一会聚透镜(34)的焦点处，该第二会聚透镜(35)固定在经过光信号分离器(2)分离后的红外光信号的光路上，该带红外滤镜的单点红外传感器(37)固定在第二会聚透镜(35)的焦点处。

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的紫外光与红外光成像系统，其特征在于：光信号分离器(2)采用棱镜或光栅，并固定在光信号采样装置(1)采样得到的光信号光路上。

3.根据权利要求1所述的基于压缩感知的紫外光与红外光成像系统，其特征在于：采集与计算模块(4)，包含第一模数变换器(48)、第二模数变换器(49)、数据存储计算单元(410)；该第一模数变换器(48)固定在带紫外滤镜的单点紫外传感器(36)的后方，该第二模数变换器(49)固定在带红外滤镜的单点红外传感器(37)的后方，该数据存储计算单元(410)分别与第一模数变换器(48)和第二模数变换器(49)单向连接，第一模数变换器(48)和第二模数变换器(49)分别将其变换的结果传输给数据存储计算单元(410)，该数据存储计算单元(410)用于将变换的结果存储并通过计算得到数字紫外图像和数字红外图像。

4.一种基于压缩感知的紫外光与红外光成像方法，包括如下步骤：

1)利用成像镜头将目标景物成像在由m×n个铝镜构成的数字微镜器件上，得到目标图像，其中m为数字微镜器件中横向铝镜的个数，n为数字微镜器件中纵向铝镜的个数；

2)利用数字微镜器件对目标图像的入射光进行一次随机采样，得到随机采样的光信号：

2a)构造M个互不相同二进制随机矩阵其中1≤i≤M，M为小于m×n的自然数，第i个二进制随机矩阵为：

其中b_ipq为第i个二进制随机矩阵中第p行，第q列的元素，1≤p≤m，1≤q≤n，且b_ipq的取值为0或者1；

2b)按照二进制随机矩阵中相应元素值的大小设定数字微镜器件内部对应位置铝镜的角度，当二进制随机矩阵中相应的元素值为1时，将数字微镜器件中对应位置的铝镜偏转+12°；当二进制随机矩阵中相应的元素为0时，将数字微镜器件中对应位置的铝镜偏转-12°；

2c)数字微镜器件内部偏转角度为-12°的铝镜将其上的入射光反射到吸收平面进行入射光吸收，数字微镜器件内部偏转角度为+12°的铝镜将其上的入射光反射到光信号分离器上，得到随机采样的光信号；

3)利用光信号分离器对随机采样的光信号进行色散，得到紫外光信号和红外光信号；

4)利用会聚透镜分别对色散分离的紫外光信号和红外光信号进行光强会聚，得到紫外光的总光强和红外光的总光强；

5)利用带紫外滤镜的单点紫外传感器对紫外光的总光强进行光电转换，得到对应的紫外光强模拟电信号；利用带红外滤镜的单点红外传感器对红外光的总光强进行光电转换，得到对应的红外光强模拟电信号；

6)分别对紫外光强模拟电信号和红外光强模拟电信号进行采样、量化，得到紫外光强数字电信号和红外光强数字电信号；

7)重复步骤2)－6)共M次，得到M维的紫外光强数字电信号测量值和M维的红外光强数字电信号测量值；

8)利用数字微镜器件随机采样时对应的二进制随机矩阵M维的紫外光强数字电信号测量值和M维的红外光强数字电信号测量值，按照压缩感知的恢复算法，计算得到数字紫外图像和数字红外图像，其中1≤i≤M。

5.根据权利要求4所述的一种基于压缩感知的紫外光与红外光成像方法，其中步骤8)所述的按照压缩感知的恢复算法，计算得到数字紫外图像和数字红外图像，按照如下步骤进行：

8a)将M次随机采样的二进制随机矩阵按如下方式组合得到观测矩阵Φ：

其中b_ipq为第i个二进制随机矩阵中第p行，第q列的元素，1≤i≤M，1≤p≤m，1≤q≤n；

8b)设M维的紫外光强数字电信号测量值和M维的红外光强数字电信号测量值分别为Y₁和Y₂，且Y₁＝ΦX₁，Y₂＝ΦX₂，其中X₁和X₂分别为数字紫外图像的像素信息和数字红外图像的像素信息；

8c)按照压缩感知中求解欠定方程组的方法，分别求解欠定方程组Y₁＝ΦX₁和Y₂＝ΦX₂，得到数字紫外图像的像素信息X₁和数字红外图像的像素信息X₂；

8d)分别将数字紫外图像的像素信息X₁和数字红外图像的像素信息X₂按照其坐标位置重新排列，即得到对应的数字紫外图像和数字红外图像。