CN104301634A - 基于随机采样的短波红外单像素相机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新的图像采集和处理思路，从少量采样测量值精确重构出原始图像，将传统数据采集与压缩合二为一，节省存储资源。其成像方法是利用数字微镜（DMD）和单点传感器先采集信号的非自适应线性投影，然后根据重构算法重构原始信号。本方案是一种具有很大潜在应用价值的新型拍摄方法，它突破了香农采样定理的瓶颈，单点传感解决了无法大面传感的困难；在航天遥感、导弹制导、水下探测、特定信号探测等领域应用前景广阔，使用灵敏度更高的探测器，可以探测更加微弱的信号。

Description

基于随机采样的短波红外单像素相机

技术领域

本发明属于短波红外波段中图像采集和处理领域，特别涉及一种基于随机采样的短波红外单像素相机。

背景技术

在实际应用中，人们采用高速采样对宽带信号进行处理。根据奈奎斯特采样定理，为了不丢失信号的信息，必须要以高于信号两倍带宽的采样频率进行采样。为了降低存储和传输的成本，又采用压缩方式以较少的数据比特数表示信号，大量的非重要的数据被抛弃，实际提供的信息数据只占实际采样数据的很少一部分。然后这些数据传输到期望的位置，再进行解压缩，复现信号的有用信息。 

近年来在国际信号处理领域新兴的压缩传感理论（compressive sensing简称CS理论），为我们提供了一种新的图像采集和处理思路。其核心思想是将压缩与采样合并进行，首先采集信号的非自适应线性投影（测量值），然后根据相应重构算法由测量值重构原始信号。压缩传感的优点在于信号的投影测量数据量远远小于传统采样方法所获的数据量，突破了香农采样定理的瓶颈，使得高分辨率信号的采集成为可能。

特定波段选用了短波红外，短波红外可提供可见光、微光夜视、中波、长波红外所不能提供的信息，图像有更好的动态范围，细节更清晰，可实现目标辨识和昼夜全天候目标监测；穿透雾霭、烟尘的能力强，可以在烟雾下看清目标细节。

传统的图像采集传输过程中，存在采集、存储资源的巨大浪费。将压缩传感理论应用于成像不仅有效的避免资源的浪费而且大大降低了系统成本和复杂度。与传统CCD和CMOS成像仪相比,单像素相机只需一个探测器，同时进行图像采集和压缩，大大降低了系统的规模、成本和复杂度，在航天遥感、导弹制导、水下探测、特定信号探测等领域应用前景广阔。使用灵敏度更高的探测器,可以探测更加微弱的信号。

发明内容

本发明提出一种基于随机采样的短波红外单像素相机，通过对稀疏信号进行观测，只需少量观测点就能精确的重构原始信号。基于压缩传感理论，采用 DMD数字微镜结合单点探测器，而非传统 CCD，进行数字成像，突破了传统数字成像系统的设计，建立了新型的成像系统；该发明选用短波红外波段，因为短波红外图像有很好的动态范围，成像细节更清晰，同时穿透能力强，可在恶劣环境中工作；该发明首先利用第一透镜组对短波红外场景入射光汇聚到DMD阵列上；第二透镜组将DMD阵列上的反射光线汇聚到单点传感器上；DMD阵列将从第一透镜组汇聚的光通过测量矩阵的微镜片把光线反射到第二透镜上；单点传感器接收DMD阵列反射的光线，将光信号转换为电信号；图像重建模块对从 A/D 接收的数字信号进行图像重建，具体为：选择DMD的测量矩阵，对数字信号进行稀疏表示，并求出稀疏表示中的过渡矩阵，对1范数求约束最小，从而得到重建的图像。

附图说明

图1是本发明的结构框图

图2是本发明的光路原理图

图3是本发明中压缩感知理论的框架图

图4是本发明的实验原始汉字“中”图

图5是本发明的实验原始汉字“国”图

图6是本发明的测量率为10%的汉字恢复“中”图

图7是本发明的测量率为10%的汉字恢复“国”图

图8是本发明的测量率为20%的汉字恢复“中”图

图9是本发明的测量率为20%的汉字恢复“国”图

图10是本发明的测量率为30%的汉字恢复“中”图

图11是本发明的测量率为30%的汉字恢复“国”图。

具体实施方式

本发明基于随机采样的短波红外单像素相机，具体步骤如下：

信号的稀疏表示：

长度为N的离散实值信号x，记为x(n)，n∈[1, 2, …, N]。由信号理论可知x能用一组基ψ，T＝[ψ1， ψ2,…, ψM]线性表示，则：x＝ψs，其中s为信号x的K稀疏表示，称ψ为信号x的稀疏基。

第一透镜组将场景入射光汇聚到DMD阵列上：

短波红外入射光通过第一透镜组，光线被汇聚在数字微镜设备（DMD阵列）上，将DMD阵列放置在第一透镜组所成像面上，对每个像素进行光路调制。

采用 TI 公司的 DMD 数字微镜作为测量矩阵，DMD数字微镜器件是一种被集成在寻址集成芯片上的快速数字光开关反射阵列，是由许多小型铝制反射镜面构成的。通过电寻址，可以控制DMD中每个微镜的旋转。微镜的旋转角度只有两种状态，为－12度和＋12度，分别为镜子的打开和关闭。其代表测量矩阵中的 1 和0。通过M次随机测量，形成的测量矩阵为m个随机测量模板，为φ(1)，φ(2)，…，φ(m)， Φ∈                                                ，模数转换器将单点探测器的测量值读出， 形成 M 个测量值 v(1)，v(2)，…，v(m)，则： 

offset

直流偏置电压 DC offset 为微镜旋转角度全部为－12°时，数模转换器的采样值。 

如果要精确重构K稀疏信号x，测量次数M（y的维数），必须满足M＝O(Klg(n))，并且矩阵φ必须满足约束等距性条件（restricted isometry property (RIP)）。

将需要获取像素的光能量往第二透镜组方向反射，由第二透镜组收集反射过来的光能量；第二透镜组将收集的光能量汇聚在单点传感器上，经过模数转换，由光电倍增管测得所选像素的总能量实现对整幅图像的采样测量；

信号重建：信号重构问题可以通过求解最小L0范数问题加以解决，两个非常重要的问题就是测量矩阵的设计和稀疏信号的重构。

Claims (4)

1.一种基于随机采样的短波红外单像素相机，其特征在于：包括第一透镜组、数字微镜设备（DMD阵列）、第二透镜组、单点传感器、数模转换器、恢复算法模块，其中第一透镜组将场景入射光汇聚到DMD阵列上；第二透镜组将DMD阵列上的反射光线汇聚到单点传感器上；DMD阵列将从第一透镜组汇聚的光通过测量矩阵的微镜片把光线反射到第二透镜上；单点传感器接收DMD阵列反射的光线，将光信号转换为电信号；图像重建模块对从 A/D 接收的数字信号进行图像重建，具体为：选择DMD的测量矩阵，对数字信号进行稀疏表示，并求出稀疏表示中的过渡矩阵，对1范数求约束最小，从而得到重建的图像；

    第一透镜组：将场景入射光汇聚到DMD 阵列上；

    数字微镜设备（DMD 阵列)：包括寻址集成芯片和测量矩阵的微镜片，将从第一透镜汇聚的光通过测量矩阵的微镜片把光线反射到第二透镜上；

    第二透镜组：将 DMD 阵列上的反射光线汇聚到单像素探测器上；

    单点传感器：接收 DMD阵列反射的光线，将光信号转换为电信号，输出给 A/D；

    模数转换器（A/D）：接收单像素探测器输出的电信号，进行模、数转换，将数字信号输出给图像重建模块；

    恢复算法模块：接收A/D输出的数字信号，对接收的数字信号进行图像重建，具体方法为：选择DMD的测量矩阵，对接收的数字信号进行稀疏表示，并求出稀疏表示中的过渡矩阵，对1范数求约束最小，从而得到重建的图像。

2.根据权利要求1所述的基于随机采样的短波红外单像素相机，其特征在于：基于压缩感知（CS）理论，突破了传统奈奎斯特采样定理；与传统的“先采样、后压缩”不同，CS理论是“边采样、边压缩”的方式，将CS应用于成像系统可以显著节省传感器数量，这种 “边采样、边压缩”的方式使得信号处理的技术负担从传感器转移到数据处理上。

3.根据权利要求1所述的基于随机采样的短波红外单像素相机，其特征在于：只有一个单元成像探测器，我们选用了滨松的铟镓砷PIN光电二极管（型号：G10899-003K），解决了无法实现大面传感的应用困难。

4.根据权利要求1所述的基于随机采样的短波红外单像素相机，其特征在于：特定波段选用了短波红外，短波红外可提供可见光、微光夜视、中波、长波红外所不能提供的信息，图像有更好的动态范围，细节更清晰，可实现目标辨识和昼夜全天候目标监测；穿透雾霭、烟尘的能力强，可以在烟雾下看清目标细节。