CN104486538A - 一种基于压缩感知的大视场图像获取系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于压缩感知的大视场图像获取系统及其方法,它属于图像获取技术。它通过扩束准直系统将标靶图像输入到4f系统，在第一块傅立叶透镜的后焦面利用强度调制型空间光调制器对入射信号的频谱进行强度调制，并在第二块傅立叶透镜的后焦面对调制后的图像进行部分记录，导入计算机后进行通过凸优化进行重构。本发明的视场不受几何成像光学约束，可以采用成本更低的小型图像传感器实现大视场成像，简单易用，无需将其变成一维矩阵，因此对图像的采集过程所需时间更短。

Description

一种基于压缩感知的大视场图像获取系统及其方法

技术领域

本发明属于图像获取技术，特别是一种基于压缩感知的大视场图像获取系统及其方法。

背景技术

在传统的成像过程中，成像系统的视场往往由图像传感器的感光面积与光学系统的焦距共同决定。感光面积一定时，光学组件的焦距越长，成像系统的视场越小；反之，视场越大。光学组件的焦距一定时，感光面积越大，成像系统的视场越大；反之，视场越小。当图像传感器的感光面积与光学组件的焦距固定时，成像系统的视场唯一确定。

根据几何成像光学原理可知，成像系统视场角可以由以下公式计算得到:

上述两式中,分别表示成像系统的垂直方向视场角与水平方向视场角；分别表示图像传感器感光面垂直方向尺寸与水平方向尺寸；f表示光学组件焦距。

在传统的成像过程中，为了提高成像系统的视场，往往采用增大图像传感器感光面积或缩短光学组件焦距的方法，其本质是使得光学组件输出图像的尺寸与图像传感器感光面积相匹配。在大多数的应用中，图像传感器的感光面积往往固定不变，增加成像系统视场的途径只能采用缩短光学组件的焦距的方法，即缩小光学组件输出图像的尺寸从而增大成像系统的视场。由于光学组件输出图像的尺寸减小，带来成像系统空间分辨力下降，在特殊的工业、生物医学的场合实用性不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压缩感知的大视场图像获取系统及其方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于压缩感知的大视场图像获取系统，包括激光器、扩束镜、准直镜、第一傅立叶透镜、空间光调制器、第二傅立叶透镜、图像传感器和计算机，激光器的光输出端一侧依次放置扩束镜和准直镜，调校激光器的光输出端中心与扩束镜和准直镜的光学中心吻合，扩束镜与准直镜构成光学扩束准直模块，激光器输出激光经光学扩束准直模块形成面型准直平行面光源，该面光源中心作为光轴，在准直镜另一侧放置靶标，靶标的另一侧依次放置第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜，第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜的光学中心与光轴吻合，第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜构成4f频谱调制模块，在第二傅立叶透镜的另一侧放置图像传感器，图像传感器的感光面光学中心与光轴吻合，图像传感器采集的图像通过千兆网络接口与计算机连接，计算机通过VGA端口与空间光调制器的输入端口连接；激光器输出的激光经过光学扩束准直模块后入射到靶标，靶标形成的目标图像作为输入信号进入4f频谱调制模块，4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜对目标图像进行傅立叶频谱变换并由空间光调制器进行调制，在4f频谱调制模块中的第二傅立叶透镜的后焦面形成目标图像的倒像，图像传感器的感光面对4f频谱调制模块输出的目标图像的倒像进行采集，通过千兆网络接口传输到计算机，结合空间光调制器的随机强度调制矩阵与图像传感器采集得到的目标图像的倒像，通过求解凸规划问题还原得到目标图像。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）与基于几何成像光学的传统成像装置相比，本发明的视场不受几何成像光学约束，可以采用成本更低的小型图像传感器实现大视场成像，简单易用。（2）与基于强度调制的透过率调制的单像素相机相比，由于此方案直接对二维矩阵进行作用，无需将其变成一维矩阵，因此对图像的采集过程所需时间更短。（3）在图像传感器的感光面积与光学组件的焦距一定的条件下，利用压缩感知的方法构建稀疏采样矩阵，达到增大成像系统视场的目的。因为采用傅立叶成像光学组件，在像面大于传感器感光面积的条件下，通过压缩感知的采样模式，利用图像传感器记录得到的部分图像信息，重构得到完整图像信息的方法。（4）采用基于傅立叶变换矩阵的随机强度调制测量矩阵，这种测量矩阵与一个确定的图像表示基保持低相关度，可以实现压缩感知。这种方法的优点是可以通过光学4f系统实现压缩感知，可以应用于一般的成像系统，且强度调制的空间调制易于实现，实用性强。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于强度调制压缩感知实现大视场成像的流程图。

图2是本发明中大视场图像获取的示意图。

图3是本发明中4f频谱调制模块示意图。

图4是本发明中信号输入模块示意图。

图5是本发明中具体实施例示意图。

图6是本发明中具体实施例采用的强度调制矩阵，大小为64×64。

图7是本发明中具体实施例采用的实验标靶图片，大小为64×64。

图8是本发明中具体实施例图像传感器的采样结果，大小为30×64。

图9是本发明中具体实施例的图像重建示意图，大小为64×64。

具体实施方式

结合图3，本发明基于压缩感知的大视场图像获取系统，包括激光器1、扩束镜2、准直镜3、第一傅立叶透镜5、空间光调制器6、第二傅立叶透镜7、图像传感器8和计算机9，激光器1的光输出端一侧依次放置扩束镜2和准直镜3，调校激光器1的光输出端中心与扩束镜2和准直镜3的光学中心吻合，扩束镜2与准直镜3构成光学扩束准直模块，激光器1输出激光经光学扩束准直模块形成面型准直平行面光源，该面光源中心作为光轴，在准直镜3另一侧放置靶标4，靶标4的另一侧依次放置第一傅立叶透镜5、空间光调制器6与第二傅立叶透镜7，第一傅立叶透镜5、空间光调制器6与第二傅立叶透镜7的光学中心与光轴吻合，第一傅立叶透镜5、空间光调制器6与第二傅立叶透镜7构成4f频谱调制模块，在第二傅立叶透镜7的另一侧放置图像传感器8，图像传感器8的感光面光学中心与光轴吻合，图像传感器8采集的图像通过千兆网络接口与计算机9连接，计算机9通过VGA端口与空间光调制器的输入端口连接；激光器1输出的激光经过光学扩束准直模块后入射到靶标4，靶标4形成的目标图像作为输入信号进入4f频谱调制模块，4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜5对目标图像进行傅立叶频谱变换并由空间光调制器6进行调制，在4f频谱调制模块中的第二傅立叶透镜7的后焦面形成目标图像的倒像，图像传感器8的感光面对4f频谱调制模块输出的目标图像的倒像进行采集，通过千兆网络接口传输到计算机9，结合空间光调制器6的随机强度调制矩阵与图像传感器8采集得到的目标图像的倒像，通过求解凸规划问题还原得到目标图像。

其中，本发明基于压缩感知的大视场图像获取系统的扩束镜2与激光器1之间的距离大于扩束镜2的焦距，小于扩束镜2焦距的2-3倍，准直镜间3与扩束镜2的距离为扩束镜2焦距与准直镜3焦距之和。靶标4与准直镜3的距离大于准直镜3的焦距，小于准直镜3焦距的2-3倍。第一傅立叶透镜5与靶标4的距离大于第一傅立叶透镜5的焦距，小于第一傅立叶透镜5焦距的2-3倍，空间光调制器6与第一傅立叶透镜5的距离为第一傅立叶透镜5的焦距，第二傅立叶透镜7与空间光调制器6的距离为第二傅立叶透镜7的焦距。图像传感器8的感光面与第二傅立叶透镜7的距离为第二傅立叶透镜7的焦距。

本发明的扩束镜2可以采用平凸透镜。准直镜3采用焦距平凸透镜。第一傅立叶透镜5、第二傅立叶透镜7采用双凸傅立叶透镜。空间光调制器6选用振幅型空间光调制器。

本发明利用上述的基于压缩感知的大视场图像获取系统来实现大视场图像的获取，步骤如下：

1.1对光学扩束准直模块中的扩束镜与准直镜进行调校，使得扩束镜与准直镜的光学中心吻合，扩束镜与准直镜间的距离为扩束镜焦距与准直镜焦距之和；

1.2 对4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜进行调校，使得第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜的光学中心吻合，第一傅立叶透镜与第二傅立叶透镜间的距离为第一傅立叶透镜焦距与第二傅立叶透镜焦距之和，同时将空间光调制器放置于第一傅立叶透镜与第二傅立叶透镜间，空间光调制器距第一傅立叶透镜的距离为第一傅立叶透镜的焦距；

1.3 将光学扩束准直模块与4f频谱调制模块放置于同光轴光路中，4f频谱调制模块位于光学扩束准直模块中准直镜一侧，光学扩束准直模块中准直镜与4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜的距离大于光学扩束准直模块中准直镜焦距与4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜焦距之和，小于光学扩束准直模块中准直镜焦距与4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜焦距之和的2倍；

1.4 将激光器放置于光学扩束准直模块的扩束镜一侧，使得激光器的光输出端与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，激光器的光输出端截面与光学扩束准直模块中扩束镜间的距离大于光学扩束准直模块中扩束镜的焦距，小于光学扩束准直模块中扩束镜的焦距的2倍；

1.5 将靶标放置于光学扩束准直模块与4f频谱调制模块之间，靶标中心与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，靶标距光学扩束准直模块中准直镜的距离应大于光学准直模块中准直镜的焦距，靶标距4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜的距离应大于第一傅立叶透镜的焦距；

1.6 通过计算机产生随机强度调制矩阵并通过计算机的VGA输出端口连接至空间光调制器，由空间光调制器显示，该随机强度调制矩阵记为P’；

1.7 将图像传感器放置于4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜一侧，图像传感器的感光面中心与与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，图像传感器的感光面距4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜的距离为4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜的焦距；

1.8 图像传感器通过千兆网络接口与计算机连接，将图像传感器采集到的图像以矩阵形式存入计算机中作为测量值，记为y；

1.9 构造测量矩阵M=F*PF，P为P’的变换，F为傅立叶变换矩阵，F*为逆傅立叶变换矩阵；

1.10 重构图像为x，通过求解凸规划问题，完成对采样图像的还原，实现靶标图像重建。

实施例

结合图1和图5，本发明基于强度调制压缩感知的大视场成像方法，包括以下步骤：

1.1对光学扩束准直模块中的扩束镜2与准直镜3进行调校，使得扩束镜2与准直镜3的光学中心吻合，扩束镜2与准直镜3间的距离为扩束镜2焦距与准直镜3焦距之和，扩束镜2选择焦距为12.5mm平凸透镜，准直镜3选择焦距为500mm的平凸透镜，放大倍率可以达到40倍，扩束准直过程如图4所示；

1.2 对4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜进行调校，使得第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜的光学中心吻合，第一傅立叶透镜与第二傅立叶透镜间的距离为第一傅立叶透镜焦距与第二傅立叶透镜焦距之和，同时将空间光调制器放置于第一傅立叶透镜与第二傅立叶透镜间，空间光调制器距第一傅立叶透镜的距离为第一傅立叶透镜的焦距，第一傅立叶透镜5、第二傅立叶透镜7均选用焦距为300mm的双凸透镜，第一傅立叶透镜5与第二傅立叶透镜7的距离为600mm，空间光调制器6选用振幅型空间光调制器，空间光调制器6通过VGA端口与计算机连接，空间光调制器6与第一傅立叶透镜5透镜的距离为300mm；

1.3 将光学扩束准直模块与4f频谱调制模块放置于同光轴光路中，4f频谱调制模块位于光学扩束准直模块中准直镜3一侧，光学扩束准直模块中准直镜与4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜5的距离大于光学扩束准直模块中准直镜3焦距与4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜5焦距之和，小于光学扩束准直模块中准直镜3焦距与4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜5焦距之和的2倍；

1.4 将激光器1放置于光学扩束准直模块的扩束镜2一侧，使得激光器1的光输出端与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，激光器1的光输出端截面与光学扩束准直模块中扩束镜2间的距离大于光学扩束准直模块中扩束镜2的焦距，小于光学扩束准直模块中扩束镜2的焦距的2倍；

1.5 将靶标4放置于光学扩束准直模块与4f频谱调制模块之间，靶标中心与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，靶标距光学扩束准直模块中准直镜的距离应大于光学准直模块中准直镜的焦距，靶标距4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜的距离应大于第一傅立叶透镜的焦距，本发明实施例所用靶标如图7所示；

1.6 通过计算机9产生随机强度调制矩阵并通过计算机的VGA输出端口连接至空间光调制器6，由空间光调制器6显示，该随机强度调制矩阵记为P’；

1.7 将图像传感器8放置于4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜7一侧，图像传感器8的感光面中心与与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，图像传感器8的感光面距4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜7的距离为4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜7的焦距，本发明实施例图像传感器8采集的图像如图8所示；

1.8 图像传感器8通过千兆网络接口与计算机9连接，将图像传感器8采集到的图像以矩阵形式存入计算机9中作为测量值，记为y。

1.9 构造测量矩阵M=F*PF，P为P’的变换。F为傅立叶变换矩阵，F*为逆傅立叶变换矩阵。

目标图像由图像传感器8的感光面采集，可作为离散信号，设透过靶标之后图像为f(x,y)，经过傅立叶透镜之后，在其后焦面上得到f(x,y)的频谱F(u,v)，这个过程可以描述为离散傅立叶变换，如式(1)所示：

                       (1)

离散傅立叶变换可用矩阵形式来表示，如式(2)和式(3)所示：

                    (2)

                                                  (3)

式(2)中，T_F称为傅立叶变换矩阵。在第一个傅立叶透镜的后焦面上加入强度调制的空间光调制器，对频谱进行调制，变换结果如式(4)所示：

                          (4)

P矩阵表示空间光调制器的强度矩阵，其中。F_M为调制之后所得图像，作为第二块傅立叶透镜的输入信号在其前焦面输入，其后焦面信号如式(5)所示：

              (5)

                        (6)

式(5)中是傅立叶逆变换矩阵。由式(6)可知，在第二块傅立叶透镜的后焦面采集到的图像可以表示为y=Uf的形式，只需取U的一部分信息即完成了测量矩阵的构建，从而完成4f系统的成像结果采样，测量值符合压缩感知的一般求解形式，且。

图6是SLM的强度调制矩阵，生成方法如下：

式(6)是中P为对角矩阵，令待调制图像为Q：

通过P调制的结果为：

空间光调制器的调制方式为逐点调制，所以调制矩阵与图像做点乘运算。由P矩阵调制结果形式可知调制矩阵等效为：

P’即为图6 中的调制矩阵。

1.10 重构图像为x，通过求解凸规划问题，完成对采样图像的还原，实现靶标图像重建，本发明实施例图像重构的结果如图9所示。

结合图3，本发明工作流程为：激光器输出的激光经过光学扩束准直模块后入射到靶标，靶标形成的目标图像作为输入信号进入4f频谱调制模块，4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜对目标图像进行傅立叶频谱变换并由空间光调制器进行调制，在4f频谱调制模块中的第二傅立叶透镜的后焦面形成目标图像的倒像，图像传感器的感光面对4f频谱调制模块输出的目标图像的倒像进行采集，通过千兆网络接口传输到计算机，结合空间光调制器的随机强度调制矩阵与图像传感器采集得到的目标图像的倒像，通过求解凸规划问题还原得到目标图像。与传统成像系统不同，本发明中成像系统的视场不受几何成像光学约束，既采用感光面积较小的图像传感器感，对目标图像的倒像进行部分采集，就可以通过压缩感知重构方式得到完整的目标图像，实现大视场成像。

本发明基于压缩感知的大视场图像获取方法及其装置的扩束镜2采用焦距为12.5mm平凸透镜。本发明基于压缩感知的大视场图像获取方法及其装置的准直镜3采用焦距为500mm平凸透镜。本发明基于压缩感知的大视场图像获取方法及其装置的第一傅立叶透镜5、第二傅立叶透镜7采用焦距为300mm的双凸傅立叶透镜。本发明基于压缩感知的大视场图像获取方法及其装置的空间光调制器6选用振幅型空间光调制器，有效分辨率为1024×768。

Claims (6)

1.一种基于压缩感知的大视场图像获取系统，其特征在于包括激光器（1）、扩束镜（2）、准直镜（3）、第一傅立叶透镜（5）、空间光调制器（6）、第二傅立叶透镜（7）、图像传感器（8）和计算机（9），激光器（1）的光输出端一侧依次放置扩束镜（2）和准直镜（3），调校激光器（1）的光输出端中心与扩束镜（2）和准直镜（3）的光学中心吻合，扩束镜（2）与准直镜（3）构成光学扩束准直模块，激光器（1）输出激光经光学扩束准直模块形成面型准直平行面光源，该面光源中心作为光轴，在准直镜（3）另一侧放置靶标（4），靶标（4）的另一侧依次放置第一傅立叶透镜（5）、空间光调制器（6）与第二傅立叶透镜（7），第一傅立叶透镜（5）、空间光调制器（6）与第二傅立叶透镜（7）的光学中心与光轴吻合，第一傅立叶透镜（5）、空间光调制器（6）与第二傅立叶透镜（7）构成4f频谱调制模块，在第二傅立叶透镜（7）的另一侧放置图像传感器（8），图像传感器（8）的感光面光学中心与光轴吻合，图像传感器（8）采集的图像通过千兆网络接口与计算机（9）连接，计算机（9）通过VGA端口与空间光调制器的输入端口连接；激光器（1）输出的激光经过光学扩束准直模块后入射到靶标（4），靶标（4）形成的目标图像作为输入信号进入4f频谱调制模块，4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜（5）对目标图像进行傅立叶频谱变换并由空间光调制器（6）进行调制，在4f频谱调制模块中的第二傅立叶透镜（7）的后焦面形成目标图像的倒像，图像传感器（8）的感光面对4f频谱调制模块输出的目标图像的倒像进行采集，通过千兆网络接口传输到计算机（9），结合空间光调制器（6）的随机强度调制矩阵与图像传感器（8）采集得到的目标图像的倒像，通过求解凸规划问题还原得到目标图像。

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的大视场图像获取系统，其特征在于扩束镜（2）与激光器（1）之间的距离大于扩束镜（2）的焦距，小于扩束镜（2）焦距的2-3倍，准直镜间（3）与扩束镜（2）的距离为扩束镜（2）焦距与准直镜（3）焦距之和。

3.根据权利要求1所述的基于压缩感知的大视场图像获取系统，其特征在于靶标（4）与准直镜（3）的距离大于准直镜（3）的焦距，小于准直镜（3）焦距的2-3倍。

4.根据权利要求1所述的基于压缩感知的大视场图像获取系统，其特征在于第一傅立叶透镜（5）与靶标（4）的距离大于第一傅立叶透镜（5）的焦距，小于第一傅立叶透镜（5）焦距的2-3倍，空间光调制器（6）与第一傅立叶透镜（5）的距离为第一傅立叶透镜（5）的焦距，第二傅立叶透镜（7）与空间光调制器（6）的距离为第二傅立叶透镜（7）的焦距。

5.根据权利要求1所述的基于压缩感知的大视场图像获取系统，其特征在于图像传感器（8）的感光面与第二傅立叶透镜（7）的距离为第二傅立叶透镜（7）的焦距。

6.一种利用权利要求1所述的基于压缩感知的大视场图像获取系统实现大视场图像获取方法，包括以下步骤：

1.1对光学扩束准直模块中的扩束镜与准直镜进行调校，使得扩束镜与准直镜的光学中心吻合，扩束镜与准直镜间的距离为扩束镜焦距与准直镜焦距之和；

1.2 对4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜进行调校，使得第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜的光学中心吻合，第一傅立叶透镜与第二傅立叶透镜间的距离为第一傅立叶透镜焦距与第二傅立叶透镜焦距之和，同时将空间光调制器放置于第一傅立叶透镜与第二傅立叶透镜间，空间光调制器距第一傅立叶透镜的距离为第一傅立叶透镜的焦距；

1.3 将光学扩束准直模块与4f频谱调制模块放置于同光轴光路中，4f频谱调制模块位于光学扩束准直模块中准直镜一侧，光学扩束准直模块中准直镜与4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜的距离大于光学扩束准直模块中准直镜焦距与4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜焦距之和，小于光学扩束准直模块中准直镜焦距与4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜焦距之和的2-3倍；

1.4 将激光器放置于光学扩束准直模块的扩束镜一侧，使得激光器的光输出端与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，激光器的光输出端截面与光学扩束准直模块中扩束镜间的距离大于光学扩束准直模块中扩束镜的焦距，小于光学扩束准直模块中扩束镜的焦距的2-3倍；

1.5 将靶标放置于光学扩束准直模块与4f频谱调制模块之间，靶标中心与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，靶标距光学扩束准直模块中准直镜的距离应大于光学准直模块中准直镜的焦距，靶标距4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜的距离应大于第一傅立叶透镜的焦距；

1.6 通过计算机产生随机强度调制矩阵并通过计算机的VGA输出端口连接至空间光调制器，由空间光调制器显示，该随机强度调制矩阵记为P’；

1.7 将图像传感器放置于4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜一侧，图像传感器的感光面中心与与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，图像传感器的感光面距4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜的距离为4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜的焦距；

1.8 图像传感器通过千兆网络接口与计算机连接，将图像传感器采集到的图像以矩阵形式存入计算机中作为测量值，记为y；

1.9 构造测量矩阵M=F*PF，P为P’的变换，F为傅立叶变换矩阵，F*为逆傅立叶变换矩阵；

1.10 重构图像为x，通过求解凸规划问题，                                                完成对采样图像的还原，实现靶标图像重建。