CN105761212A - 基于dmd编码的哈达码变换高灵敏成像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DMD编码的哈达码变换高灵敏成像的方法。基于探测器噪声独立于信号，且每次测量噪声也相互独立的假设，分析了在哈达码编码成像与经典成像中，噪声对图像信噪比的影响。推导出编码成像的信噪比提升与编码模板长度有关，为经典成像信噪比的倍。同时本发明采用分区编码的方式，减小了高分辨率图像的编码时间。实验结果表明，与经典成像方式相比，采用分区编码的哈达码变换成像方法明显的提高了图像的信噪比，同时可以在高分辨率图像条件下，缩短编码时间。

Description

基于DMD编码的哈达码变换高灵敏成像的方法

技术领域

本发明属于弱信号探测技术领域，具体涉及一种基于DMD(数字微镜设备)编码的哈达码变换高灵敏成像的方法。

背景技术

微弱光电子成像极大的扩展了人眼的视觉范围，对微弱光信号的探测一直是天文观察、导弹预警(或告警)、卫星侦察、分子生物学、核物理等领域研究热点。

研究当前的微弱光成像方式主要是利用探测器单元对场景进行离散采样，在一定的积分时间内将光信号转换为电信号，单个探测器单元只对单一的场景单元探测。研究的重点与热点均在探测器光敏材料上，通过提高探测像元的灵敏度，降低暗电噪声来增强成像质量，但是这样的研制周期长，同时还有多方面的限制，在当前探测器探测水平的基础上研究一种新的成像方式有着积极现实的意义。

文献一(HadamardTransformOptics[M].MartinHarwit,NeilJ.A.Sloane)系统的阐述了HadamardTransform理论，并严格证明了该理论对弱信号探测的可行性。

文献二(A.Wuttig,R.Riesenberg.SensitiveHadamardtransformimagingspectrometerwithasimpleMEMS.ProceedingsofSPIE,Vol.48812003)是HadamardTransform理论在光谱仪领域应用的成功范例，也是该理论应用最多的地方。实践证明HadamardTransform理论的多通道探测优势，极大的提高了对弱信号探测的信噪比。但是该理论在直视成像领域的应用还未有具体的操作方法。

发明内容

本发明提出一种基于DMD编码的哈达码变换高灵敏成像的方法，目的在于弥补因探测器性能的限制，而无法实现对弱信号的有效探测。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于DMD编码的哈达码变换高灵敏成像的方法，包括以下步骤：

步骤一：确定编码长度l值，哈达码一维编码模板长度l＝4m+3,m＝0,1,2……，其中m为自然数；

步骤二：确定单一二维编码模板分辨率l+1＝i×j，其中i,j为编码模板的行和列；

步骤三：确定编码图像分辨率M×N＝k²×(i×j),k＝1,2,3……，其中M＝k×i，N＝k×j；

步骤四：采集编码图像光信号，左移步骤一中的一维编码模板，重复l次步骤二、三、四；

步骤五：对步骤四中采集的l个编码图像光信号进行哈达码逆变换处理，重建场景图像。

与现有技术相比，其显著优点：(1)可获取高信噪比图像；(2)解决了探测器非均匀性问题。

附图说明

图1是本发明方法系统框图。

图2是本发明方法中系统流程图。

图3是本发明方法中数字微镜原理图。

图4是本发明方法中DMD编码示意图。

图5是本发明方法中编码成像示意图。

图6是本发明方法中微光场景原图和常规直视成像图。

图7是本发明方法中微光场景图像不同编码复原对比图。

图8是本发明方法中红外场景原图和常规直视成像图。

图9是本发明方法中红外场景图像不同编码复原对比图。

图10是本发明方法中CT场景原图和常规直视成像图。

图11是本发明方法中CT场景图像不同编码复原对比图。

具体实施方式

本发明提出一种新的成像方式，利用哈达码变换具有多通道探测的优势，以DMD实现对空间像元的调制，采集相应数量的编码图像，最后重建出原始图像。同时采用编码的方式实现了采集时间与编码图像分辨率的最优化。利用这一成像方法有效的降低了对探测器的要求，相对的提高了探测灵敏度。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

哈达码变换(HadamardTransformHT)是统计学中的称量设计在光学中的应用。n个物体，分组称量所得各物体的重量，比一个一个单独称出的重量要准确。因此，如采用n个HT模板对试样信号进行调制，可得到个调制的信号，用检测器检测每一个调制信号的量值，n次测量后则可以通过HT把n次测得的调制信号还原成试样的信号。在常规测量中，检测器在每一时间间隔里只检测一个分辨单元的信号强度，而哈达码变换多通道检测技术在同一时间里却可以同时检测多个分辨单元里组合信号的总强度。在相同的实验条件下，经哈达码变换后，信噪比可提高倍。

结合图1，本发明提出了一种基于DMD编码的哈达码变换高灵敏成像的方法。该方法以HadamardTransform理论为基础。具体的实施方式如下：首先利用望远物镜将场景会聚到DMD(数字微镜)，DMD在编码矩阵的驱动下对场景进行编码，准直物镜将编码后的反射光线准直，最后利用高倍率的成像物镜获取编码图像，采集相应数量的编码图像，利用Hadamard理论图像恢复算法复原场景图像。

DMD控制原理：DMD控制的目的是增大编码图像的分辨率的同时缩短成像时间。哈达码变换(HT)实现对图像的编码采集，首先将一维变换模板折叠成二维矩阵模板，折叠矩阵的大小决定了图像编码模板的大小，DMD像元尺寸是一定的，因此折叠矩阵的大小同时制约着编码图像的分辨率。以1023的编码长度为例，那么它折叠形成的二维矩阵为32×32(多出来的一个像元以0编码代替)，实际上就是不编码。

如果这样的分辨率在某些场合不满足实际使用要求，本发明提供了一种控制方案，控制的过程如图3。首先根据使用要求和场合选择合适长度的编码，按照编码的长度设定的合适的长宽比，将一维编码折叠成二维矩阵编码。哈达码变化(HT)一维编码长度为素数，需要添加一位编码，使其可以实现二维矩阵。添加的编码在图像重建时，可利用相邻像素值求平均代替，其结果不影响整体图像质量。利用设定好的二维矩阵，首尾交替编码，就可以实现高分辨率的图像编码。

由图3可知折叠后的二维编码模板分辨率为Φ＝[M×m,N×n]，(m,n)为单个模板的分辨率。望远物镜将场景投影在DMD编码区域，编码模板中白色像元表示状态“1”，将光线反射进入成像光路。由于采用多个模板组合的方式，因此需要对DMD反射的光线进行准直，利用高倍率的成像物镜或者是低分辨率大像元的探测器(目的都是为了实现编码像元的会聚)，充分实现多通道测量的优势。按照一维编码模板的长度，采集对应数量的编码图像，最后重建图像。

采用控制的多编码模板成像有别于单一模板的哈达码成像。主要的区别在于信噪比提高的计算上。采用单一模板的成像，编码图像由成像透镜汇聚成一点投影在探测器上，由哈达码理论知识可得，一维模板折叠前长度为n，则信噪比可提高倍。采用多模板成像时，探测器获取的图像不能为单点，应该是每一个模板对应一个点，否则将无法重建图像。图3中Φ＝[M×m,N×n]，理论上应该获取Θ＝[M,N]个点，这时候也就是编码模板的低分辨率表示，这时候信噪比提高依然是理论值

图像重建步骤：

根据DMD控制成像过程如图4，建立图像复原模型。利用探测器获取L(一维模板的长度)幅编码图像，取出每幅图像中对应的像素y₁(i,j),y₂(i,j),…y_l(i,j)，令y(i,j)＝[y₁(i,j),y₂(i,j)…y_l(i,j)]，哈达码变化矩阵为Ψ_l*l，求逆可得x(i,j)＝Ψ^-1×y^T，为图3中单一模板所对应的编码区域，以此类推可以恢复原图像。由此可见本发明方法是利用增加采样时间和重构端的计算复杂度来实现高灵敏的成像。其效果可参见图5-11，实验结果表明，与经典成像方式相比，采用分区编码的哈达码变换成像方法明显的提高了图像的信噪比，同时可以在高分辨率图像条件下，缩短编码时间。

Claims (4)

1.一种基于DMD编码的哈达码变换高灵敏成像的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：确定编码长度l值，哈达码一维编码模板长度l＝4m+3,m＝0,1,2……，其中m为自然数；

步骤二：确定单一二维编码模板分辨率l+1＝i×j，其中i,j为编码模板的行和列；步骤三：确定编码图像分辨率M×N＝k²×(i×j),k＝1,2,3……，其中M＝k×i，N＝k×j；

步骤四：采集编码图像光信号，左移步骤一中的一维编码模板，重复l次步骤二、三、四；

步骤五：对步骤四中采集的l个编码图像光信号进行哈达码逆变换处理，重建场景图像。

2.如权利要求1中所述的基于DMD编码的哈达码变换高灵敏成像的方法，其特征在于：步骤一中所述确定编码长度l值时，要求编码重建后的图像信噪比为高信噪比。

3.如权利1中所述的基于DMD编码的哈达码变换高灵敏成像的方法，其特征在于：步骤二中所述确定单一二维编码模板分辨率的具体的方法为：将一维编码模板长度加1，再将加1后的一维编码模板折叠成二维的矩阵。

4.如权利要求1中所述的基于DMD编码的哈达码变换高灵敏成像的方法，其特征在于：步骤三中所述确定编码图像分辨率的具体方法为：对步骤二中的单一二维编码模板进行拼接，将k²个单一二维编码模板拼接成一个k×k的编码模板，k值决定编码图像分辨率的大小。