CN106679808B - 基于压缩光谱的关联成像系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压缩光谱的关联成像系统及其方法，装置包括光源、LCD调制系统、投影镜头、汇集透镜、单像素探测器、数据采集系统和计算机。本发明方法通过融合关联成像、随机采样和欠采样信息复原技术，实现由单个单像素探测器对物体进行同时多光谱成像，系统结构简单，降低了多光谱关联成像系统的复杂性，可以减少系统采集数据量，提高系统多光谱信息成像效率，在目标探测、识别和追踪等领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及关联成像领域，具体是一种基于压缩光谱的关联成像系统及其方法。
背景技术
关联成像又称为“鬼成像”、量子成像等，其广泛应用于遥感、生物医学以及国防等领域，近些年来获得了很多科研学者的关注与研究。计算关联成像与传统关联成像的不同点在于，使用计算机预置随机散斑来替代传统关联成像中的参考臂(即由面阵探测器获取相关光强分布信息)，通过计算机预置的散斑信息与单像素探测器采集的光强信息进行关联运算来获取目标物体的像。传统多光谱关联成像系统基本上采用多个单像素探测器加多滤光片的方式来对目标物体进行测量实现对物体的多光谱成像。本发明提出了一种新的系统方案，且系统结构简单，不使用滤光片，采用单个单像素探测器来实现对物体的多光谱成像。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于压缩光谱的关联成像系统及其方法，相较于传统采用多个单像素探测器加多滤光片的设计方案，本系统结构简单，数据量小，具有较高的成像效率。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
基于压缩光谱的关联成像系统，其特征在于：包括有依次放置的光源、LCD调制系统、投影镜头、汇聚透镜、单像素探测器，单像素探测器的信号输出端连接数据采集系统的信号输入端，数据采集系统的信号输出端连接计算机，计算机与LCD调制系统控制连接；光源发光，经LCD调制系统上产生三色混合照明散斑，经投影镜头对场景进行照射，场景反射光经汇聚透镜到达单像素探测器上，然后经数据采集系统进行数据采集，最后计算机对数据保存和处理。
所述的基于压缩光谱的关联成像系统及其方法，其特征在于：所述的LCD系统具有透射红、绿、蓝混合光的功能，能够对透过混合光模式进行控制，实现对光谱的压缩，用于对物体进行照明。
所述的基于压缩光谱的关联成像系统及其方法，其特征在于：所述的汇聚透镜用于对物体反射或者透射的光进行汇聚。
所述的基于压缩光谱的关联成像系统及其方法，其特征在于：所述的单个单像素探测器用于对汇聚光进行光电转换。
所述的基于压缩光谱的关联成像系统及其方法，其特征在于：所述的数据采集系统用于对单像素探测器的电信号进行模拟-数字转换。
所述的基于压缩光谱的关联成像系统及其方法，其特征在于：所述的计算机用于预制产生随机散斑，并加载到LCD调制系统中，利用光源照射LCD调制系统并使用投影镜头实现对物体照明；通过数据采集系统采集并保存物体反射或者透射的探测信号。
基于压缩光谱的关联成像方法，其主要步骤为：
1)通过预制产生三个RGB颜色的编码矩阵，分别表示为具有0，1的矩阵AR，AG和AB。三个光谱压缩矩阵具有如下性质：
其中，上式中字母下标表示三个颜色信息，I表示全1的矩阵；
2)利用计算机产生随机照明散斑，假设第j个随机散斑Bj用于产生RGB随机压缩照明散斑，则RGB三个颜色通道的随机压缩照明散斑表示为：
利用计算机把产生的RGB三个颜色的随机压缩散斑进行整合得到三色混合照明散斑，并加载到LCD系统中。利用产生的系列三色混合随机压缩散斑对物体进行照明；
3)目标物体反射或透射的信号经汇聚透镜，汇聚到单像素探测器上，单像素探测器输出的电信号经数据采集系统进行模拟—数字转换。假设第j次照明时物体反射或透射信号的采集过程用如下数学形式表达：
Sj＝∑(CR*BR,j*TR+CG*BG,j*TG+CB*BB,j*TB), (3)
其中，Sj表示探测器探测到的强度信息，TR，TG和TB表示物体在不同波段下的反射率或透射率信息，C是系统在不同波段下的修正系数，由探测器在不同波段下具有不同的响应等因素造成。修正系数可以用系统进行RGB三个单独颜色照明下的探测器响应值进行标定来获取。利用公式(2)可以进一步对上式进行改写为：
Sj＝∑Bj*T, (4)
其中，T＝CR*AR*TR+CG*AG*TG+CB*AB*TB表示物体在不同波段下的反射率或透射率信息的编码采样混合形式。利用系列三色混合随机压缩散斑对物体进行照明，并探测采集相应的强度信息，利用已知的信息进行关联运算或者相应算法获取物体信息T；
4)利用上述步骤获取的物体信息T进行运算得到不同波段下的物体编码采样信息。利用编码矩阵AR，AG和AB对T进行点乘运算可得：
对上式进一步进行简化为
其中，YR＝AR*T,YG＝AG*T,YB＝AB*T为已知量，AR、AG和AB为已知光谱压缩矩阵，XR＝CR*TR,XG＝CG*TG,XB＝CB*TB为未知的表征物体在不同波段下的完整信息；
5)利用已知量并采用压缩感知算法对等式(6)进行求解，可以获取物体在不同波段下的完整信息。至此实现了对物体的多光谱成像，对不同波段下的完整物体信息进行组合就可以得到表征物体的彩色图像信息。
本发明与现有技术相比优点如下：
1、结构简单，成本低，本方法应用于多光谱计算关联成像中，只需要一个单像素探测器即可实现对物体的多光谱成像；
2、成像效率高，本系统只需要一个单像素探测器来对物体进行多光谱成像，采集数据量以及计算量都会降低，能够提高物体的多光谱成像速度。
显然，本领域的技术人员可以通过对本发明所涉及的多光谱关联成像系统和方法进行改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，如果这些修改和变动属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些修改和变型在内。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为利用本发明方法进行成像的结果。
图2中，实验结果：A1)原始场景，B1)，编码采样混合信息，C1)复原彩色图像，第二行和第三行分别表示场景在R，G，B三个谱段下的随机采样和复原完整信息。
具体实施方式
如图1所示，基于压缩光谱的关联成像系统及其方法，其装置包括光源1、LCD调制系统2、投影镜头3、汇聚透镜4、单像素探测器5、数据采集系统6和计算机7；
光源1发光，经LCD调制系统2上产生三色混合照明散斑经投影镜头3对场景进行照射，场景反射光经汇聚透镜4到达单像素探测器5上，然后经数据采集系统6进行数据采集，最后计算机7对数据保存和处理。
首先，通过预制产生三个RGB颜色的编码矩阵，分别表示为具有0，1的矩阵AR，AG和AB。三个光谱压缩矩阵具有如下性质：
其中，上式中字母下标表示三个颜色信息，I表示全1的矩阵；
然后，利用计算机产生随机照明散斑，假设第j个随机散斑Bj用于产生RGB随机压缩照明散斑，则RGB三个颜色通道的随机压缩照明散斑表示为：
利用计算机把产生的RGB三个颜色的随机压缩散斑进行整合得到三色混合照明散斑，并加载到LCD系统中。利用产生的系列三色混合随机压缩散斑对物体进行照明。
目标物体反射或透射的信号经汇聚透镜，汇聚到单像素探测器上，单像素探测器输出的电信号经数据采集系统进行模拟-数字转换。假设第j次照明时物体反射或透射信号的采集过程用如下数学形式表达：
Sj＝∑(CR*BR,j*TR+CG*BG,j*TG+CB*BB,j*TB), (3)
其中，Sj表示探测器探测到的强度信息，TR，TG和TB表示物体在不同波段下的反射率或透射率信息，C是系统在不同波段下的修正系数，由探测器在不同波段下具有不同的响应等因素造成。修正系数可以用系统进行RGB三个单独颜色照明下的探测器响应值进行标定来获取。利用公式(2)可以进一步对上式进行改写为：
Sj＝∑Bj*T, (4)
其中，T＝CR*AR*TR+CG*AG*TG+CB*AB*TB表示物体在不同波段下的反射率或透射率信息的编码采样混合形式。利用系列三色混合压缩散斑对物体进行照明，并探测采集相应的强度信息，利用已知的信息进行关联运算或者相应算法获取物体信息T，利用系统进行成像实验，相应的结果如图2第一行第B列所示；
然后，利用上述步骤获取的物体编码采样混合信息T进行运算得到不同波段下的物体编码采样信息。利用编码矩阵AR，AG和AB对T进行点乘运算可得：
对上式进一步进行简化为
其中，YR＝AR*T,YG＝AG*T,YB＝AB*T为已知量，其实验结果如图2第二行所示，AR、AG和AB为已知光谱压缩矩阵，XR＝CR*TR,XG＝CG*TG,XB＝CB*TB为未知的表征物体在不同波段下的完整信息。
最后，利用已知量并采用压缩感知算法对等式(6)进行求解，可以获取物体在不同波段下的完整信息，其实验结果如图2第三行所示。至此实现了对物体的多光谱成像，对不同波段下的完整物体信息进行组合就可以得到表征物体的彩色图像信息，其结果如图2第一行第C列所示。
Claims (5)
1.一种基于压缩光谱的关联成像系统的方法，其特征在于：所述的基于压缩光谱的关联成像系统的方法所采用的基于压缩光谱的关联成像系统，包括有依次放置的光源、LCD调制系统、投影镜头、汇聚透镜、单像素探测器，单像素探测器的信号输出端连接数据采集系统的信号输入端，数据采集系统的信号输出端连接计算机，计算机与LCD调制系统控制连接；光源发光，经LCD调制系统上产生三色混合照明散斑，经投影镜头对场景进行照射，场景反射光经汇聚透镜到达单像素探测器上，然后经数据采集系统进行数据采集，最后计算机对数据保存和处理；
所述的基于压缩光谱的关联成像系统的方法，包括以下步骤：
1)通过预制产生三个RGB颜色的编码矩阵，分别表示为具有0，1的矩阵AR，AG和AB；三个光谱压缩矩阵具有如下性质：
其中，上式中字母下标表示三个颜色信息，I表示全1的矩阵；
2)利用计算机产生随机照明散斑，假设第j个随机散斑Bj用于产生RGB随机压缩照明散斑，则RGB三个颜色通道的随机压缩照明散斑表示为：
利用计算机把产生的RGB三个颜色的随机压缩散斑进行整合得到三色混合照明散斑，并加载到LCD系统中，利用产生的系列三色混合随机压缩照明散斑对物体进行照明；
3)目标物体反射或透射的信号经汇聚透镜，汇聚到单像素探测器上，单像素探测器输出的电信号经数据采集系统进行模拟-数字转换；假设第j次照明时物体反射或透射信号的采集过程用如下数学形式表达：
Sj＝∑(CR*BR，j*TR+CG*BG，j*TG+CB*BB，j*TB) (3)；
其中，Sj表示探测器探测到的强度信息，TR，TG和TB表示物体在不同波段下的反射率或透射率，C是系统在不同波段下的修正系数，由探测器在不同波段下具有不同的响应造成；修正系数可以用系统进行RGB三个单独颜色照明下的探测器响应值进行标定来获取，利用公式(2)可以进一步对上式进行改写为：
Sj＝∑Bj*T (4)；
其中，T＝CR*AR*TR+CG*AG*TG+CB*AB*TB表示物体在不同波段下的反射率或透射率信息的编码采样混合形式；利用系列三色混合随机压缩散斑对物体进行照明，并探测采集相应的强度信息，利用已知的信息进行关联运算或者相应算法获取物体信息T；
4)利用上述步骤获取的物体信息T进行运算得到不同波段下的物体编码采样信息，利用编码矩阵AR，AG和AB对T进行点乘运算可得：
对上式进一步进行简化为
其中，YR＝AR*T，YG＝AG*T，YB＝AB*T为已知量，AR、AG和AB为已知光谱压缩矩阵，XR＝CR*TR，XG＝CG*TG，XB＝CB*TB为未知的表征物体在不同波段下的完整信息；
5)利用已知量并采用压缩感知算法对等式(6)进行求解，可以获取物体在不同波段下的完整信息；至此实现了对物体的多光谱成像，对不同波段下的完整物体信息进行组合就可以得到表征物体的彩色图像信息；
所述的LCD调制系统具有透射红、绿、蓝混合光的功能，能够对透过混合光模式进行控制，实现对光谱的压缩，用于对物体进行照明。
2.根据权利要求1所述的基于压缩光谱的关联成像系统的方法，其特征在于：所述的汇聚透镜用于对物体反射或者透射的光进行汇聚。
3.根据权利要求1所述的基于压缩光谱的关联成像系统的方法，其特征在于：单个所述的单像素探测器用于对汇聚光进行光电转换。
4.根据权利要求1所述的基于压缩光谱的关联成像系统的方法，其特征在于：所述的数据采集系统用于对单像素探测器的电信号进行模拟-数字转换。
5.根据权利要求1所述的基于压缩光谱的关联成像系统的方法，其特征在于：所述的计算机用于预制产生随机散斑，并加载到LCD调制系统中，利用光源照射LCD调制系统并使用投影镜头对物体照明；通过数据采集系统采集并保存物体反射或者透射的探测信号。
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