CN108225561B - 压缩光谱成像系统、重建方法、装置及终端设备 - Google Patents

压缩光谱成像系统、重建方法、装置及终端设备 Download PDF

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CN108225561B CN201711268493.7A CN201711268493A CN108225561B CN 108225561 B CN108225561 B CN 108225561B CN 201711268493 A CN201711268493 A CN 201711268493A CN 108225561 B CN108225561 B CN 108225561B
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Abstract

本发明适用于光谱成像技术领域，提供了一种压缩光谱成像系统及方法，该系统包括探测光源；沿着光的传播方向依次包括分光光栅、数字微镜、合光光栅和探测器；还包括计算和控制单元，用于控制所述数字微镜形成多个循环分布的正弦编码图形，调整所述正弦编码图形的形状，接收所述探测器在采取不同所述正弦编码图形时探测到的光谱图像，并组合所述光谱图像，通过傅里叶逆变换重建原始光谱图像。本发明的压缩光谱成像系统采用双光栅结构，通过在数字微镜中写入正弦编码图形，改变所述正弦编码图形的周期和相位，获得不同的检测光谱图像，最终使用傅里叶逆变换进行压缩光谱重建，缩短了光谱重建的时间。

Description

压缩光谱成像系统、重建方法、装置及终端设备
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，尤其涉及一种压缩光谱成像系统、重建方法、装置及终端设备。
背景技术
光谱成像系统是成像技术和光谱技术有机结合而成，能够在探测物体空间特征信息的同时得到空间像元色散形成的光谱信息，得到的是不同波长下的物体图像，是个三维数据，通常称为数据立方体。
CCD探测器检测到的为二维数据，光谱成像系统实现从二维数据重建三维数据的方式有多种，包括滤光片式、光栅扫描式、哈达玛变换、编码孔径快速光谱成像系统(CodedAperture Snapshot Spectral Imaging，CASSI)等。
滤光片式系统结构简单，但光谱分辨率与滤光片波段有关。光栅扫描式和哈达玛变换需要进行多次扫描或多次测量才能得到三维光谱图像信息，检测时间长。
CASSI是一种压缩光谱成像系统，主要包括两种类型，一种是双光栅系统，被测物体的反射光经分光光栅进行分光，聚焦在编码孔径上进行光谱编码，再到合光光栅进行合光，最后通过探测器检测编码后的图像。另一种是单光栅系统，物体成像在编码孔径，对空间信息进行编码，再经分光光栅进行分光，最后通过探测器检测。通过合理的编码方式，两种类型都可通过压缩感知方法实现压缩光谱成像。利用压缩感知的方法可以对单次或少数几次测量的二维数据优化重建，得到三维数据立方体，这种实现方法虽然相比滤光片式、光栅扫描式、和哈达玛变换系统的测量时间短，但重建算法耗时较长。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种压缩光谱成像系统、重建方法、装置及终端设备，以解决现有技术中压缩光谱重建时间长的技术问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种压缩光谱成像系统，该系统包括探测光源，所述探测光源照射到待测物体上得到反射光，沿着所述反射光的传播方向依次包括分光光栅、数字微镜、合光光栅和探测器；所述数字微镜用于对照射到所述数字微镜的光进行编码；
所述系统还包括计算和控制单元，分别连接所述探测器和所述数字微镜，所述计算和控制单元用于控制所述数字微镜形成多个循环分布的正弦编码图形，调整所述正弦编码图形的形状，接收所述探测器在采取不同所述正弦编码图形时探测到的光谱图像，并组合所述光谱图像重建所述反射光的原始光谱图像。
本发明实施例的第二方面提供了一种压缩光谱重建方法，该方法应用于压缩光谱成像系统，所述系统包括探测光源，所述探测光源照射到待测物体上得到反射光，沿着所述反射光的传播方向所述系统还依次包括分光光栅、数字微镜、合光光栅和探测器；所述系统还包括计算和控制单元，分别连接所述探测器和所述数字微镜，所述计算和控制单元用于控制所述数字微镜形成多个循环分布的正弦编码图形，所述数字微镜用于对照射到所述数字微镜的光进行正弦编码，该方法包括：
确定所述数字微镜一个所述正弦编码图形所占编码像素数目N，及多个循环分布的所述正弦编码图形的编码像素初始点对应的探测器的像素位置(m,n0)；
将具有不同周期和不同相位值的所述正弦编码图形写入所述数字微镜；
接收所述探测器在所述正弦编码图形的周期取不同值，并针对不同周期，改变所述正弦编码图形的相位值得到的多个光谱图像；
分别组合所述探测器上每个像素点的多个所述光谱图像，重建所述反射光的原始光谱图像。
本发明实施例的第三方面提供了一种压缩光谱重建装置，包括：
标定单元，用于确定所述数字微镜一个所述正弦编码图形所占编码像素数目N，及多个循环分布的所述正弦编码图形的编码像素起点对应的探测器的像素位置(m,n0)；
写入单元，用于将具有不同周期和不同相位值的所述正弦编码图形写入所述数字微镜；
接收单元，用于接收所述探测器在所述正弦编码图形的周期取不同值，并针对不同周期，改变所述正弦编码图形的相位值得到的多个光谱图像；
重建单元，用于组合所述探测器上每个像素点的多个所述光谱图像，重建所述反射光的原始光谱图像。
本发明实施例的第四方面提供了一种终端设备，包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第二方面所述方法的步骤
本发明实施例的第五方面提供了一种计算机可读存储介质，包括：所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本发明的压缩光谱成像系统采用双光栅结构，通过在数字微镜中写入正弦编码图形，改变所述正弦编码图形的周期和相位，获得不同的检测光谱图像，最终使用傅里叶逆变换进行压缩光谱重建，缩短了光谱重建的时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种压缩光谱成像系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种压缩光谱图像重建方法的实现流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种编码图形的示例图；
图4是本发明实施例提供的两个单色光在探测器的同一区域形成的两个光谱图像的像素偏移示意图；
图5是本发明实施例提供的一种数字微镜的正弦编码图形的局部示意图；
图6是本发明实施例提供的探测器上像素位置(m,n)与起始像素位置(m,n0)的像素偏移示意图；
图7是本发明实施例提供的傅里叶系数u＝1，相位分别为
Figure BDA0001495076640000041
时，一个正弦编码图形的示意图；
图8是本发明实施例提供的相位为
Figure BDA0001495076640000042
傅里叶系数分别取u＝1、u＝2、u＝3和u＝4时，一个正弦编码图形的示意图；
图9是本发明实施例提供的采用本发明方法与采用现有TwIST的模拟仿真比较结果；
图10是本发明实施例提供的采用现有TwIST的模拟仿真结果；
图11是本发明实施例提供的采用本发明方法的模拟仿真结果；
图12是本发明实施例提供的压缩图像重建装置的示意图；
图13是本发明实施例提供的终端设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示，为本发明实施例提供的压缩光谱成像系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括：探测光源(图1未示出)、成像镜头2、第一准直镜组3、分光光栅4、第一聚焦镜组5、数字微镜(Digital Micromirror Device，DMD)6、第二准直镜组7、合光光栅8、第二聚焦镜组9、CCD10、和计算机11。其中，所述计算机11分别连接所述数字微镜6和CCD10，所述计算机11用于将正弦灰度编码图形写入所述数字微镜6，即控制所述数字微镜6形成多个循环分布的正弦灰度编码图形，调整所述正弦编码图形的形状，接收所述CCD10在采取不同所述正弦编码图形时探测到的光谱图像，并组合所述光谱图像，通过傅里叶逆变换重建原始光谱图像。
在本发明实施例中，探测光源照射所述被测物体1形成反射光，所述反射光依次经成像镜头2成像后，经第一准直镜组3准直后进入分光光栅4，经分光光栅4分光后经第一聚焦镜组5聚焦在所述数字微镜6上，数字微镜6上是分光后的光谱图像，分光光谱经所述数字微镜6正弦编码后，再经第二准直镜组7准直进入与分光光栅相同的合光光栅8，合光光栅8将分光光谱又合光，经第二聚焦镜组9聚焦成像在所述CCD10上，完成一次检测过程。由于被测物体1的反射光分光后又合光，所述CCD10检测的图像像素与被测物体1是一一对应的，只是光谱信息不同。因此，通过改变所述正弦编码图形，就可得到光谱的傅里叶变换信号。由于自然界物体信号的傅里叶信号多集中在低频区域，通过测量几个低频傅里叶信号就可以采用傅里叶逆变换重建得到原始光谱图像。
本发明实施例还提供了一种压缩光谱图像重建的方法，该方法应用于压缩光谱成像系统，所述压缩光谱成像系统可为图1所示的压缩光谱成像系统。需要说明的是，在本发明方法实施例中对压缩光谱成像系统的结构和参数的描述，在与图1不相矛盾的情形下，同样适应于图1所示的系统实施例。该方法适用于需要将压缩光谱进行重建的情况，由所述系统的计算机执行，可由软件和/或硬件实现。如图2所示，该方法包括步骤S201-S204。
S201，确定所述数字微镜一个所述正弦编码图形所占编码像素数目N，即分光光栅分光后波段所占像素数目，及多个循环分布的所述正弦编码图形的编码像素起点对应的探测器的像素位置(m,n0)。
在该步骤中对压缩光谱成像系统进行标定。确定一个所述正弦编码图形所占的编码像素数目N，及多个循环分布的所述正弦编码图形的编码像素初始点对应的探测器的像素位置(m,n0)。
在本发明实施例中，数字微镜的编码像素和探测器的像素对应，若数字微镜的空间像素(指一个微镜)尺寸和探测器的像素尺寸相等，则两者恰好对应；若两者的像素尺寸不相同，可以采用将数字微镜的空间像素合并或者探测器的像素合并的方式将数字微镜的编码像素设置成与所述探测器的像素对应。
在本发明实施例中，用两个单色光分别作为探测光源，照明同一个编码图形，由于两个单色光的波长不同，探测器检测的两个光谱图像会存在像素偏移,由于光栅的分光是线性的，因而像素偏移也是呈线性的。因此，根据探测器检测到的两个光谱图像之间的像素偏移以及两个单个光的波长差，就可以确定探测光源对应的整个波段所占的像素数目N，对应分光光栅分光后波段所占像素数目。一个所述正弦编码图形所占的编码像素数目同样取为N，就可以对探测光源的整个光谱波段进行编码。
例如：分别用两单色激光532nm、632.8nm作为探测光源，照明同一个编码图形，如图3所示的编码图形，该编码图形为0-1编码图形。在标定过程不需正弦编码图形，当然也可以使用正弦编码图形。对应所述探测器上同一个探测区域而言，不同单色光对应的数字微镜上的编码像素位置会不同，得到的两个光谱图像在同一个探测区域产生像素偏移为Δ，如图4所示，探测器上的某探测区域以像素位置(m,n)为起点。由于光栅的分光是线性的，因而像素偏移也是呈线性的。因此，当探测光源采用的波段为可见光[400nm,700nm]，此时该波段所占的像素数目为N：
Figure BDA0001495076640000071
为了方便，若上式不为整除，即N的值不为整数时，N取上式得到的最大正整数或者取余数。此外，为了得到最大光谱分辨率，将每个像素所占的光谱分为一个波段，则共有N个波段,每个波段顺次编号为k，依次表示为λk,k＝0,1,L N-1，正弦编码图形所占的编码像素数目同样取为N，就可以实现对整个光谱波段进行编码。因此，k+1表示所述正弦编码图形中的编码像素位置，对应分光后波段的编码像素位置。
此外，根据线性分布关系，可以得到所述探测光源的初始波段λ0，即第一个波段，对应的像素位置(m,n0)，考虑探测器上检测的光谱图像与所述正弦编码图形的像素偏移Δ1，则可得到DMD上所述正弦编码图形的初始点在初始波段λ0对应的探测器的像素位置n0：
Figure BDA0001495076640000072
式中将探测光源波长为532nm的单色光在探测器探测的光谱图形用于计算，n为其光谱图像的起始点在探测器上的像素位置；Δ1为532nm检测图形相对于编码图形的偏移量；最后一项乘法计算波长产生的偏移，如果标定时直接采用初始波长λ0来测量，则不需计算波长偏移。式中偏移加减与实际偏移方向相关。由于分光光栅只在一个方向分光，因而正弦编码图形设为条纹编码形状，只需考虑一个方向上的像素位置偏移，在另一垂直方向上的编码均相同。
S202，将具有不同周期和不同相位值的所述正弦编码图形写入所述数字微镜。
例如，如图5所示为所述数字微镜上部分正弦灰度编码图形示意图，图中示出了两个正弦灰度编码图形。
所述探测器的像素位置(m,n)对应的所述正弦编码图形的编码函数
Figure BDA0001495076640000073
Figure BDA0001495076640000074
为相位值；u为傅里叶系数，为小于N的整数。Δn为像素位置(m,n)与像素位置(m,n0)之间的像素偏移Δn＝(n-n0)，如图6所示。由于计算机控制所述正弦编码图形循环分布在所述数字微镜上，当两像素点不对应同一个正弦编码图形时，像素偏移需要取余值，即Δn＝(n-n0)％N。
现有压缩光谱成像系统基本都是0-1随机编码或哈达玛矩阵编码，在本发明实施例中实现了正弦灰度编码。通常DMD微镜翻转只能实现0-1编码，通过将DMD空间像素合并或者多个0-1二进制图形组合实现灰度编码。DMD空间像素合并将会改变编码像素大小，从而影响光谱分辨率；多个二进制图形组合则会增加采样时间。实际可根据需要选择DMD空间像素合并或者二进制图形组合或者两者同时使用。
S203，接收所述探测器上像素位置(m,n)在所述正弦编码图形的周期取不同值，并针对不同周期，改变所述正弦编码图形的相位值时得到的多个光谱图像。
根据所述正弦编码图形的编码函数可知，所述u为傅里叶系数改变时，所述正弦编码图形的周期改变。具体地，步骤S203，包括：接收所述探测器在所述正弦编码图形的傅里叶系数取不同值，并针对不同傅里叶系数，改变所述正弦编码图形的相位值得到的多个光谱图像。
接收所述探测器上像素位置(m,n)检测到的光谱图像
Figure BDA0001495076640000081
Figure BDA0001495076640000082
其中，I(m,n,λk)为所述探测器上像素位置(m,n)对应的原始光谱数据，即最终要重建的光谱图像；D0为噪声数据，包括探测器噪声和环境噪声。
本发明实施例中，在所述正弦编码图形的傅里叶系数相同时，考虑相位移动，即改变所述正弦编码图形的相位值。相位移动可采用四步移相法，即三次改变编码函数
Figure BDA0001495076640000083
相位值，具体地，编码函数
Figure BDA0001495076640000084
相位值取四个值，分别取
Figure BDA0001495076640000085
针对四个相位值，探测器得到四个检测光谱图像，分别为D(m,n；u,0)、D(m,n；u,π/2)、D(m,n；u,π)和D(m,n；u,3π/2)。
改变所述正弦编码图形的傅里叶系数，则针对每个不同的傅里叶系数，所述探测器探测分别检测得到四个光谱图像，分别为D(m,n；u,0)、D(m,n；u,π/2)、D(m,n；u,π)和D(m,n；u,3π/2)。
例如，如图7所示，傅里叶系数u＝1时，考虑四步移相法，即相位分别为
Figure BDA0001495076640000091
时，一个正弦编码图形的示意图。如图8所示，傅里叶系数分别取u＝1、u＝2、u＝3和u＝4时，相位为
Figure BDA0001495076640000092
时，一个正弦编码图形的示意图。
S204，分别组合所述探测器上每个像素点的多个所述光谱图像，重建所述反射光的原始光谱图像。
在本发明实施例中，所述分别组合所述探测器上每个像素点的多个所述光谱图像，重建所述反射光的原始光谱图像，包括S2041和S2042：
S2041，将所述探测器上像素位置(m,n)在采用傅里叶系数u时进行多步相移得到的多个光谱图像两两组合，得到组合光谱图像，并调整为傅里叶变换形式。
将采用同一个傅里叶系数u时，四步相移得到的四个光谱图像两两组合组成实部和虚部得到组合光谱图像D(m,n,u)：
D(m,n,u)＝[D(m,n；u，0)-D(m,n；u，π)]+i·[D(m,n；u，π/2)-D(m,n；u，3π/2)]；
将所述组合光谱图像D(m,n,u)调整为傅里叶变换形式：
Figure BDA0001495076640000093
此时将四个光谱图像的具体表达式带入组合光谱图像中进行计算。通过组合计算，π相位差相减消除了噪声数据D0，同时将检测信号增大了2倍，提高了最终重建光谱的准确度。
改变傅里叶系数u，对每个傅里叶系数下的编码图形分别进行四步相移法，测量四次，可以得到不同傅里叶系数下的组合光谱图像D(m,n,u)。
S2042，针对每个像素位置，将不同傅里叶系数u对应的调整为傅里叶变换形式的组合光谱图像进行傅里叶逆变换，重建所述原始光谱图像。
对调整为傅里叶变换形式的组合光谱图像进行傅里叶逆变换就得到像素点(m,n)的原始光谱数据I(m,n,λk)，包括N个值，公式如下：
Figure BDA0001495076640000101
其中，F-1代表傅里叶逆变换；C为傅里叶变换常数，计算时可以不考虑。由于自然界物体的傅里叶信号大多分布在低频区域，这里的傅里叶系数u只需要取部分值，u＝0,1,L,r；r＜N。r的取值与压缩率有关，增加r值可以提高光谱分辨率，增加到一定数值后，重建数据与原始数据基本类似，无需再增加。根据仿真和实验结果，10％的压缩率就可得到较好的结果。可以根据经验和所需的光谱分辨率对u的取值范围进行设置，本发明对此不做具体限定。
对每个像素位置进行傅里叶逆变换，就可得到每个像素位置的原始光谱数据，组合即可得到原始的多光谱图像。若像素尺寸为M×M，则得到的重建后的原始光谱图像的数据立方体大小为M×M×N。
在上述的实施例中，描述的是采用四步移相法得到傅里叶变换值，基于相同的原理，也可采用三步相移法，进一步减少测量次数，只需取相位值分别为
Figure BDA0001495076640000102
三种情况，按下式计算组合光谱图像：
Figure BDA0001495076640000103
式中，
Figure BDA0001495076640000104
简化表达为
Figure BDA0001495076640000105
采用三步相移法与四步相移法的原理相同，此处其它计算步骤不再赘述。
对于像素尺寸为M×M×N的光谱数据立方体，傅里叶逆变换计算需要的时间复杂度为O(M2Nlog(N))。现有的编码孔径压缩光谱成像系统，常用的二次迭代收缩阈值优化算法(TwIST)，需要多次迭代，每次迭代的时间复杂度为O(M4Nk)，k为测量次数，k≤N.当被测物体尺寸较大时，重建时间较长。测量次数k较少时，图像质量较差，增加测量次数计算时间会相应增加。
图9、图10和图11所示为采用本发明实施例与采用现有CASSI进行光谱图像重建的仿真比较结果。其中，图9所示为采用本发明方法与采用现有TwIST的模拟仿真比较结果；图10所示为采用现有TwIST的模拟仿真结果；图11所示为采用本发明方法的模拟仿真结果。模拟仿真数据采用的多光谱图像共分成31个波段，大小裁剪为300×300像素。由于包含31个波段，每次重建得到31个多光谱图，分别将31个光谱图与原图比较计算峰值信噪比PSNR，取平均值。用峰值信噪比(PSNR)表示重建光谱图像的性能，PSNR值越大表示与原始图像越相近，当达到30dB以上时就表明非常相近。与采用现有CASSI进行光谱图像重建的方法相比，本发明实施例达到同样的PSNR，时间会少很多。
此外，继续参见图9，本发明的方法在采用不同数量的傅里叶系数重建光谱图像时所需时间差别不大，仅需约0.4s，采用三个傅里叶系数重建光谱图像，PSNR已达25dB以上；而现有CASSI系统用2次测量结果重建光谱图像的时间要32s，PSNR也仅为约19dB，并且，现有CASSI系统的方法其计算时间随着测量次数的增加明显延长。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图12示出了本发明提供的压缩图像重建装置的组成结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
在本发明实施例中，所述装置用于实现图2所示实施例所述的压缩光谱重建方法，可以是内置于计算机的软件单元、硬件单元或者软硬件结合的单元。在本实施例中未对装置详细描述之处，请参见图2所示实施例。
如图12所示，所述压缩图像重建装置，包括：
标定单元1201，用于确定所述数字微镜一个所述正弦编码图形所占编码像素数目N，及多个循环分布的所述正弦编码图形的编码像素起点对应的探测器的像素位置(m,n0)；
写入单元1202，用于将具有不同周期和不同相位值的所述正弦编码图形写入所述数字微镜；
接收单元1203，用于接收所述探测器在所述正弦编码图形的周期取不同值，并针对不同周期，改变所述正弦编码图形的相位值得到的多个光谱图像；
重建单元1204，用于组合所述探测器上每个像素点的多个所述光谱图像，重建所述反射光的原始光谱图像。
图13是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图13所示，该实施例的终端设备13包括：处理器130、存储器131以及存储在所述存储器131中并可在所述处理器130上运行的计算机程序132，例如压缩光谱重建方法的程序。所述处理器130执行所述计算机程序132时实现上述各个压缩光谱重建方法实施例中的步骤，例如图2所示的步骤201至204。或者，所述处理器130执行所述计算机程序132时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图12所示模块1201至1204的功能。
示例性的，所述计算机程序132可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器131中，并由所述处理器130执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序132在所述终端设备13中的执行过程。例如，所述计算机程序132可以被分割成标定单元、写入单元、接收单元、重建单元(虚拟装置中的单元)，各单元具体功能如下：
标定单元，用于确定所述数字微镜一个所述正弦编码图形所占编码像素数目N，及多个循环分布的所述正弦编码图形的编码像素起点对应的探测器的像素位置(m,n0)；
写入单元，用于将具有不同周期和不同相位值的所述正弦编码图形写入所述数字微镜；
接收单元，用于接收所述探测器在所述正弦编码图形的周期取不同值，并针对不同周期，改变所述正弦编码图形的相位值得到的多个光谱图像；
重建单元，用于组合所述探测器上每个像素点的多个所述光谱图像，重建所述反射光的原始光谱图像。
所述终端设备13可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器130、存储器131。本领域技术人员可以理解，图13仅仅是终端设备13的示例，并不构成对终端设备13的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器130可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器131可以是所述终端设备13的内部存储单元，例如终端设备13的硬盘或内存。所述存储器131也可以是所述终端设备13的外部存储设备，例如所述终端设备13上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器131还可以既包括所述终端设备13的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器131用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器131还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压缩光谱成像系统，该系统包括探测光源，所述探测光源照射到待测物体上得到反射光，沿着所述反射光的传播方向依次包括分光光栅、数字微镜、合光光栅和探测器；其特征在于，所述数字微镜用于对照射到所述数字微镜的光进行编码；
所述系统还包括计算和控制单元，分别连接所述探测器和所述数字微镜，所述计算和控制单元用于：
确定所述数字微镜一个正弦编码图形所占编码像素数目N，及多个循环分布的所述正弦编码图形的编码像素初始点对应的所述探测器的像素位置(m,n0)；
将具有不同周期和不同相位值的所述正弦编码图形写入所述数字微镜；
接收所述探测器在所述正弦编码图形的周期取不同值，并针对不同周期，改变所述正弦编码图形的相位值得到的多个光谱图像；
分别组合所述探测器上每个像素点的多个所述光谱图像，重建所述反射光的原始光谱图像。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测器的像素与所述数字微镜的编码像素对应，所述探测器的像素位置(m,n)对应的所述正弦编码图形的编码函数为
Figure FDA0002404759340000011
其中，
Figure FDA0002404759340000012
为相位值；N为一个所述正弦编码图形所占的编码像素数目，对应分光光栅分光后波段所占像素数目，为正整数；u为傅里叶系数，为小于N的整数；k+1为所述正弦编码图形的编码像素位置，对应分光后波段的编码像素位置，为小于N的整数；Δn为像素位置(m,n)与像素位置(m,n0)之间的像素偏移。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分光光栅之前还包括第一准直镜组，所述分光光栅和数字微镜之间还包括第一聚焦镜组，所述数字微镜和合光光栅之间还包括第二准直镜组，所述合光光栅和探测器之间还包括第二聚焦镜组。
4.如权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述计算和控制单元具体用于控制所述数字微镜形成多个条形正弦编码图形。
5.一种压缩光谱重建方法，其特征在于，所述方法由权利要求1-4任一项所述系统的所述计算和控制单元执行，该方法包括：
确定所述数字微镜一个所述正弦编码图形所占编码像素数目N，及多个循环分布的所述正弦编码图形的编码像素初始点对应的探测器的像素位置(m,n0)；
将具有不同周期和不同相位值的所述正弦编码图形写入所述数字微镜；
接收所述探测器在所述正弦编码图形的周期取不同值，并针对不同周期，改变所述正弦编码图形的相位值得到的多个光谱图像；
分别组合所述探测器上每个像素点的多个所述光谱图像，重建所述反射光的原始光谱图像。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述接收所述探测器在所述正弦编码图形的周期取不同值，并针对不同周期，改变所述正弦编码图形的相位值得到的多个光谱图像，包括：
所述接收所述探测器上像素位置(m,n)检测到的光谱图像
Figure FDA0002404759340000031
Figure FDA0002404759340000032
其中，I(m,n,λk)为所述探测器上像素位置(m,n)对应的原始光谱数据；D0为噪声数据；
Figure FDA0002404759340000033
为所述探测器的像素位置(m,n)对应的所述正弦编码图形的编码函数，
Figure FDA0002404759340000034
为相位值；u为傅里叶系数，为小于N的整数；k+1为所述正弦编码图形的编码像素位置，为小于N的整数；Δn为像素位置(m,n)与像素位置(m,n0)之间的像素偏移，λk为所述探测光源的波段。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述分别组合所述探测器上每个像素点的多个所述光谱图像，重建所述反射光的原始光谱图像，包括：
将所述探测器上像素位置(m,n)在采用傅里叶系数u时进行多步相移得到的多个光谱图像组合，得到组合光谱图像，并调整为傅里叶变换形式；
针对每个像素位置，将不同傅里叶系数u对应的调整为傅里叶变换形式的组合光谱图像进行傅里叶逆变换，重建所述原始光谱图像。
8.一种压缩光谱重建装置，其特征在于，所述装置配置于权利要求1-4任一项所述系统的所述计算和控制单元，所述装置包括：
标定单元，用于确定所述数字微镜一个所述正弦编码图形所占编码像素数目N，及多个循环分布的所述正弦编码图形的编码像素起点对应的探测器的像素位置(m,n0)；
写入单元，用于将具有不同周期和不同相位值的所述正弦编码图形写入所述数字微镜；
接收单元，用于接收所述探测器在所述正弦编码图形的周期取不同值，并针对不同周期，改变所述正弦编码图形的相位值得到的多个光谱图像；
重建单元，用于组合所述探测器上每个像素点的多个所述光谱图像，重建所述反射光的原始光谱图像。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5至7任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5至7任一项所述方法的步骤。
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