CN115100052B - 一种宽谱段双通道压缩成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种宽谱段双通道压缩成像方法及系统，属于计算成像技术领域。本发明通过宽谱段双通道共用像面压缩成像，实现单次曝光同时捕获双通道图像，在相同探测器情况下，将系统时间分辨率提高一倍，且在相同成像帧率要求下，数据量降低一倍。本发明将双通道共用像面获取的混合图像采用频域压缩方式分离，在无需增加扫描装置情况下扩大成像视场，进而提高成像系统的结构紧凑性、稳定性和经济性。本发明采用全反射式成像实现无色差双通道宽谱段成像。本发明通过宽谱段双通道压缩成像，解决光学成像视场和焦距的矛盾，实现大视场和长焦距并存成像，且具有成像系统分辨率高、带宽窄、成像谱段宽、结构紧凑、稳定性高、经济性好优点。
Description
技术领域
本发明属于计算成像技术领域，涉及一种宽谱段双通道压缩成像方法及系统。
背景技术
目前，科学技术不断发展，高速发展的时代对光学系统提出了新的要求，但传统光学系统设计面临严重瓶颈，无法完全解决时代的需要，计算成像应运而生。计算成像通过充分运用目前高通讯带宽、高浮点计算效率的优点，缓解光学系统的压力，在降低光学系统成本，提高光学系统性能与指标上有着巨大的应用价值。当前，光学系统在监控领域有着重大应用，在工业生产、智慧城市、智能制造、自动化、体育比赛、城市治安等诸多领域有着广阔的前景。这些应用领域也不断向光学系统设计提出新的要求和指标。
目前监控用光学镜头不断追求越来越大的视场和越来越长的焦距，越来越大的视场意味着可以监控更大的范围，获取更加丰富的物方信息，而越来越长的焦距则提高了光学系统的工作距离和空间分辨率。但受限于传统光学设计理论，视场和焦距一直是一对矛盾的量，无法同时有效提升。传统解决问题的方式有探测器拼接、复眼、扫描等方式。但探测器拼接不可避免的会造成信息量几何倍数的增长，另外探测器和探测器拼接部分会造成视场的丢失，不利于监控；复眼的设计难度大，而且加工装调都会有非常大的难度，同样会造成信息量的极具增大，成本的提高；光学扫描则会在光学系统中增加光学扫描机构和舵机等，复杂的电机系统和旋转机构会大大降低系统的可靠性，并显著提高系统的体积和重量，还会带来时间分辨率的下降。因此亟需一种能妥善解决视场和焦距之间矛盾的同时又不会带来其他矛盾的光学方案。
2016年，北京理工大学的程德文等人在《Design of all-reflective dual-channel foveated imaging systems based on freeform optics》中提出一种反射式双通道小凹成像光学系统，通过一个通道大视场成像，另一个通道长焦距，使得大视场和长焦距兼顾，但其采用双探测器，大大增加了系统带宽，且无法实现全局的高分辨。2021年，清华大学的朱钧等人在《Simultaneous improvement of field-of-view and resolution inan imaging optical system》中提出一种同时提高光学系统视场和焦距的设计方法，但其通过降低边缘视场焦距的方式来扩大视场，降低的边缘视场的分辨率，更类似于通过设计畸变来扩大视场，因此获得的图像不利于人眼观察。
发明内容
为了解决光学成像视场和焦距的矛盾问题，本发明公开的一种宽谱段双通道压缩成像方法及系统。要解决的技术问题是：通过宽谱段双通道共用像面压缩成像，实现单次曝光同时捕获无色差双通道宽谱段图像，解决光学成像视场和焦距的矛盾，实现大视场和长焦距并存成像，且具有成像系统分辨率高、带宽窄、成像谱段宽、结构紧凑、稳定性高、经济性好的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种宽谱段双通道压缩成像方法，通过宽谱段双通道共用像面压缩成像，实现单次曝光同时捕获双通道图像，在相同探测器情况下，将系统时间分辨率提高一倍；且可在相同成像帧率要求下，数据量降低一倍。将双通道共用像面获取的混合图像采用频域压缩方式分离，在无需增加扫描装置情况下扩大成像视场，进而提高成像系统的结构紧凑性、稳定性和经济性。采用全反射式成像实现无色差双通道宽谱段成像。本发明通过宽谱段双通道压缩成像，解决光学成像视场和焦距的矛盾，实现大视场和长焦距并存成像，且具有成像系统分辨率高、带宽窄、成像谱段宽、结构紧凑、稳定性高、经济性好优点。
本发明公开的一种宽谱段双通道压缩成像方法，将宽谱段双通道压缩成像，拓展为宽谱段多通道压缩成像，进一步扩大成像视场，提高成像系统的分辨率、结构紧凑性、经济性，压缩成像系统带宽。
所述采用宽谱段双通道频域压缩方式分离成像，实现方法如下：
步骤一：对光阑设置在次镜的宽谱段双通道压缩成像光路获取的成像光束，按照下述四个约束条件进行频域编码，编码调制通过在次镜上添加特殊相位实现，得到频域编码后的成像光束。
条件一：相位编码不能使得宽谱段双通道压缩成像光学系统的MTF在特征频率前出现零点，否则会造成信息的丢失；
条件二：宽谱段双通道压缩成像光学系统的PSF应使得各自的OTF在图像频率域上的采样位置不同，进而保证图像的信息不会在频率域产生混叠，便于利用复原算法恢复；
条件三：宽谱段双通道压缩成像光学系统各通道不同视场相位编码后的PSF应尽量相同，便于大幅简化图像复原算法；
条件四：宽谱段双通道压缩成像光学系统相位编码后的PSF应使得OTF采样的区域尽量大，进而增多频域采样的信息，从而有利于图像复原。
步骤二：对步骤一得到的频域编码后的成像光束，通过双通道共用像面曝光，获取双通道共用像面混合图像。
所述双通道共用像面指双通道共用一个面阵光电探测器捕获混合图像。
所述面阵光电探测器捕获的混合图像的强度信息i(x,y)简化为
其中，表示卷积，f1(x,y)、f2(x,y)表示宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道捕获的物空间信息，PSF1(x,y)、PSF2(x,y)表示宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道的点扩散函数。
步骤三：对步骤二获取的双通道共用像面混合图像，通过傅里叶变换到频域，得到所述共用像面混合图像的频谱图，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。
对步骤二获取的双通道共用像面混合图像，进行傅里叶变换，得到如公式(2)所述的共用像面混合图像的频谱图。
所以将宽谱段双通道频域压缩成像的逆问题转换为频域上的压缩感知复原问题：
将公式(3)所示的频域压缩感知复原问题，作为图像复原的目标函数，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。
通过所述采用频域压缩方式分离成像，能够得到两幅分离图像，作为优选，将所述两幅分离图像，根据双通道视场关系进行拼接，在扩大视场的基础上改善成像的视觉效果。
本发明还公开一种宽谱段双通道压缩成像系统，用于实现所述一种宽谱段双通道压缩成像方法。所述一种宽谱段双通道压缩成像系统包括共用主镜、第一次镜、第二次镜、共用三镜、面阵光电探测器和图像复原模块。在光线的传播方向上，各组成部分按顺序依次排列。
所述共用主镜位于光学系统最前端，用于收集光线，并压缩光束。
所述第一次镜为第一光学通道的孔径光阑，其不但具有成像的功能，在还具有相位编码的效果，用于调制第一光学通道的采样特性以使其满足特定的规律。所述第一次镜其表面矢高组成应为：
其中z(x,y)为第一次镜表面矢高，c为曲率，k为conic系数，A、B、C……为非球面系数，矢高的前半部分为光学非球面形式，主要用于提供光焦度并校正像差；而矢高后半部分为编码板形式，α、β为编码板参数，用于对成像光束进行编码调制。
所述第二次镜为第二光学通道的孔径光阑，其不但具有成像的功能，还具有相位编码的效果，用于调制第二光学通道的采样特性以使其满足特定的规律。具体工作原理与第一次镜相同。
第一次镜和第二次镜通过面型参数对成像光束进行相位调制，其调制应满足压缩感知的相关规则，以使得后续的图像复原系统可以对获取的图像进行复原，具体规则为所述步骤一中的四个条件。
所述共用三镜位于光学系统次镜的后端，面阵光电探测器的前端，用于汇聚光线，成像，将成像光束汇聚在像面上。
所述面阵光电探测器位于成像物镜后方，为CMOS或CCD等常用的光电传感器，其光敏面与成像物镜的像面重合，将光信号转换成电信号，传输至图像复原系统。
所述图像复原模块用于从面阵光电探测器捕获图像中将两个光学通道的信息分别解算出来。所述图像复原模块包括计算存储终端和图像复原算法。所述图像复原算法采用压缩感知恢复算法对面阵探测器捕获的混合图像进行复原，先根据编码原理和步骤三所述公式推导将问题转换到频域，在频域中使用压缩感知复原算法对图像进行复原。
有益效果
1、本发明公开的一种宽谱段双通道压缩成像方法及系统，采用两个通道像面共用，能够在探测器面阵有限的情况下，同时提高光学系统的焦距和视场，实现目标场景的广域高分辨监控，高分辨率可捕捉更多的目标细节，可大幅提高目标识别概率，广域可大幅提高监控范围，有利于目标跟踪，尤其是针对高机动性能的目标，因此具有显著提高监控跟踪系统的目标识别概率的效果。
2、本发明公开的一种宽谱段双通道压缩成像方法及系统，采用压缩感知理论，通过频域压缩感知复原算法从单张共用像面混合图像中分离出两个通道各自的物方图像，实现视场和焦距的同时提升，同时不降低系统的时间分辨率。另外，由于双通道像面共用，探测器可获得两倍传统成像时的光能，可实现更低曝光时间的高信噪比图像，提高系统的时间分辨率，因此对高机动性能目标的跟踪具有极大的益处。具有显著提高监控跟踪系统的目标跟踪效率的效果。
3、本发明公开的一种宽谱段双通道压缩成像方法及系统，通过像面共用，双通道同时工作，并结合压缩感知算法复原，从共用像面混合图像中分离出同一时刻两个通道各自物方图像，实现了数据量降低一半的效果。该方法可有效解决现有高清镜头带宽要求高，监控视频存储时间短的缺点，为大视场高清监控的视频传输方案提供一个新的解决思路。
4、本发明公开的一种宽谱段双通道压缩成像方法及系统，采用在光瞳处进行频域编码，而不是在中间像面上进行强度编码，所以不需要二次成像即可实现编码，大大降低光学系统的体积、重量和成本，降低装调难度，且全反射式元件，不带来色差，有利于高清低像差成像。另外，宽谱段特点可结合量子点、量子阱等双色探测器实现多波段反伪装，具有诸多用途。
附图说明
图1为本发明公开的一种宽谱段双通道压缩成像方法流程图；
图2为本发明实施方法的图像复原算法流程图；
图3为本发明实施方式的系统结构示意图；
图4为本发明实施方式中算法仿真用的图像，分别表征两个通道收集到的物方信息；
图5为本发明实施方式中两个通道各自的PSF；
图6为本发明实施方式中两个通道同时工作获得的混合图像，其中两个通道收集的信息被混合在一起；
图7为本发明实施方式中图像复原系统从获得的图6中复原出来的两个通道捕获的物方信息。
其中：1-共用主镜、2-第一次镜、3-第二次镜、4-共用三镜、5-面阵光电探测器、6-图像复原系统。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种宽谱段双通道压缩成像方法，具体实现步骤如下：
所述采用宽谱段双通道频域压缩方式分离成像，实现方法如下：
步骤一：宽谱段双通道压缩成像两个成像通道对应的物方场景1和场景2通过自发光或者反射环境光形成带有场景信息的光辐射，本实实施例中场景1和场景2如图4所示。该光辐射被宽谱段双通道压缩成像系统选择并接收，形成成像光束。对光阑设置在次镜的宽谱段双通道成像光路获取的成像光束，按照下述四个约束条件进行频域编码，编码调制通过在次镜上添加特殊相位实现，得到频域编码后的成像光束。
条件一：相位编码不能使得宽谱段双通道压缩成像光学系统的MTF在特征频率前出现零点，否则会造成信息的丢失；
条件二：宽谱段双通道压缩成像光学系统的PSF应使得各自的OTF在图像频率域上的采样位置不同，进而保证图像的信息不会在频率域产生混叠，便于利用复原算法恢复；
条件三：宽谱段双通道压缩成像光学系统各通道不同视场相位编码后的PSF应尽量相同，便于大幅简化图像复原算法；
条件四：宽谱段双通道压缩成像光学系统相位编码后的PSF应使得OTF采样的区域尽量大，进而增多频域采样的信息，从而有利于图像复原。
本实施例中编码后的宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道的PSF如图5所示。
步骤二：对步骤一得到的频域编码后的成像光束，通过双通道共用像面曝光，获取双通道共用像面混合图像，如图6所示。
所述双通道共用像面指双通道共用一个面阵光电探测器捕获混合图像。
所述面阵光电探测器捕获的混合图像的强度信息i(x,y)简化为
其中，表示卷积，f1(x,y)、f2(x,y)表示宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道捕获的物空间信息，PSF1(x,y)、PSF2(x,y)表示宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道的点扩散函数。
步骤三：对步骤二获取的双通道共用像面混合图像，通过傅里叶变换到频域，得到所述共用像面混合图像的频谱图，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。复原算法流程图如图2所示。本实施例中采用的复原算法为TWIST算法。
对步骤二获取的双通道共用像面混合图像，进行傅里叶变换，得到如公式(5)所述的共用像面混合图像的频谱图。
所以将宽谱段双通道频域压缩成像的逆问题转换为频域上的压缩感知复原问题：
将公式(6)所示的频域压缩感知复原问题，作为图像复原的目标函数，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。本实施例中采用TWIST算法对该问题进行复原，也可采用其他凸优化算法。
通过所述采用频域压缩方式分离成像，能够得到两幅分离图像，作为优选，将所述两幅分离图像，根据双通道视场关系进行拼接，在扩大视场的基础上改善成像的视觉效果。本实施例中由于图像仿真中采用图像不具有对应关系，因此未进行图像拼接，复原结果如图7所示。
本发明还公开一种宽谱段双通道压缩成像系统，用于实现所述一种宽谱段双通道压缩成像方法。所述一种宽谱段双通道压缩成像系统包括共用主镜、第一次镜、第二次镜、共用三镜、面阵光电探测器和图像复原模块。在光线的传播方向上，各组成部分按顺序排列。其系统结构图如图3所示。
所述共用主镜位于光学系统最前端，用于收集光线，并压缩光束。
所述第一次镜为第一光学通道的孔径光阑，其不但具有成像的功能，在还具有相位编码的效果，用于调制第一光学通道的采样特性以使其满足特定的规律。所述第一次镜其表面矢高组成应为：
其中z(x,y)为第一次镜表面矢高，c为曲率，k为conic系数，A、B、C……为非球面系数，矢高的前半部分为光学非球面形式，主要用于提供光焦度并校正像差；而矢高后半部分为编码板形式，α、β为编码板参数，用于对成像光束进行编码调制。本实施例中相位板参数分别为9×10-8和0。
所述第二次镜为第二光学通道的孔径光阑，其不但具有成像的功能，还具有相位编码的效果，用于调制第二光学通道的采样特性以使其满足特定的规律。具体工作原理与第一次镜相同。
第一次镜和第二次镜通过面型参数对成像光束进行相位调制，其调制应满足压缩感知的相关规则，以使得后续的图像复原系统可以对获取的图像进行复原，具体规则为所述步骤一中的四个条件。
所述共用三镜位于光学系统次镜的后端，面阵光电探测器的前端，用于汇聚光线，成像，将成像光束汇聚在像面上。
所述面阵光电探测器位于成像物镜后方，为CMOS或CCD等常用的光电传感器，其光敏面与成像物镜的像面重合，将光信号转换成电信号，传输至图像复原系统。
所述图像复原模块用于从面阵光电探测器捕获图像中将两个光学通道的信息分别解算出来。所述图像复原模块包括计算存储终端和图像复原算法。所述图像复原算法采用压缩感知恢复算法对面阵探测器捕获的混合图像进行复原，先根据编码原理和步骤三所述公式推导将问题转换到频域，在频域中使用压缩感知复原算法对图像进行复原。
本实施例中采用系统具体光学面型参数如表1：
表1 光学系统参数表
单位：mm
| 半径 | conic系数 | y | x2 | y2 | |
| 共用主镜 | -210.6027 | 5.8142 | 0.1324 | 0.0025 | 0.0030 |
| 第一次镜 | -586.9227 | -2.4033 | 0 | 0 | 0 |
| 第二次镜 | -586.9227 | -2.4033 | 0 | 0 | 0 |
| 共用三镜 | -35.0819 | -0.9165 | 0.0122 | 0.0096 | 0.0097 |
本实施例中光学表面全局坐标如表2：
表2 光学系统表面全局坐标表
单位：mm
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种宽谱段双通道压缩成像方法，其特征在于：通过宽谱段双通道共用像面压缩成像，实现单次曝光同时捕获双通道图像，在相同探测器情况下，将系统时间分辨率提高一倍；且在相同成像帧率要求下，数据量降低一倍；将双通道共用像面获取的混合图像采用频域压缩方式分离，在无需增加扫描装置情况下扩大成像视场，进而提高成像系统的结构紧凑性、稳定性和经济性；采用全反射式成像实现无色差双通道宽谱段成像；通过宽谱段双通道压缩成像，解决光学成像视场和焦距的矛盾，实现大视场和长焦距并存成像；
采用宽谱段双通道频域压缩方式分离成像，实现方法如下，
步骤一：对光阑设置在次镜的宽谱段双通道压缩成像光路获取的成像光束，按照下述四个约束条件进行频域编码，编码调制通过在次镜上添加特殊相位实现，得到频域编码后的成像光束；
条件一：相位编码不能使得宽谱段双通道压缩成像光学系统的MTF在特征频率前出现零点，否则会造成信息的丢失；
条件二：宽谱段双通道压缩成像光学系统的PSF应使得各自的OTF在图像频率域上的采样位置不同，进而保证图像的信息不会在频率域产生混叠，便于利用复原算法恢复；
条件三：宽谱段双通道压缩成像光学系统各通道不同视场相位编码后的PSF应尽量相同，便于大幅简化图像复原算法；
条件四：宽谱段双通道压缩成像光学系统相位编码后的PSF应使得OTF采样的区域尽量大，进而增多频域采样的信息，从而有利于图像复原；
步骤二：对步骤一得到的频域编码后的成像光束，通过双通道共用像面曝光，获取双通道共用像面混合图像；
所述双通道共用像面指双通道共用一个面阵光电探测器捕获混合图像；
所述面阵光电探测器捕获的混合图像的强度信息i(x,y)简化为：
其中，表示卷积，f1(x,y)、f2(x,y)表示宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道捕获的物空间信息，PSF1(x,y)、PSF2(x,y)表示宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道的点扩散函数；
步骤三：对步骤二获取的双通道共用像面混合图像，通过傅里叶变换到频域，得到所述共用像面混合图像的频谱图，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像；
步骤三实现方法为，
对步骤二获取的双通道共用像面混合图像，进行傅里叶变换，得到如公式(2)所述的共用像面混合图像的频谱图；
所以将宽谱段双通道频域压缩成像的逆问题转换为频域上的压缩感知复原问题：
将公式(3)所示的频域压缩感知复原问题，作为图像复原的目标函数，将所述频谱图通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现频域压缩方式分离成像。
2.如权利要求1所述的一种宽谱段双通道压缩成像方法，其特征在于：通过所述采用频域压缩方式分离成像，能够得到两幅分离图像，将所述两幅分离图像，根据双通道视场关系进行拼接，在扩大视场的基础上改善成像的视觉效果。
3.一种宽谱段双通道压缩成像系统，用于实现如权利要求1或2所述一种宽谱段双通道压缩成像方法，其特征在于：包括共用主镜、第一次镜、第二次镜、共用三镜、面阵光电探测器和图像复原模块；在光线的传播方向上，各组成部分按顺序依次排列；
所述共用主镜位于光学系统最前端，用于收集光线，并压缩光束；
所述第一次镜为第一光学通道的孔径光阑，其不但具有成像的功能，在还具有相位编码的效果，用于调制第一光学通道的采样特性以使其满足特定的规律；所述第一次镜其表面矢高组成应为：
其中z(x,y)为第一次镜表面矢高，c为曲率，k为conic系数，A、B、C……为非球面系数，矢高的前半部分为光学非球面形式，用于提供光焦度并校正像差；而矢高后半部分为编码板形式，α、β为编码板参数，用于对成像光束进行编码调制；
所述第二次镜为第二光学通道的孔径光阑，其不但具有成像的功能，还具有相位编码的效果，用于调制第二光学通道的采样特性以使其满足特定的规律；具体工作原理与第一次镜相同；
第一次镜和第二次镜通过面型参数对成像光束进行相位调制，其调制应满足压缩感知的相关规则，以使得后续的图像复原系统能够对获取的图像进行复原，具体规则为所述步骤一中的四个条件；
所述共用三镜位于光学系统次镜的后端，面阵光电探测器的前端，用于汇聚光线、成像，将成像光束汇聚在像面上；
所述面阵光电探测器位于成像物镜后方，为CMOS或CCD光电传感器，其光敏面与成像物镜的像面重合，将光信号转换成电信号，传输至图像复原模块；
所述图像复原模块用于从面阵光电探测器捕获图像中将两个光学通道的信息分别解算出来；所述图像复原模块包括计算存储终端和图像复原算法；所述图像复原算法采用压缩感知恢复算法对面阵探测器捕获的混合图像进行复原，先根据编码原理和步骤三所述公式推导将问题转换到频域，在频域中使用压缩感知复原算法对图像进行复原。
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