一种视频压缩采集系统及其采集方法技术方案

本发明专利技术涉及一种视频压缩采集系统及其采集方法。视频压缩采集系统将景物通过物镜成像于无源光信号调制器件的调制面，高精度位移装置使无源光信号调制器件产生精密位移及连续变换的调制效应，景物的视频信号经无源光信号调制器件的变换调制，再由面阵探测器完成积分和采集，经面阵探测器采集的压缩图像信号可重建并获得景物的原始视频信号。本发明专利技术提供的视频压缩采集方法，通过光学压缩手段直接实现视频数据的并行压缩和采集，继而高保真的重建原始视频数据。该方法能大比率压缩视频数据采集量，减轻视频采集的数据管理负担，尤其适用于高分辨率高帧频视频信号的采集。

【技术实现步骤摘要】
一种视频压缩采集系统及其采集方法
本专利技术涉及一种视频压缩成像装置及其视频压缩采集方法，特别涉及一种视频压缩采集系统及其视频压缩采集的方法。
技术介绍
遥感成像、机器视觉、生物成像等诸多领域的应用发展对高帧频高分辨率图像连续采集技术提出了新的要求。在过往十年中，随着探测器性能和图像采集技术的不断提升，数字相机单幅图像的像素数由“兆”（百万）量级迈入“吉”（十亿）量级，图像帧频由每秒百帧突破每秒千帧达到每秒万帧，这使大阵列图像的高频采集所获视频的数据率达到每秒“艾”（百亿）像素的量级。如此高的数据率给系统带宽和存储容量等数据管理资源带来极大负担，高带宽的数据输出和存储又增大了成像系统所需耗费的电功率，这使高分辨率高帧率的视频采集技术难以被应用于资源受限的平台，其实际应用能力受到了限制。为克服大数据率成像的数据管理问题，先前技术在数据传输和存储两端对其进行压缩和解压缩，这在一定程度上减轻了数据管理资源面临的巨大负担。然而，额外的数据压缩和数据解压过程需通过特定的数据处理模块予以实现，后者提高了系统设计和构成的复杂度，增加了硬件开销，此外，数据的压缩和解压进一步增加了成像数据的处理耗时和功率开销。压缩感知技术在过去十年得到了持续研究和广泛关注。在本专利技术作出之前，文献“Single-PixelImagingviaCompressiveSampling”（IEEESIGNALPROCESSINGMAGAZINE，MARCH2008，83-91,2008）和“DevelopmentofaDMD-basedCompressiveSamplingHyperspectralImaging(CS-HSI)System”（Proc.ofSPIE，7932,79320I,2013）报道了将成像技术与压缩感知技术融合，成功研制了种类繁多的压缩成像系统。压缩成像系统首先对景物的光学信息进行一定的预处理，再将目标信息投射至面阵、线阵直至点探测器上，成像信息经空间维的压缩后，探测器采集到的是关于景物原始信息的压缩图像，基于压缩图像利用最优化算法可对目标原始信息进行重建。近年来，压缩成像从最初的灰度成像拓展至彩色成像、光谱成像等方向，并已被成功应用于偏振成像、层析成像等应用领域。中国专利技术专利“基于分离式二维压缩感知理论的压缩成像系统”（CN102821236A），该成像系统采用顺序结构，将图像通过聚焦透镜成像于数字微镜器件DMD，由构造的随机行测量矩阵控制DMD的微镜角度对图像的行信息进行处理；将获取的行信息通过微透镜阵列聚焦于线阵CMOS图像传感器上，由构造的随机列测量矩阵控制CMOS传感器像素读取对图像的列信息进行处理，至此实现一次成像过程，通过一定次数的成像过程获取图像的压缩信息，完成整个压缩成像。所述方法的不足主要有两点：一是其与现有众多基于压缩感知的压缩成像方法一样，实现了图像信息在空间维的压缩，但无法实现连续视频图像数据在时间维的压缩，二是其选取了数字微镜器件（DMD）实现图像信息的预处理，这需要额外耗费巨大的电功率和信号带宽。中国专利技术专利“基于压缩感知的高光谱成像仪及成像方法”（CN101893552A），成像仪包括透镜组、色散元件、空间光调制器、线列探测器和外围电路;被采集的线光源经过色散元件在空间上分开形成由空间维和光谱维组成的面光源,该面光源通过空间光调制器调制后在空间维的方向上重新汇聚,形成由光谱维组成的线光源,由线列探测器完成采样和量化;其成像方法是利用得到的高光谱压缩观测向量,通过分组及重构,得到高光谱图像。所述的方法实现了光谱数据立方体中一维空间信号和一维光谱信号的压缩，使三维光谱数据立方体得以降维至一维采集，但仅实现了采集目标的光谱图像，无法对连续视频信号在时间域的压缩及采集。现有的压缩成像技术在成像过程中实现了数据的并行压缩，大幅减小了成像数据量，在机器视觉、生物成像等领域展现出一定的应用能力。然而，现有压缩成像技术具有如下几处缺陷：1.当前的压缩成像技术主要被用以实现成像信息在空间域或频域的压缩，但尚未实现信息在时间维的压缩，这使现有压缩成像技术仅能用以采集离散图像，无法实现连续视频的获取，难以满足现有应用亟需的高帧频特别是超高帧频的视频采集需要；2.现有压缩成像装置借助于空间光调制器、数字微镜器件等光电器件实现对景物光学信息的预处理，对上述面阵器件进行的选址和显示控制需要耗费大量控制信息，上述新增的控制数据开销折损了压缩成像技术本身对数据采集量的降低效用，当器件面阵大、像素个数多时，上述折损效应愈加明显；3.现有压缩装置光电器件的驱动和显示在较大程度上增加了系统的功率开销，这使得现有压缩成像技术的使用受限于功率有限的应用平台（如遥感平台、野外工程车辆等）；4.当采用现有压缩成像技术对运动目标进行成像时，难以依据目标的运动状态开展有效的运动补偿，所获图像具有运动模糊，这不利于空间目标探测、产品流水在线监测、生物瞬态现象等运动目标的场景拍摄。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是针对现有压缩成像技术存在的不足，提供一种视频的压缩采集系统。实现本专利技术专利技术目的的技术方案是提供一种视频压缩采集系统，它包括物镜、无源光信号调制器件、高精度位移装置、位移装置驱动器、聚焦镜头和面阵探测器；景物经物镜成像于无源光信号调制器件，无源光信号调制器件对景物的光信号进行空间调制；面阵探测器的焦平面与无源光信号调制器件的调制平面，通过聚焦镜头呈共轭成像关系，在面阵探测器的焦平面上采集得到经调制的视频图像的压缩积分图像；所述的高精度位移装置为微米级位移步长的直流步进电机，所述的无源光信号调制器件为透射式或反射式的编码掩摸板；所述的面阵探测器为灰度探测器。本专利技术技术方案的一个优选方案是：所述的面阵探测器为面阵CCD探测器或面阵CMOS探测器。所述的编码掩摸板，其调制图案为二元化的编码矩阵或随机矩阵。所述的高精度位移装置其位移精度高于或等于探测器像元尺寸；高精度位移装置的位移总长度大于或等于调制器件的调制单元尺寸与视频采集压缩率的乘积；高精度位移装置完成单次位移的时间大于或等于采集视频的帧间间隔与视频采集压缩率的乘积。本专利技术技术方案还包括一种视频压缩采集方法，包括如下步骤：（1）成像配准步骤将景物通过物镜成像于无源光信号调制器件的调制单元阵列上，经调制单元阵列调制的出射光由聚焦镜头聚焦至面阵探测器焦平面；（2）一个数据采集周期内的视频压缩采集步骤无源光信号调制器件与位移装置连接，驱动器控制位移装置在小于或等于面阵探测器单次曝光采集帧数对应的总时间间隔内移动预设的距离，位移装置每完成一次位移，无源光信号调制器件的调制图案得以改变；面阵探测器在预设的数据采集周期内完成一次或若干次的曝光，在面阵探测器的曝光间隔内，面阵探测器的焦平面上采集经调制图案调制的景物的视频信号；每次曝光采集得到曝光时间内相应的调制图像的积分压缩图像；（3）一个数据采集周期内的视频重建步骤基于一个数据采集周期内得到的所有累积压缩图像，采用图像识别算法，得到景物在对应的这个数据采集周期内具有的运动矢量；采用最优化算法，重建一个对应数据采集周期内景物的原始视频图像；（4）数据采集周期内步骤的重复重复步骤（2）和（3），直至完成所需视频的压缩采集与重建。在步骤（2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种视频压缩采集系统，其特征在于：它包括物镜（2）、无源光信号调制器件（3）、高精度位移装置（6）、位移装置驱动器（7）、聚焦镜头（4）和面阵探测器（5）；景物经物镜（2）成像于无源光信号调制器件，无源光信号调制器件对景物的光信号进行空间调制；面阵探测器（5）的焦平面与无源光信号调制器件（3）的调制平面，通过聚焦透镜（4）呈共轭成像关系，在面阵探测器（5）的焦平面上采集得到经调制的视频图像的压缩积分图像；所述的高精度位移装置(6)为微米级位移步长的直流步进电机，所述的无源光信号调制器件(3)为透射式或反射式的编码掩摸板；所述的面阵探测器(5)为灰度探测器。

【技术特征摘要】
1.一种视频压缩采集系统，其特征在于：它包括物镜（2）、无源光信号调制器件（3）、高精度位移装置（6）、位移装置驱动器（7）、聚焦镜头（4）和面阵探测器（5）；景物经物镜（2）成像于无源光信号调制器件，无源光信号调制器件对景物的光信号进行空间调制；面阵探测器（5）的焦平面与无源光信号调制器件（3）的调制平面，通过聚焦镜头（4）呈共轭成像关系，在面阵探测器（5）的焦平面上采集得到经调制的视频图像的压缩积分图像；所述的高精度位移装置(6)为微米级位移步长的直流步进电机，所述的无源光信号调制器件(3)为透射式或反射式的编码掩摸板，无源光信号调制器件(3)被固定于高精度位移装置(6)上；所述的面阵探测器(5)为灰度探测器。2.根据权利要求1所述的一种视频压缩采集系统，其特征在于：所述的面阵探测器为面阵CCD探测器或面阵CMOS探测器。3.根据权利要求1所述的一种视频压缩采集系统，其特征在于：所述的编码掩摸板，其调制图案为二元化的编码矩阵或随机矩阵。4.根据权利要求1所述的一种视频压缩采集系统，其特征在于：所述的高精度位移装置其位移精度高于或等于探测器像元尺寸；高精度位移装置的位移总长度大于或等于调制器件的调制单元尺寸与视频采集压缩率的乘积；高精度位移装置完成单次位移的时间大于或等于采集视频的帧间间隔与视频采集压缩率的乘积。5.一种视频压缩采集方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宇恒，沈为民，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32