本发明专利技术公开的一种压缩感知光电成像方法及装置，涉及基于光学离焦与Binning下采样的压缩感知光电成像方法装置，属于光电技术领域。本发明专利技术包括如下步骤：通过光学系统的轴向离焦对输入光学图像进行高斯滤波，使下采样观测矩阵与图像重建时所用稀疏基的相关性下降，从而满足严格等距条件；对高斯滤波后的图像信号进行下采样，基于单次下采样获得低像素的图像，得到的图像包含重建原始图像所需的全部测量值；基于单次压缩采集图像进行高分辨率图像的重建，得到所需高分辨率成像图像。本发明专利技术还公开一种压缩感知光电成像装置。本发明专利技术可提高压缩感知光电成像系统的速率特性和对动态目标的成像能力，并可以降低压缩感知光电成像系统的实现难度和成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种压缩感知光电成像方法及装置，尤其涉及一种基于光学离焦与 Binning下采样的压缩感知光电成像方法及装置，属于光电
技术介绍
传统的信号采集和处理过程一般由四个环节组成，即：采样、压缩、传输和解压缩。 上述采样过程遵循奈奎斯特 -香农（Nyquist-Shannon)采样定理，即：采样频率必须是其最 高频率的两倍以上，才能保证从采样值中较完整地重建出原始信号。基于奈奎斯特-香农 采样定理的信号采集和处理方法存在两大缺陷：（1)在信号采集时，由于信号的采样速率 不得低于两倍的信号带宽，导致其采样数据量庞大，对硬件设备的频率、带宽及信道容量带 来了巨大的挑战。（2)数据的压缩、传输、存储造成很大程度的时间和资源浪费。随着人们 对信息需求量的增加，携带信息的信号带宽越来越宽，对信号处理框架的采样速率和处理 速度要求也越来越高，导致传统的基于奈奎斯特-香农采样定理的传统信号采集和处理方 法受到越来越严峻的挑战。 压缩感知（Compressed Sensing, CS)理论为解决上述问题提供了新的途径。压缩 感知理论充分利用信号的可压缩性实现信号采集和编解码。在信号满足可压缩性的前提 下，压缩感知将信号采样与压缩相结合，可在低数据量的条件下实现精确信息重建。将压缩 感知理论应用于光电成像领域，可在图像采集阶段，仅获取低分辨率图像信息，以降低对存 储器和传输带宽的要求。需要时，可通过稀疏变换、图像重建算法重建出高分辨率图像信 息，进而实现压缩感知成像。因此，压缩感知技术在光电成像领域具有重要的应用前景。 目前，典型的压缩感知光电成像系统主要包括： (1)单像素压缩感知成像系统 单像素压缩感知成像系统主要通过光路系统将成像目标投影至数字微镜器件 (DMD, Digital Micromirror Device)，经由DMD反射的入射光由透镜会聚于单个光敏二极 管，并产生测量值。将此投影操作重复M次（M多KlogN)，得到M个观测值。而后，采用最小 全变分算法对测量值进行处理，进而重建出原始图像信息。由于此类成像系统采用DMD对 成像目标进行编码，需要连续采样M次才能获得重建原始图像所需的全部测量值，其成像 过程耗时较长，难以对动态目标成像。此外，DMD的成本相对较高，导致单像素压缩感知成 像系统的价格昂贵。 (2)基于编码孔径的压缩感知成像系统 基于编码孔径的压缩感知成像系统通过在光学系统入瞳处设置编码孔径模板实 现图像的压缩采样。在编码孔径成像系统中，入射光经编码孔径后直接投影在光电探测器 像面上，每个物点在探测器像面上形成一个编码孔径的投影图像。不同物点产生的像因相 互错开、叠加而在接收平面上形成退化的、重叠的二维分布信号即编码像。最终，通过设计 适当的孔径编码模板实现图像的压缩成像。此类成像系统所存在的主要问题包括：1)基于 编码孔径的压缩感知成像系统的投影矩阵标定工作量巨大，使其难以实现高分辨率压缩成 像（百万像素的成像系统需在物平面IO5个不同位置上计算点光源的扩散函数，才能标定 出投影矩阵）。2)存在一些尚未明确的问题。例如：孔径尺寸、编码孔径模板结构与压缩图 像恢复精度之间的关系等。 (3)基于随机反射镜的压缩感知成像系统 基于随机反射镜的压缩感知成像系统一般由平面反射镜、随机拼接反射镜片组和 光电探测器构成。来自成像目标的入射光经由随机反光镜组和平面反射镜的反射，在光电 探测器上成像。由于成像目标上每一点的入射光均有可能经由随机反光镜在光电探测器上 成像。因此，可基于随机拼接的反光镜实现随机投影矩阵功能，进而实现压缩感知成像。与 基于编码孔径的压缩成像类似，基于随机反射镜的压缩感知成像系统同样存在投影矩阵标 定难的问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的成像过程耗时较长，难以对动态目标成像，投影矩阵标定难 的问题，本专利技术要解决的技术问题是提供一种压缩感知光电成像方法及装置，基于光学离 焦与Binning下采样压缩感知光电成像，通过单次采样即可获得重建原始图像所需的全部 测量值，提高压缩感知光电成像系统的速率特性和对动态目标的成像能力，并可以降低压 缩感知光电成像系统的实现难度和成本。 本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。 本专利技术公开的是一种压缩感知光电成像方法，基于光学离焦与Binning下采样压 缩感知光电成像，具体包括如下步骤： 步骤一：通过光学系统的轴向离焦对输入光学图像进行高斯滤波，使下采样观测 矩阵与图像重建时所用稀疏基的相关性下降，从而满足压缩感知理论中的严格等距条件 (Restricted Isometry Condition, RIC)〇 严格等距条件是运用压缩感知理论的重要条件，简单来说，严格等距条件为观测 矩阵与稀疏基尽量不相关。在本专利技术中，观测矩阵为下采样矩阵，与稀疏基相关性太大，所 以需要对输入光学图像进行高斯滤波，从而降低下采样观测矩阵与稀疏基的相关性，从而 满足严格等距条件。具体是通过调整光学系统的焦距，使光学系统的像面与图像传感器的 光敏面不重合实现的。 步骤二：通过图像传感器的Binning(像素合并）功能对高斯滤波后的图像信号进 行下采样，基于单次下采样获得低像素的图像，得到的图像包含重建原始图像所需的全部 测量值，用于步骤三的图像重建。 Binning是一种固体图像传感器的信号读出模式，是将相邻像元感应的电荷累加 在一起，以一个像素的模式读出。利用Binning技术将VXH个像素值求均值，将所求均值 作为一个像素值使用，以达到对高斯滤波后的图像信号进行下采样的目的，进而实现压缩 感知理论中的测量矩阵。所述的Binning下采样得到的像素值即为重建原始图像所需的全 部测量值。 步骤三：基于单次压缩采集图像进行高分辨率图像的重建，得到所需高分辨率成 像图像。 由于步骤二中的下采样观测矩阵与稀疏基满足严格等距条件（RIC)。因此，利用压 缩感知理论中的常规稀疏变换、图像重建算法，基于单帧压缩采集图像即可重建出高分辨 率图像信息，进而实现压缩感知成像得到所需高分辨率成像图像。 所述的常规稀疏变换可以用小波矩阵、高斯矩阵、伯努力矩阵与傅里叶矩阵等实 现，所述的图像重建算法可通过正交匹配追踪法（OMP)、正则化正交匹配追踪法（ROMP)等 实现。 本专利技术的一种压缩感知光电成像方法，避免了单像素压缩感知成像系统、基于编 码孔径的压缩感知成像系统所存在的多次采样问题，基于单次采样即可获得重建原始图像 所需的全部测量值，从而极大地提高了压缩感知光电成像系统的速率特性，提高了其对动 态目标的成像能力。 本专利技术的一种压缩感知光电成像方法，无需编码孔径压缩感知成像系统、随机反 射压缩感知成像系统所需的繁琐、大数据量的标定过程，仅通过常规的光学离焦与Binning 下采样技术即可实现压缩感知光电成像，极大地降低了压缩感知光电成像系统的实现难 度，易于实现。 本专利技术的一种压缩感知光电成像方法，无需DMD和随机拼接反射镜片组等昂贵的 微光学器件及其控制组件，极大地降低了压缩感知光电成像系统的成本。 -种实现压缩感知光电成像方法的装置，按从左到右的顺序包括高斯滤波模块、 下采样模块、存储器、稀疏表示模块和信号重建模块，上述各部分的主要作用及本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种压缩感知光电成像方法，其特征在于：基于光学离焦与Binning下采样压缩感知光电成像，具体包括如下步骤，步骤一：通过光学系统的轴向离焦对输入光学图像进行高斯滤波，使下采样观测矩阵与图像重建时所用稀疏基的相关性下降，从而满足压缩感知理论中的严格等距条件；步骤二：通过图像传感器的Binning功能对高斯滤波后的图像信号进行下采样，基于单次下采样获得低像素的图像，得到的图像包含重建原始图像所需的全部测量值，用于步骤三的图像重建；所述的Binning是一种固体图像传感器的信号读出模式，是将相邻像元感应的电荷累加在一起，以一个像素的模式读出；利用Binning技术将V×H个像素值求均值，将所求均值作为一个像素值使用，以达到对高斯滤波后的图像信号进行下采样的目的，进而实现压缩感知理论中的测量矩阵；所述的Binning下采样得到的像素值即为重建原始图像所需的全部测量值；步骤三：基于单次压缩采集图像进行高分辨率图像的重建，得到所需高分辨率成像图像。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：宋勇，赵宇飞，郝群，赵尚男，韩劭纯，谢定超，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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