一种基于LCTF高光谱成像系统的图像压缩与重构方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于液晶可调滤光片(Liquid Crystal Tunable Filter,一般简称LCTF)高光谱成像系统的图像压缩与重构方法，避免在重构图像过程中由于原有CASSI系统存在的非线性色散而影响重构图像精度，并通过计算合成编码孔径的方法来解决编码孔径与探测器的像素尺寸的不匹配问题，提高重构图像的空间分辨率。本发明专利技术的高光谱成像系统中最小像素尺寸为探测器的像素尺寸，通过LCTF高光谱成像系统得到目标光谱图像序列；再对目标光谱图像序列中的单幅图像在水平方向上人为添加位移量，并将平移后的图像序列按顺序依次叠加在一起，得到混合后的图像。采用本发明专利技术的方法，相当于实现了线性色散，有利于分析编码孔径像素与探测器像素的对应关系，提高重构图像的精度。

A method of image compression and reconstruction based on LCTF hyperspectral imaging system

The invention discloses a liquid crystal tunable filter based on (Liquid Crystal Tunable Filter, commonly referred to as LCTF) hyperspectral imaging system image compression and reconstruction method, avoid the image reconstruction process due to the nonlinear dispersion existing in the original CASSI system and influence the reconstruction accuracy of the image, and to solve the problem of not matching pixel size encoding the method for calculating the aperture and detector by synthetic aperture encoding, improve the spatial resolution of the reconstructed image. The minimum pixel size of the hyperspectral imaging system of the present invention is the pixel size of the detector, obtain the target spectral image sequences using LCTF hyperspectral imaging system; then the single image spectral image sequence of artificial displacement in the horizontal direction, and the image sequences are shifted sequentially superimposed together, get the image after mixing. The method of the invention is equivalent to realizing linear dispersion, which is beneficial for analyzing the corresponding relation between coded aperture pixels and detector pixels, and improving the accuracy of reconstructed images.

【技术实现步骤摘要】
一种基于LCTF高光谱成像系统的图像压缩与重构方法
本专利技术涉及高光谱图像处理
，具体涉及一种基于LCTF(LiquidCrystalTunableFilter，液晶可调滤光片)高光谱成像系统的图像压缩与重构方法。
技术介绍
近年来，GehmM、JohnR等人将CS(compressivesensing)理论应用于光谱成像系统中，提出了一种编码孔径快照光谱成像仪(CodedApertureSnapshotSpectralImager，CASSI)。CASSI系统由光掩膜组、光学色散元件(如棱镜)和CCD探测器构成，在三维图谱数据立方体和探测器测量值之间提供了一个随机映射。首先，通过编码孔径和色散部件对目标场景的光场进行调制，再用CCD探测器获取一个二维的、对三维数据立方体的混叠投影，从而实现了对目标场景的图谱数据立方体的压缩编码。CASSI系统采用光掩膜组来实现CS测量模板，这种静态模板的应用极大地限制了CASSI系统的灵活性。如果想用一个不同的模板来实现CS的测量过程，就必须制造一个新的光掩膜组并且整个光谱成像系统需要重新排列搭建。后来，有研究者将数字微镜阵列(DigitalMicromirrorArrays,DMD)应用于成像系统设计中，提出了一种基于DMD的编码孔径快照光谱成像仪，应用DMD动态地产生不同的编码模板来实现CS测量过程，大大加强了成像系统的灵活性。目前的CASSI系统是利用编码孔径、光学色散元件(如棱镜)和CCD探测器在三维图谱数据立方体和探测器测量值之间搭建了一个随机映射。它先采用编码孔径和色散部件对目标场景的光场进行调制，再用CCD探测器获取三维数据体的二维投影，从而实现了对目标场景的图谱数据立方体的压缩编码，然后在解码端选用适当的重构算法从二维观测数据中复原出图像的原始图谱信息，实现了通过低分辨率的观测值来复原重构出高分辨率的原始图像。然而由于编码孔径的像素边长Δc通常与探测器的的像素边长Δd不同，无法实现编码孔径与探测器像素间的一一对应，重构图像的空间分辨率会因此降低。对此，有人提出了计算合成编码孔径的方法来解决编码孔径与探测器的像素尺寸的不匹配问题，提高重构图像的空间分辨率，适用于编码孔径的像素边长Δc比探测器的像素边长Δd大的情况。通常做法是分别在编码孔径和探测器中选取若干个像素组成一个超级像素，其中满足ε1Δd＝ε2Δc，ε1、ε2均为正整数且ε1≠ε2≠1，ε1<ε2，通过编码孔径与探测器之间的超级像素的一一对应关系进行运算，得到合成编码孔径。但通常建立的CASSI系统模型认为经过编码孔径后的体素在通过光学色散元件后仍然是一个立方体，即假设所有谱段的偏移为线性的，再投射到探测器中相应的像素上以简化模型，减少运算量。但事实上CASSI系统中用到的光学色散元件(如棱镜)存在非线性色散，通过光学色散元件后的体素会在水平方向上被拉伸成一个平行六面体，拉伸程度随着波长的变化而变化，使得在同一时间内投射到探测器中相应的像素上时，探测器中某一像素对应不同光谱段的编码孔径像素的权重难以确定，而且光学色散元件的非线性色散与波长有关，短波波长的色散比长波波长的色散显著，使得短波波长的光谱分辨率比长波波长的光谱分辨率高，直接影响光谱带宽的配准精度，难以进行准确校正。因此通过这种方法获得的压缩图像，由于非线性色散的存在，光谱分辨率会显著降低，重构图像的光谱分辨率与空间分辨率受非线性色散影响也会降低。为避免以上问题，如果将非线性色散考虑在内，建立与事实更相符的模型，模型将计算复杂且不易分析；再加上分光方式使能量分散，通常需要牺牲空间分辨率来获取较高的光谱分辨率，所以这种方式并不可行。总结起来，由于CASSI系统理论模型中假设只有线性色散，而CASSI系统中用到的光学色散元件非线性色散是事实存在的，因此重构图像的精度必然会降低。并且光学色散元件的非线性色散将导致CASSI系统的设计结果与实验结果出现较大的误差，给器件的设计和参数的标定工作带来困难。另外，在CASSI系统中，光谱维数(光谱波段数)决定光谱信息量的准确度，在经过光学色散元件进行色散之后成像波段范围分的波段数越多、分得越细，光谱分辨率就越高。当CASSI系统探测的波长范围一定时，可分成的谱段数与编码孔径和探测器的像素大小有关。假设编码孔径和探测器的像素尺寸都为Δ时，可分成的谱段数表示为L＝α((λ2-λ1)/Δ)，其中(λ2-λ1)表示系统的成像光谱范围，α表示光学色散元件的色散系数，当光学色散元件确定之后α的值也就确定了。当CASSI系统探测的波长范围一定时，编码孔径和探测器的像素尺寸越大，得到的谱段数越少，重构图像的光谱分辨率越低，因此CASSI系统中光谱分辨率的大小与编码孔径和探测器像素大小有关，对编码孔径和探测器像素大小有所限制。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种基于液晶可调滤光片(LiquidCrystalTunableFilter,一般简称LCTF)高光谱成像系统的图像压缩与重构方法，避免在重构图像过程中由于原有CASSI系统存在的非线性色散而影响重构图像精度，并通过计算合成编码孔径的方法来解决编码孔径与探测器的像素尺寸的不匹配问题，提高重构图像的空间分辨率。本专利技术的技术解决方案是：步骤1，获得目标光谱图像序列：采用基于LCTF的高光谱相机对目标进行拍照，设定基于LCTF的高光谱成像系统的波长步长；按照设定的波长步长将LCTF的中心波长按顺序依次转换，高光谱成像系统输出各个波长下的经过编码孔径调制的目标光谱图像，组成光谱间隔相同的目标光谱图像序列；步骤2，获得混合后的图像：按波长从长到短的顺序，将步骤1获得的目标光谱图像序列排序，然后将其中第k张光谱图像在水平方向上平移(k-1)个编码孔径像素的距离，k为光谱图像所在的光谱段，k＝1,2,...,L，L表示通过基于LCTF的高光谱相机得到的目标光谱图像序列的数目；将平移后的图像序列按顺序依次叠加在一起，得到混合后的图像即压缩编码图像；步骤3，基于步骤2所得到的压缩编码图像，计算一个探测器像素所对应的压缩编码图像的合成编码孔径；步骤4，利用步骤3得到的合成编码孔径，结合重构算法，重构出原始图像。其中，编码孔径的像素边长Δc比探测器的像素边长Δd大，当3Δd＝2Δc时，合成编码孔径的像素尺寸采用下式计算：其中，(m,n)为探测器像素坐标，根据3Δd＝2Δc，从探测器左上角开始每3×3个探测器像素组成一个超级像素，该超级像素刚好覆盖2×2个编码孔径像素，Tξ,η，Tξ,η+1，Tξ+1,η，Tξ+1,η+1为该探测器像素所属的超级像素所覆盖到的编码孔径像素，(ξ,η)、(ξ,η+1)、(ξ+1,η)、(ξ+1,η+1)分别为该探测器像素所属的超级像素所覆盖到的编码孔径像素的坐标，(ξ,η)与(m,n)之间的关系为下式：其中γ为编码孔径的像素边长Δc和探测器的像素边长Δd之比；μ、ν分别定义为其中，有益效果：基于LCTF的高光谱成像系统成像输出的光谱图，其光谱分辨率与液晶盒的结构有关，与编码孔径和探测器的像素大小无关，且LCTF高光谱成像系统波长切换快速、光谱范围适用域宽、成像光谱分辨率高，系统所涉及的工作波段、光谱通道甚至光谱分辨率等均可调；基于LC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LCTF高光谱成像系统的图像压缩与重构方法，其特征在于,包括以下步骤：步骤1，获得目标光谱图像序列：采用基于LCTF的高光谱相机对目标进行拍照，设定基于LCTF的高光谱成像系统的波长步长；按照设定的波长步长将LCTF的中心波长按顺序依次转换，高光谱成像系统输出各个波长下的经过编码孔径调制的目标光谱图像，组成光谱间隔相同的目标光谱图像序列；步骤2，获得混合后的图像：按波长从长到短的顺序，将步骤1获得的目标光谱图像序列排序，然后将其中第k张光谱图像在水平方向上平移(k‑1)个编码孔径像素的距离，k为光谱图像所在的光谱段，k＝1,2,...,L，L表示通过基于LCTF的高光谱相机得到的目标光谱图像序列的数目；将平移后的图像序列按顺序依次叠加在一起，得到混合后的图像即压缩编码图像；步骤3，基于步骤2所得到的压缩编码图像，计算一个探测器像素所对应的压缩编码图像的合成编码孔径；步骤4，利用步骤3得到的合成编码孔径，结合重构算法，重构出原始图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于LCTF高光谱成像系统的图像压缩与重构方法，其特征在于,包括以下步骤：步骤1，获得目标光谱图像序列：采用基于LCTF的高光谱相机对目标进行拍照，设定基于LCTF的高光谱成像系统的波长步长；按照设定的波长步长将LCTF的中心波长按顺序依次转换，高光谱成像系统输出各个波长下的经过编码孔径调制的目标光谱图像，组成光谱间隔相同的目标光谱图像序列；步骤2，获得混合后的图像：按波长从长到短的顺序，将步骤1获得的目标光谱图像序列排序，然后将其中第k张光谱图像在水平方向上平移(k-1)个编码孔径像素的距离，k为光谱图像所在的光谱段，k＝1,2,...,L，L表示通过基于LCTF的高光谱相机得到的目标光谱图像序列的数目；将平移后的图像序列按顺序依次叠加在一起，得到混合后的图像即压缩编码图像；步骤3，基于步骤2所得到的压缩编码图像，计算一个探测器像素所对应的压缩编码图像的合成编码孔径；步骤4，利用步骤3得到的合成编码孔径，结合重构算法，重构出原始图像。2.如权利要求1所述的一种基于LCTF的高光谱成像系统的图像压缩与重构方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：许廷发，谭翠媚，张宇寒，王茜，徐畅，闫歌，苏楠楠，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11