一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法技术

本发明专利技术提供一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法，该方法为后续研究工作提供参考，同时能有效减少开发周期及成本。该方法包括以下步骤：步骤一、采集测试图像和训练过完备字典；步骤二、确定像元编码曝光模型的分辨率；步骤三、确定像元编码曝光模型S的大小；步骤四、生成像元编码曝光模型S；步骤五、在测试图像中提取N帧连续运动的子图；步骤六、计算编码曝光图像I并叠加噪声；步骤七、逐块求解稀疏系数

A simulation method of pixel encoding exposure for short wave infrared detector

【技术实现步骤摘要】
一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法
本专利技术涉及基于铟镓砷(IndiumGalliumArsenide,InGaAs)短波红外探测器的成像系统和基于压缩感知的图像处理技术，具体涉及一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法。
技术介绍
基于InGaAs短波(响应波段为0.9um～1.7um)红外探测器的相机在安防、工业、生物医学方面有着广泛的应用。在一些生物医学荧光成像和工业应用中，需要在弱光照条件下用短波红外相机捕获高速运动目标。由于目标能量较弱且运动快，低帧频(长积分时间)可以提高信噪比，同时也会引起严重的像移(运动模糊)；高帧频(短积分时间)可以有效解决像移问题，却无法获得所需的信噪比和动态范围，只能通过增加光学系统的尺寸获取更高的入射能量。在一些尺寸受限的应用中，折中选择很难达到满意的效果。类似的问题同样存在于部分可见光成像应用中。一些厂商和研究团队结合压缩感知(CompressiveSensing)技术，提出像元编码曝光技术。通过在探测器前加数字微镜器件(DigitalMicromirrorDevices，DMD)或者在每个像元读出电路中增加静态随机存储器(StaticRandomAccessMemory，SRAM)，在一帧曝光时间内，控制每个像元的积分状态，采用随机欠采样的方式将一帧图像分为N个子帧，再通过预先训练的过完备字典恢复信号，得到像移小、动态范围大的N帧连续输出图像。采用DMD会明显增加光学系统的尺寸(需要匹配微镜阵列和探测器像元)，而且DMD的低透光率不适合在弱光条件下使用。通过每个像元增加SRAM的方式实现像元编码曝光已经在可见光CMOS传感器上得到了应用，但这种技术尚未在短波红外探测器上实现。基于SRAM的像元编码曝光是一项复杂的研究，涉及到读出电路设计和流片，时间、资金成本高昂，因此有必要在开展研究之前对像元编码曝光技术在短波红外探测器上的效果进行仿真验证，为后续研究工作的开展提供有效的参考。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有基于SRAM的像元编码曝光探测器成本高以及开发周期长的问题，提供一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法。为实现以上专利技术目的，本专利技术所采用的技术方法如下：一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法，包括以下步骤：步骤一、采集测试图像和训练过完备字典；1.1)用短波红外相机在弱光条件下拍摄一张静止的场景，定义为测试图像Itest；1.2)采集多张不同场景、不同光照、不同运动方向的短波红外图像作为训练样本；1.3)利用步骤1.2)采集的训练样本训练过完备字典D；步骤二、确定像元编码曝光模型的分辨率；像元编码曝光模型S为随机测量矩阵，每个独立像元开始积分的时间是随机的，采用线性反馈移位寄存器实现随机序列，n位线性反馈移位寄存器实现的最大非全零序列数为2n-1，则像元编码曝光模型S的分辨率为(2n-1)×(2n-1)；步骤三、确定像元编码曝光模型S的大小；设定一帧积分时间分为N个子帧，N为可调参数，即每一帧编码曝光图像I可以恢复出N帧连续的图像，因此像元编码曝光模型S的大小为(2n-1)×(2n-1)×N；步骤四、生成像元编码曝光模型S；设定所有像元的积分持续时间均为L，像元(i,j)的积分起始子帧为m，则该像元(i,j)对应在像元编码曝光模型S中的数值为：其中，t表示像元编码曝光模型中的第t帧图；步骤五、在测试图像中提取N帧连续运动子图；在步骤1.1)中获取的测试图像Itest中随机截取N帧连续运动的、大小为(2n-1)×(2n-1)的连续运动图像U(i,j,t)；步骤六、计算编码曝光图像I；6..1)用像元编码曝光模型S(i,j,t)与连续运动图像U(i,j,t)相乘再进行求和，得到编码曝光图像I，实现欠采样过程，V(i,j,t)代表N帧欠采样图像；V(i,j,t)＝S(i,j,t)×U(i,j,t)；6.2)在MATLAB平台上用awgn函数对编码曝光图像I叠加高斯噪声，得到编码曝光图像步骤七、逐块求解稀疏系数；7.1)从左上角开始，按照从左到右、从上到下的方向，把编码曝光图像分成的w×w小块，再转为w2维列向量，定义为Ipatc；7.2)把过完备字典D的每一个原子分别等分为N段，再分别通过求和运算合并成w2维列向量，定义为生成过完备字典7.3)计算Ipatc和过完备字典中所有列向量的内积，得到传感矩阵θ，通过Lasso算法求解稀疏系数步骤八、计算恢复图像用过完备字典D与步骤七得到的稀疏系数相乘计算即再将重组为w×w×N三维数组；步骤九、得到恢复图像从左上角开始，按照从左到右、从上到下的方向，逐块移动w×w小块，重复执行步骤七和步骤八，直到完成遍历，完成遍历后把所有恢复图像组成恢复图像进一步地，步骤1.2)中，过完备字典训练采用K-SVD算法。进一步地，步骤二中，8位线性反馈移位寄存器实现的最大非全零序列数为255，则像元编码曝光模型的分辨率为255×255。进一步地，步骤6.2)中，高斯噪声的信噪比为SNR＝14dB，等效信噪比为5倍。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果为：本专利技术提供一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法，既能为后续的研究工作提供有效的参考，也能有效的减少开发周期及成本。这种基于SRAM的像元编码曝光的方法，能在不增加光学系统尺寸和成本的情况下，实现对弱光环境下运动目标的高质量成像，在部分尺寸受限的生物医学应用(如脑部荧光成像)和工业应用中有很好的实用价值。附图说明图1为本专利技术编码曝光模式下单帧积分时间内所有像元积分模型示意图；图2为本专利技术方法像元编码曝光成像模型示意图；图3为本专利技术方法在场景中采集的连续运动图像；图4为本专利技术方法在仿真中的连续欠采样图像；图5为本专利技术方法叠加噪声的编码曝光图像；图6为本专利技术方法恢复后的连续运动图像；图7为本专利技术短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法流程图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案进行详细说明。现有的短波红外像元编码曝光成像技术都是基于DMD实现的，由于需要匹配微镜阵列和探测器像元，导致光学尺寸和成本大幅增加，而且DMD的低透光率限制了其在弱光环境下对运动目标成像的应用。近几年，通过像元内集成的SRAM实现编码曝光成像已经在可见光CMOS上得到成功的应用，但国内外尚未有团队实现在短波红外探测器像元上增加SRAM实现编码曝光。基于此，本专利技术提供一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法，为后续的研究工作提供参考，也能有效的减少开发周期及成本。本专利技术提供了一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法，仿真目的是为了以欠采样的方式，将一帧图像分为N个子帧，每个像元的状态与其他像元完全独立，随机选择积分(曝光)起始时间和结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、采集测试图像和训练过完备字典；/n1.1)用短波红外相机在弱光条件下拍摄一张静止的场景，定义为测试图像I

【技术特征摘要】
1.一种短波红外探测器像元编码曝光的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采集测试图像和训练过完备字典；
1.1)用短波红外相机在弱光条件下拍摄一张静止的场景，定义为测试图像Itest；
1.2)采集多张不同场景、不同光照、不同运动方向的短波红外图像作为训练样本；
1.3)利用步骤1.2)采集的训练样本训练过完备字典D；
步骤二、确定像元编码曝光模型的分辨率；
像元编码曝光模型S为随机测量矩阵，每个独立像元开始积分的时间是随机的，采用线性反馈移位寄存器实现随机序列，n位线性反馈移位寄存器实现的最大非全零序列数为2n-1，则像元编码曝光模型S的分辨率为(2n-1)×(2n-1)；
步骤三、确定像元编码曝光模型S的大小；
设定一帧积分时间分为N个子帧，N为可调参数，即每一帧编码曝光图像I可以恢复出N帧连续的图像，因此像元编码曝光模型S的大小为(2n-1)×(2n-1)×N；
步骤四、生成像元编码曝光模型S；
设定所有像元的积分持续时间均为L，像元(i,j)的积分起始子帧为m，则该像元(i,j)对应在像元编码曝光模型S中的数值为：



其中，t表示像元编码曝光模型中的第t帧图；
步骤五、在测试图像中提取N帧连续运动子图；
在步骤1.1)中获取的测试图像Itest中随机截取N帧连续运动的、大小为(2n-1)×(2n-1)的连续运动图像U(i,j,t)；
步骤六、计算编码曝光图像I；
6..1)用像元编码曝光模型S(i,j,t)与连续运动图像U(i,j,t)相乘再进行求和，得到编码曝光图像I，实现欠...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈耀弘，王华，马迎军，罗鹰，李季，曾鸿，易波，谢庆胜，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61