基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统及方法，该系统包括成像镜头、空间光调制器、探测器、控制模块和存储计算模块；控制模块用于将产生的n个1像素分辨率矩阵A

【技术实现步骤摘要】
基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统及方法
本专利技术涉及光学领域，特别涉及基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统及方法。
技术介绍
近年来，基于压缩感知的成像技术引起极大的关注。压缩感知理论是由Tao,Donoho和Candès等提出的一种基于下采样的采样定理，其出现打破了奈奎斯特采样定理。其优势在于对图像进行空间调制后，仅需使用一个探测器进行测量，为单像素成像提供了可行性。在多次调制与测量之后，将调制矩阵以及探测器的测量结果利用压缩感知算法，即可获得重建图像。由于压缩感知成像技术能够有效降低对探测器的要求，其被广泛应用于成像光谱、3D雷达、生物成像等方面。然而，压缩感知成像面临的一个最重要的挑战就是成像质量上仍存在不足。由于图像是通过压缩感知算法的后处理获得，而不是直接通过测量得到，不可避免其会产生重建误差。在众多解决方案中，优化测量矩阵的设计就是其中一项重要举措。由于测量矩阵必须满足RIP准则，最初使用的测量矩阵有高斯随机矩阵和随机二值矩阵，然而普通的随机矩阵始终存在一定局限性；随后，优化的哈德曼矩阵、傅里叶矩阵以及其它本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统，其特征在于，所述系统包括光学元件(I)和电学元件(II)；其中，所述光学元件(I)包括成像镜头(1)和空间光调制器(2)；所述电学元件(II)包括探测器(3)、控制模块(4)和存储计算模块(5)；/n所述控制模块(4)，用于将产生的n个1像素分辨率矩阵A

【技术特征摘要】
1.一种基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统，其特征在于，所述系统包括光学元件(I)和电学元件(II)；其中，所述光学元件(I)包括成像镜头(1)和空间光调制器(2)；所述电学元件(II)包括探测器(3)、控制模块(4)和存储计算模块(5)；
所述控制模块(4)，用于将产生的n个1像素分辨率矩阵A1与n个2像素分辨率矩阵A2发送到存储计算模块(5)，并将对应的n对具有空间频域多尺度特征的互补矩阵B1和B2发送至空间光调制器(2)；
所述成像镜头(1)，用于将成像目标的光信号汇聚到空间光调制器(2)；
所述空间光调制器(2)，用于根据n对互补矩阵B1和B2，分别对待成像目标进行调制；
所述探测器(3)，用于收集两路调制后的光信号，分别获得两路调制后图像的总光强测量结果，发送到存储计算模块(5)；
所述存储计算模块(5)，用于将n个互补矩阵B1调制后图像的总光强测量结果组成y1，将n个互补矩阵B2调制后图像的总光强测量结果组成y2；然后基于n个1像素分辨率矩阵A1和n个2像素分辨率矩阵A2，利用多尺度压缩感知重建算法分别获得1像素分辨率重建图像和2像素分辨率重建图像根据1像素分辨率重建图像和2像素分辨率重建图像获得待成像目标的重建图像。


2.根据权利要求1所述的基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统，其特征在于，所述成像镜头(1)为单个透镜或透镜组；所述的空间光调制器(2)为微反射镜阵列或液晶空间光调制器；所述的探测器(3)为光电倍增管、雪崩二极管、光电倍增管或电荷耦合器件。


3.根据权利要求1所述的基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统，其特征在于，所述控制模块(4)的具体实现过程为：
构造一个2像素分辨率的p-q随机二值矩阵A2，使其在每2×2区域内取值相同，划分2×2区域的起点随机；
将矩阵A2分解为一对互补矩阵B1和B2，使B1在每个2×2区域服从0-p的伯努利分布，同时B2在每个2×2区域服从0-q的伯努利分布；或者使B1在每个2×2区域服从0-q的伯努利分布，同时B2在每个2×2区域服从0-p的伯努利分布；
将B1和B2矩阵相减获得1像素分辨率矩阵A1：
A1＝B1-B2
重复以上步骤n次，产生n个2像素分辨率矩阵A2、n对互补矩阵B1、B2和n个1像素分辨率矩阵A1；
将n对具有空间频域多尺度特征的测量矩阵B1和B2发送至空间光调制器(2)；
将n对1像素分辨率矩阵A1和2像素分辨率矩阵A2发送至存储计算模块(5)。


4.根据权利要求3所述的基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统，其特征在于，所述空间光调制器(2)的具体实现过程为：
对单次采样的成像目标图像x，利用对应的矩阵B1对其进行调制后的图像为：



利用对应的矩阵B2对其进行调制后的图像为：



其中，e1和e2均表示误差。


5.根据权利要求4所述的基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像系统，其特征在于，所述存储计算模块(5)的具体实现过称为：
将n个矩阵B1调制后图像的总光强测量结果组成列矩阵y1，将n个矩阵B2调制后图像的总光强测量结果组成列矩阵y2；
利用y1-y2作为n个1像素分辨率矩阵A1的测量结果，y1+y2作为n个2像素分辨率矩阵A2的测量结果；
利用利用多尺度压缩感知重建算法，获得1像素分辨率重建图像与2像素分辨率重建图像
提取1像素分辨率重建图像的高频部分与2像素分辨率重建图像的低频部分，二者相叠加，获得待成像目标的重建图像。


6.一种基于空间频域多尺度调制与重建的压缩成像方法，基于权利要求1-5之一所述的系统实现，所述方法包...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘璠，刘雪峰，姚旭日，翟光杰，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11