基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法和系统。过程包括利用压缩光谱成像系统分别加载快照式编码模板和随机编码模板对场景成像，获取场景的低分辨率光谱信息和压缩编码信息；根据场景的低分辨率光谱信息和压缩观测信息，获取场景的互补压缩编码信息；将场景的压缩观测信息与互补压缩编码信息作为约束项，加入重构场景的目标函数；根据设置的求解方法，求解目标函数，解出原始的场景信息。本发明专利技术在观测次数较少时，相比传统的随机编码方法，重构质量更好；对于不同光谱波段，相比传统的随机编码方法，重构图像的质量更稳定、更好。并且，本发明专利技术在重构过程中，互补编码信息作为额外的约束项，充分利用了低分辨率先验信息，提高了重构场景信息的质量。提高了重构场景信息的质量。提高了重构场景信息的质量。

【技术实现步骤摘要】
基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法和系统


[0001]本专利技术涉及压缩光谱成像
，尤其是一种基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法和系统。

技术介绍

[0002]在科研和实际应用中，学者们和技术人员都渴望有一种理论或技术能在现有的高光谱成像理论和系统的基础上做更进一步的改进，以获得更高的光谱分辨率或空间分辨率并同时兼顾数据采集和传输问题。压缩感知理论的出现，给解决这一类问题提供了新的理论指导。压缩感知理论(Compressive Sampling or Compressed Sensing，CS)能够从远少于传统采样的观测值数量中恢复出完整的原始信号，为高维数据的获取提供了一种更加经济的新方法。它可以应用到一维的光谱数据采集，从较少的光谱观测值恢复出远多于观测值的光谱观测点，可以解决光谱分辨率不足的问题；进一步推广到二维图像应用，可以从图像的角度以较少的采样点多次观测图像，提高空间分辨率的同时突破探测器的制造技术或者成本限制；在三维数据的储存和传输阶段，利用高光谱数据的冗余度高，可压缩性好的特点，可直接储存原始数据，再利用压缩感知方法压缩需要传输的数据，或者直接获取压缩后的空间或光谱数据进行储存或者传输，再在其他处理阶段利用相应算法恢复原始数据。在过去的十多年里，压缩感知理论已经多次被应用在了光谱成像领域，例如编码孔径快照光谱成像仪(Coded Aperture Snapshot Spectral Imager，CASSI)，压缩高光谱成像仪(Compressive Sensing Hyperspectral Imager)，利用空谱编码的压缩高光谱成像系统(Compressive Hyperspectral Imaging System by Spectral and Spatial operators，CHISSS)等等。
[0003]设计观测矩阵的常见方法有3类，一种是的利用最小化相干准则的测量矩阵设计方法，这些设计方法来源于对RIP(restricted isometryproperty)准则某种等价转化；一种时利用通讯编码技术构造编码矩阵，常见的有正交光编码、BCH编码、LDPC编码；还有一种是结合压缩编码成像系统结构的编码矩阵设计，常见的有2016年特拉华大学提出的彩色编码模板，2017年提出的旋转编码模板，2020年北京理工大学提出的彩色相机获取高分辨率图像辅助编码模板设计。
[0004]就目前应用最广的传统编码方法而言，传统随机编码方法在观测次数较低时，存在重构光谱图像质量不佳的问题；传统随机编码方法，在不同光谱波段的重构光谱图像存在重构质量不稳定，波动较强的问题；基于低分辨率先验信息的编码方法，存在对低分辨率信息利用不足的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法，以解决在观测次数较少时，利用随机编码方法重构质量不佳的问题，以及利用低分辨率先验信息编码方法重构时，对场景低分辨率先验信息利用不充分
的问题。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法，包括：
[0008]A.利用压缩光谱成像系统分别加载快照式编码模板和随机编码模板对场景成像，获取场景的低分辨率光谱信息和压缩编码信息；
[0009]B.根据场景的低分辨率光谱信息和压缩观测信息，获取场景的互补压缩编码信息；
[0010]C.将场景的压缩观测信息与互补压缩编码信息作为约束项，加入重构场景的目标函数；根据设置的求解方法，求解目标函数，解出原始的场景信息。
[0011]进一步的，所述快照式编码模板各编码单元均为1。
[0012]进一步的，所述步骤A包括：
[0013]压缩光谱成像系统逐一变换光谱滤波器的中心波长对场景的空间光谱信息进行滤波，在快照式编码孔径和随机编码模板的作用下，分别对各波段下的空间光谱图像进行成像，对成像结果分别进行组合得到对应的低分辨率场景信息和压缩观测信息。
[0014]进一步的，所述步骤B包括：
[0015]根据快照式编码模板和随机编码模板，计算出互补编码模板；
[0016]利用互补编码模板分别对各波段下的空间光谱图像进行成像，对成像结果进行组合得到互补压缩编码信息。
[0017]进一步的，利用所述快照式编码模板和所述随机编码模板作差，计算出所述互补编码模板。
[0018]进一步的，所述步骤B包括：
[0019]将所述低分辨率光谱信息和所述压缩编码信息作差，得到所述互补压缩编码信息。
[0020]进一步的，所述步骤C包括：
[0021]将压缩观测信息和互补压缩编码信息写入重构场景的目标函数；
[0022]根据设置的求解方法，求解目标函数；
[0023]根据对目标函数的求解结果，遍历求解探测器平面上接受到的所有像素点的压缩观测值，得到原始的场景信息。
[0024]为解决上述全部或部分问题，本专利技术还提供了一种基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建系统，包括：
[0025]压缩单元，被配置为：利用压缩光谱成像系统分别加载快照式编码模板和随机编码模板成像对场景成像，获取对应的场景的低分辨率光谱信息和压缩编码信息；
[0026]互补压缩编码单元，被配置为：根据场景的低分辨率光谱信息和压缩观测信息，获取场景的互补压缩编码信息；
[0027]原始场景重建单元，被配置为：将场景的压缩观测信息与互补压缩编码信息作为约束项，加入重构场景的目标函数；根据设置的求解方法，求解目标函数，解出原始的场景信息。
[0028]进一步的，所述快照式编码模板各编码单元均为1。
[0029]进一步的，所述互补压缩编码信息为所述低分辨率光谱信息和所述压缩观测信息
的差值。
[0030]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0031]1、本专利技术在观测次数较少时，相比传统的随机编码方法，重构质量更好。
[0032]2、本专利技术对于不同光谱波段，相比传统的随机编码方法，重构图像的质量更稳定、更好。
[0033]3、本专利技术充分利用了场景的低分辨率先验信息，使其辅助生成了互补编码信息，包含了场景的更多潜在特征。在重构过程中，互补编码信息作为额外的约束项，提高了重构场景信息的质量。
附图说明
[0034]本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0035]图1是基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法流程图。
[0036]图2是本专利技术与随机编码方法在不同观测次数的实施效果对比图。
[0037]图3是本专利技术与随机编码方法在不同光谱波段的实施效果对比图。
具体实施方式
[0038]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法，其特征在于，包括：A.利用压缩光谱成像系统分别加载快照式编码模板和随机编码模板对场景成像，获取场景的低分辨率光谱信息和压缩编码信息；B.根据场景的低分辨率光谱信息和压缩观测信息，获取场景的互补压缩编码信息；C.将场景的压缩观测信息与互补压缩编码信息作为约束项，加入重构场景的目标函数；根据设置的求解方法，求解目标函数，解出原始的场景信息。2.如权利要求1所述的基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法，其特征在于，所述快照式编码模板各编码单元均为1。3.如权利要求1或2所述的基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法，其特征在于，所述步骤A包括：压缩光谱成像系统逐一变换光谱滤波器的中心波长对场景的空间光谱信息进行滤波，在快照式编码孔径和随机编码模板的作用下，分别对各波段下的空间光谱图像进行成像，对成像结果分别进行组合得到对应的低分辨率场景信息和压缩观测信息。4.如权利要求1或2所述的基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法，其特征在于，所述步骤B包括：根据快照式编码模板和随机编码模板，计算出互补编码模板；利用互补编码模板分别对各波段下的空间光谱图像进行成像，对成像结果进行组合得到互补压缩编码信息。5.如权利要求4所述的基于低分辨率先验信息互补编码的场景重建方法，其特征在于，利用所述快照式编码模板和所述随机编码模板作差，计算出所述互补编码...

【专利技术属性】
技术研发人员：许廷发，张宇寒，秦庆旺，王茜，吴聪，梁栋，李伟森，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，
类型：发明
国别省市：