高速高光谱成像系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及计算摄像学技术领域，本发明专利技术公开了高速高光谱成像系统和方法，该系统包括二维阵列相机、高光谱相机、光路装置和重建模块，其中，光路装置，用于使得目标场景置于光路中；二维阵列相机和所述高光谱相机，用于在计算机控制下同步触发二维阵列相机和高光谱相机对目标场景进行采样得到二维空间测量值和三维空间光谱测量值；重建模块，用于通过第一预设算法对二维场景测量值进行计算得到目标场景的运动变化信息，并利用第二预设算法和运动变化信息对三维空间光谱测量值进行矫正，以根据矫正结果得到目标场景的完整高光谱重构图像。本发明专利技术可以实现高质量的高速高光谱成像。本发明专利技术可以实现高质量的高速高光谱成像。本发明专利技术可以实现高质量的高速高光谱成像。

【技术实现步骤摘要】
高速高光谱成像系统和方法


[0001]本专利技术涉及计算摄像学
，特别是涉及高速高光谱成像系统和方法。

技术介绍

[0002]高光谱成像是一种成像技术与光谱技术相结合的技术，其探测目标的二维空间和一维光谱信息得到三维的空间光谱立方体信息，其获得的高光谱数据分辨率连续，波段窄。可应用在食品安全、医学诊断、航空航天等领域。
[0003]基于光栅分光的高光谱相机，通过光栅的衍射分光，二维图像上的每个点，可以形成一条谱带，照射到探测器上。这样的一个点就对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，要想完成对二维空间的成像，只需要基于线成像的基础上增加一个机械推扫，即可采集整个图像和光谱数据。这类高光谱成像技术光谱分辨率高，可实现约3nm的光谱分辨率，但由于其完整成像周期内，单次只对图像的一条线成像，因此其要求探测目标保持静止，否则会产生不同成像位置出重复出现已采集数据或丢失未采集数据的现象。
[0004]除了直接对三维光谱数据直接成像外，还有基于压缩感知理论的压缩光谱成像技术，其将三维光谱数据立方体依次经过空间调制和光谱调制后投影到二维探测器上进行压缩成像，再通过算法从混叠的二维探测数据中重构出三维数据立方体。2008年，美国杜克大学的Ashwin基于压缩光谱成像技术提出了编码孔径压缩光谱成像（Coded Aperture Snapshot Spectral Imaging, CASSI），使用二维空间编码对三维光谱数据立方体进行空间调制，再使用光栅对其进行光谱调制，然后在二维探测器上对多个空间调制结果进行重叠成像，最后使用重构算法重建出原始的三维光谱数据立方体。该方法只需要探测器进行一次成像，具有成像速度快的优点，但该方法的重建质量依赖于空间编码调制，并且其无法实现高光谱成像，只能重建出有限光谱谱段的数据。
[0005]还有基于凝视成像的多光谱成像技术，但其成像的光谱谱段数量依赖于所使用的滤光片数量，同样难以实现高光谱甚至超光谱成像。而基于此类技术衍生出来的基于滤光片掩膜的方法，其直接在探测器的像元尺度制作不同波段的滤光片实现多光谱成像，其成像速度更快，单次曝光成像即可实现多光谱成像，但其所成光谱谱段数量同样依赖于所设计的掩膜数量，并且存在于所成光谱谱段数量与所成图像空间分辨率成反比的制约关系，同样难以实现高光谱成像。目前该类高光谱相机成像速度慢，并要求探测目标保持静止的缺点。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0007]为此，本专利技术提出一种高速高光谱成像系统，通过额外增加一个二维阵列相机与高光谱相机进行同步成像，构建双相机系统。并且在重构算法中首先使用普通相机测量值分解出场景的运动，再使用矫正算法矫正线推扫高光谱相机的探测结果，实现了高速的高光谱成像。
[0008]本专利技术的另一个目的在于提出一种高速高光谱成像方法。
[0009]为达上述目的，本专利技术一方面提出一种高速高光谱成像系统，该包括二维阵列相机、高光谱相机、光路装置和重建模块，其中，所述光路装置，用于使得目标场景置于光路中；所述二维阵列相机和所述高光谱相机，用于在计算机控制下同步触发所述二维阵列相机和所述高光谱相机对目标场景进行采样得到二维空间测量值和三维空间光谱测量值；所述重建模块，用于通过第一预设算法对所述二维场景测量值进行计算得到目标场景的运动变化信息，并利用第二预设算法和所述运动变化信息对所述三维空间光谱测量值进行矫正，以根据矫正结果得到目标场景的完整高光谱重构图像。
[0010]另外，根据本专利技术上述实施例的高速高光谱成像系统还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述重建模块，还用于：通过场景运动分解算法对二维阵列相机在高光谱相机的完整采样周期内所采集的二维空间测量值进行计算，以得到各个采样时间间隔的目标场景的运动变化信息；利用基于时空耦合的矫正算法和根据所述二维空间测量值计算得到的运动变化信息对高光谱相机在完整采样周期内所采集的低时间分辨率的三维空间光谱测量值进行矫正以得到具有高时间分辨率的三维空间光谱值。
[0011]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述二维阵列相机和所述高光谱相机分别采集得到每一个时刻的二维场景空间测量值和每个时刻各不相同的空间位置的三维空间光谱测量值。
[0012]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述二维阵列相机的成像空间分辨率大于所述高光谱相机的成像空间分辨率。
[0013]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述二维阵列相机和所述高光谱相机相互配准；所述光路装置至少包括光源。
[0014]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述重建模块，还用于利用针对图像逐点匹配的图像配准方法分解在完整采样周期内所采集的二维空间测量值以得到任意时刻间隔下目标场景的运动变化信息。
[0015]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述重建模块，还用于高光谱相机在完整成像周期需要成像帧图像，即个时刻；对帧图像的每一帧，依次计算与剩余帧之间的运动变化信息：其中，其中和分别表示二维阵列相机在时刻和时刻所采集得到的二维测量值，表示时刻与时刻之间的运动变化信息，表示针对图像逐点匹配的图像配准方法。
[0016]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述高光谱相机在单次触发的时刻，得到空间尺寸为的二维谱面测量值，其中表示光谱维度的谱段数，表示高光谱相机成像空间中的一条高为像素的线；假设高光谱相机的成像空间宽度为像素，则；高光谱相机每一时刻采集到一条线的谱面信息，在下一时刻则采集相邻线的谱面信息，完整成
像周期，对于时刻位置，仅有成像空间中横坐标为，高为像素的一条线中所有像素点的真实光谱信息；用表示时刻为，高为，宽为的像素位置的光谱数据，重建任务为重建所有的,,的数据。
[0017]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述重建模块，还用于对待求解的数据值，遍历所有帧的运动变化，计算得到数据值运动到每一时刻帧中的坐标，其中；遍历所有的新坐标，若，则表明当前新坐标位于时刻的高光谱相机的真实测量值中，则待求解的数据值搜索匹配成功，有。
[0018]为达上述目的，本专利技术另一方面提出一种高速高光谱成像方法，包括：构建基于目标场景的光路；基于所述光路对目标场景进行采样得到二维空间测量值和三维空间光谱测量值；利用第一预设算法对所述二维场景测量值进行计算得到目标场景的运动变化信息；利用第二预设算法和所述运动变化信息对所述三维空间光谱测量值进行矫正，以根据矫正结果得到目标场景的完整高光谱重构图像。
[0019]本专利技术实施例的高速高光谱成像系统和方法，使用普通相机测量值分解出场景的运动，再使用矫正算法矫正线推扫高光谱相机的探测结果，实现了高速的高光谱成像。
[0020]本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0021]本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速高光谱成像系统，其特征在于，所述系统包括二维阵列相机、高光谱相机、光路装置和重建模块，其中，所述光路装置，用于使得目标场景置于光路中；所述二维阵列相机和所述高光谱相机，用于在计算机控制下同步触发所述二维阵列相机和所述高光谱相机对目标场景进行采样得到二维空间测量值和三维空间光谱测量值；所述重建模块，用于通过第一预设算法对所述二维场景测量值进行计算得到目标场景的运动变化信息，并利用第二预设算法和所述运动变化信息对所述三维空间光谱测量值进行矫正，以根据矫正结果得到目标场景的完整高光谱重构图像。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述重建模块，还用于：通过场景运动分解算法对二维阵列相机在高光谱相机的完整采样周期内所采集的二维空间测量值进行计算，以得到各个采样时间间隔的目标场景的运动变化信息；利用基于时空耦合的矫正算法和根据所述二维空间测量值计算得到的运动变化信息对高光谱相机在完整采样周期内所采集的低时间分辨率的三维空间光谱测量值进行矫正以得到具有高时间分辨率的三维空间光谱值。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二维阵列相机和所述高光谱相机分别采集得到每一个时刻的二维场景空间测量值和每个时刻各不相同的空间位置的三维空间光谱测量值。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二维阵列相机的成像空间分辨率大于所述高光谱相机的成像空间分辨率。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二维阵列相机和所述高光谱相机相互配准；所述光路装置至少包括光源。6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述重建模块，还用于利用针对图像逐点匹配的图像配准方法分解在完整采样周期内所采集的二维空间测量值以得到任意时刻间隔下目标场景的运动变化信息。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：边丽蘅，吴锦煊，李道钰，秦同，郑德智，张军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：