本发明专利技术公开了一种基于压缩感知的双通道多光谱视频成像仪及成像方法。它包括分束器(1)、图像重构处理(4)和两个光路通道，其中第一光路通道(2)由第一物镜(21)、第一编码模板(22)，第一带通滤波器(23)，第一中继透镜组(24)，第一棱镜组(25)和第一阵列传感器(26)依次相连构成；第二光路通道(3)由第二物镜(31)，第二编码模板(32)，第二带通滤波器(33)，第二中继透镜组(34)，第二棱镜组(35)和第二阵列传感器(36)依次相连构成。原光谱图像X由分束器分成两束分别进入第一光路通道(2)和第二光路通道(3)，并分别得到混叠光谱图像X1和X2；图像重构处理器(4)根据输入的混叠光谱图像X1和X2重构出原始光谱图像X。本发明专利技术具有采样信息全、重构精度高、成本低的优点，可用于多光谱视频的获取。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及图像处理
，涉及多光谱视频数据的采集，主要应用于对多光谱视频图像信息的获取与重建。
技术介绍
早在20世纪60年代人造地球卫星围绕地球获取地球的图片资料时，成像就成为研究地球的有利工具。在传统的成像技术中，人们就知道黑白图像的灰度级别代表了光学特性的差异因而可用于辨别不同的材料。在此基础上，成像技术有了更高的发展，对地球成像时，选择一些不同颜色的滤波片分别对场景遮挡成像，这对于提高对特殊农作物、大气、 海洋、土壤等的研究和辨别能力大有裨益。这种以离散的几种颜色(或者几个波段)对景物成像，就是人们常说的多光谱成像，多次获得的多光谱图像在时间上相连则构成了多光谱视频。多光谱视频是一种高维数据，随着光谱分辨率的提高，多光谱视频数据急剧增加，针对多光谱视频数据量大的特点，为了能够保证大量的多光谱视频更加高效的传输和处理，高质量的图像压缩采样编码已经成为一个非常重要的技术。在传统方法中为了实现对多光谱视频数据高效的传输和处理，是对多光谱图像采样后进行压缩，大量的非重要的数据被扔掉，这种先采样再压缩的过程使得系统的复杂性增加，而且在要求采样速率较高的情况下，A/D转换器的实现就成为了一个难以解决的问题。如何解决这个问题，即用远低于奈奎斯特采样速率对信号进行采样，同时又可完全恢复信号成为了广大研究者关心的重点。2004 年由 E. J. Candes> J. Romberg、T. Tao 和 D. L. Donoho 等人提出了一种新的信号处理理论-压缩感知(Compressive Sensing),该理论的出现为解决上述问题带来了新的思路。压缩感知的基本思路从尽量少的数据中提取尽可能多的信息，这是一种有着极大理论和应用前景的想法。它是传统信息论的一个延伸，但是又超越了传统的压缩理论，成为了一门崭新的子分支。其数学模型假设长度为N的信号X在某个正交基或紧框架V下的系数是系数的，只含有非常少的非零系数，若将这些系数投影到另外一个与V不相关的观测①M*N, M < N，得到观测数据集合Y: M*1，信号X就可以根据观测值Y通过求解优化问题而精确恢复出来X = HimIIiFrXII1 s. t O^tX = Y由于X在变换域V中是稀疏的，通过求解上述范数优化问题得到恢复值X可以很好的逼近原信号X。由于多光谱图像信号具有可压缩性，只要找到合适的稀疏表示空间，就可以利用一个与变换基不相关的观测矩阵将变换所得的高维信号投影到一个低维空间上，有效地进行压缩采样，这样就可以在一定的光谱分辨率条件下降低相机的实现难度，或者在相同的技术条件下大幅提升多光谱分辨率；进一步通过优化问题的求解就可以从这些较少的投影中以较高的概率重构出原信号，可以证明这样的投影信息包含了重构原信号所需要的足够多的信息。在一般情况下，随机观测矩阵有着姣好的观测效果，这是因为随机矩阵几乎和所有的变换基矩阵不相关。目前为止，压缩感知理论在单幅图像的低速采样及重构中有较多应用，而对于多光谱成像而言，频谱宽、数据量大并且各谱段之间有较强的相关性的特点使得压缩感知理论很适用于多光谱图像的低速信息采集和重构。传统的转轮滤光式多光谱视频成像仪对一个场景依次更换滤光片分别成像，获取多张光谱维图像，受其成像原理的限制，传统的多光谱视频成像仪有较多不足(I)传统的多光谱视频成像仪采用机械转轮式的结构，这种结构会引起成像仪的震动，造成多光谱成像仪的成像质量低，且稳定性差；(2)传统的多光谱视频成像仪对每一光谱段图像进行成像均需要切换一次滤光片，使得成像效率和信噪比均比较低，而且对于性能良好的滤光片加工较为困难； (3)传统的多光谱视频成像方法采用先采样后压缩的方式，造成光谱数据的大量浪费，同时造成压缩失真。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种，以实现对多光谱视频图像数据的完整采集，提升多光谱视频成像仪的成像效率、稳定性和多光谱图像的质量，降低成像仪的实现难度和复杂度。本专利技术的技术原理是借鉴Ashwin A. Wagadarikar等人设计、提出的CASSI(Spectral Image Estimation for Coded Aperture Snapshot Spectral Imagers),在原有的单通道的基础上提出双通道技术，整个系统共分为两个部分数据观测部分和光谱图像重构部分。数据观测部分分为两个光路通道，光谱图像由分光器件分为两个包含信息完全一样的部分，然后分别进入两个光路通道，分别进行数据采样。由于两个通道中的随机编码模板是互补的，因此观测到的数据包含了光谱图像的完整信息。光谱图像重构部分接收数据观测部分采集到的数据，通过解非线性优化问题更高精度的重构出原光谱图像。根据上述原理，本专利技术基于压缩感知的双通道多光谱视频成像仪，其特征在于包括一个分束器、两个物镜、两个编码模板、两个带通滤波器、两个中继透镜组、两个棱镜组、两个阵列传感器和一个图像重构处理器；第一物镜、第一编码模板，第一带通滤波器，第一中继透镜组，第一棱镜组，第一阵列传感器依次相连，构成第一光路通道；第二物镜，第二编码模板，第二带通滤波器，第二中继透镜组，第二棱镜组，第二阵列传感器依次相连，构成第~■光路通道；所述分束器，将原始光谱图像X的光束分成两束进入所述的两个光路通道，进入第一光路通道的光束在第一物镜上聚焦成像，通过第一编码模板对光谱图像各位置上的光束进行随机遮挡，随机遮挡后的光谱图像的光束经过第一带通滤波器滤波，再由第一中继透镜组传递到第一棱镜组，产生色散，色散后的光谱图像的光束照射到第一阵列传感器上，得到第一路混叠的光谱图像X1传输给图像重构处理器；进入第二光路通道的光束在第二物镜上聚焦成像，并通过第二编码模板对光谱图像各位置上的光束进行随机遮挡，随机遮挡后的光谱图像的光束经过第二带通滤波器的滤波，再由第二中继透镜组传递到第二双棱镜组产生色散，色散后的光谱图像的光束照射到第二阵列传感器上，得到第二路的混叠的光谱图像X2传输给图像重构处理器；所述图像重构处理器，根据输入的第一路混叠光谱图像X1和第二路混叠光谱图像X2，利用非线性的优化方法重构出原光谱图像X。所述双通道的互补编码模板，其特征在于第一编码模板和第二编码模板，是由通光和不通光的大小相同的方格组成的矩形平面板，通光方格编码为1，不通光方格为遮光板，编码为0 ;第一编码模板的每一方格的编码随机设定；第二编码模板的每一方格的编码与第一编码模板的相反，实现对光谱图像的每一位置的图像信息的互补编码，保证对光谱图像信息采样的完整性。为实现上述目标，本专利技术基于压缩感知的双通道多光谱视频成像方法，包括如下步骤(I)将原光谱图像的光束分成两束，分别进入两个光路通道； ( 2 )获取光谱混叠图像X1 :(2a)在第一光路通道内对进入该通道内的光束聚焦成像，获得光谱图像；(2b)对光谱图像进行随机编码，即将光谱图像上的每一位置上的光束随机遮挡，被遮挡的位置编码为0，没有被遮挡的位置编码为I ;(2c)对编码后的光谱图像进行滤波，滤除需要重构的带宽以外的光谱图像的光束；(2d)对光谱图像各光谱维的图像在空间维的方向上进行搬移，即光谱图像的光束发生色散，实现每一光谱维图像之间相对位置的变化；(2e本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的双通道多光谱视频成像仪，其特征在于包括一个分束器、两个物镜、两个编码模板、两个带通滤波器、两个中继透镜组、两个棱镜组、两个阵列传感器和一个图像重构处理器；第一物镜(21)、第一编码模板(22)，第一带通滤波器(23)，第一中继透镜组(24),第一棱镜组(25),第一阵列传感器(26)依次相连,构成第一光路通道；第二物镜(31)，第二编码模板(32)，第二带通滤波器(33)，第二中继透镜组(34)，第二棱镜组(35)，第二阵列传感器(36)依次相连，构成第二光路通道； 所述分束器(I )，将原始光谱图像X的光束分成两束进入所述的两个光路通道，进入第一光路通道的光束在第一物镜(21)上聚焦成像，通过第一编码模板(22)对光谱图像各位置上的光束进行随机遮挡，随机遮挡后的光谱图像的光束经过第一带通滤波器(23)滤波，再由第一中继透镜组(24)传递到第一棱镜组(25)，产生色散，色散后的光谱图像的光束照射到第一阵列传感器(26)上，得到第一路混叠的光谱图像X1传输给图像重构处理器(4);进入第二光路通道的光束在第二物镜(31)上聚焦成像，并通过第二编码模板(32)对光谱图像各位置上的光束进行随机遮挡，随机遮挡后的光谱图像的光束经过第二带通滤波器(33)的滤波，再由第二中继透镜组(34)传递到第二棱镜组(35)产生色散，色散后的光谱图像的光束照射到第二阵列传感器(36)上，得到第二路的混叠的光谱图像X2传输给图像重构处理器⑷； 所述图像重构处理器(4)，根据输入的第一路混叠光谱图像X1和第二路混叠光谱图像X2，利用非线性的优化方法重构出原光谱图像X。2.根据权利要求I所述的基于压缩感知的双通道多光谱视频成像仪，其特征在于第一编码模板(22)和第二编码模板(32)，是由通光和不通光的大小相同的方格组成的矩形平面板，通光方格编码为1，不通光方格为遮光板，编码为O ;第一编码模板(22)的每一方格的编码随机设定；第二编码模板(32)的每一方格的编码与第一编码模板(22)的相反，实现对光谱图像的每一位置的图像信息的互补编码，保证对光谱图像信息采样的完整性。3.一种基于压缩感知的双通道多光谱视频成像方法，包括如下步骤 (1)将原光谱图像的光束分成两束，分别进入两个光路通道； (2)获取光谱混叠图像X1 (2a)在第一光路通道内对进入该通道内的光束聚焦成像，获得光谱图像； (2b)对光谱图像进行随机编码，即将光谱图像上的每一位置上的光束随机遮挡，被遮挡的位置编码为O，没有被遮挡的位置编码为I ; (2c)对编码后的光谱图像进行滤波，滤除需要重构的带宽以外的光谱图像的光束； (2d)对光谱图像各光谱维的图像在空间维的方向上...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘丹华，李国，石光明，高大化，王立志，刘阳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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