本发明技术属于领域，涉及一种基于压缩感知的光谱相机及成像方法，具体涉及一种基于全通单模板互补采样的光谱相机及成像方法，可应用于对矿产勘探，自然灾害监测和军事侦察等领域。
背景技术：
：现实中的物质都以其独特的辐射、吸收或反射光谱的形式存在。光谱成像是从光谱和空间两方面来刻画客观世界的“图像和光谱合一”的三维数据立方体，它不仅能提供被观测物体的影像，还能提供其吸收与反射光谱的强度信息。而物体的光谱信息不是恒定不变的而是由于多种因素的影响不断变化的，这使得光谱成像技术被广泛应用于军事侦察、资源勘探、地质灾害监测、医疗诊断等领域。因此，光谱成像技术在民用和军用领域都具有极其宽广的应用前景，人们一直在不断地探索研究各种光谱成像系统和成像方法，但当前的技术还存在诸多瓶颈，主要包括：1.光谱图像是一个由二维空间信息和一维光谱信息构成的三维数据块，它在空间分辨率和光谱分辨率提高的同时，数据量也会在急剧倍增；2.传统的光谱图像在获取后，还要再进行压缩，大量的重要数据被抛弃，这不仅加大了系统结构复杂度，又浪费了大量的重要信息。人们就想到一些问题，是否可以在获取图像的同时，对其进行压缩，是否能把信号变换到其他域，使得在原信息不损失的条件下，用低于奈奎斯特采样率的速率采样信号，进行信号完全重构。幸运的是，压缩感知(CompressedSensing，CS)理论的出现，为以上问题的解决带来了灵感，引起了研究人员的广泛关注。该理论指出，只要信号是可压缩的或在某个变换域是稀疏的，那么就可以用一个与变换基不相关的观测矩阵将变换所得高维信号投影到一个低维空间上，然后通过求解一个优化问题就可以从这些少量的投影中以高概率重构信号的足够信息。美国杜克大学的研究人员就根据上述理论设计并研制出CASSI(CodedApertureSnapshotSpectralImagers，即编码孔径快照成像)系统，它利用随机编码模板对图像进行编码以及色散元件对图像进行色散来完成对光谱图像的观测，最后通过压缩感知理论重构出原图像。但是这个系统仅利用了单通道进行观测，并且由于编码模板的选通性，丢失了很多重要信息，严重影响了重构质量。为了提高光谱图像的重构质量，现有光谱成像系统通过在透镜前添加分束器增加一个光路通道来回收CASSI系统丢失的重要信息，例如中国专利申请，申请公布号为CN102706450A，名称为“基于压缩感知的双通道多光谱视频成像仪及成像方法”的发明专利，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，成像仪包括分束器、图像重构处理和两个光路通道，其中第一光路通道由第一物镜、第一编码模板，第一带通滤波器，第一中继透镜组，第一棱镜组和第一阵列传感器依次相连构成；第二光路通道由第二物镜，第二编码模板，第二带通滤波器，第二中继透镜组，第二棱镜组和第二阵列传感器依次相连构成。原光谱图像X由分束器分成两束分别进入第一光路通道和第二光路通道,并分别得到混叠光谱图像X1和X2；图像重构处理器根据输入的混叠光谱图像X1和X2重构出原始光谱图像X。该系统中的编码模板是采用0-1随机分布的面阵，数字1表示对光谱图像透光，数字0表示对光谱图像不透光。该系统在CASSI系统的基础上，增加的第二光路通道，将CASSI系统丢失的重要信息回收利用，提高了光谱信息利用率，从而提升了重构质量。但存在的缺陷是由于系统中增加的互补通道，提高了系统结构的复杂度，且分束器将光谱图像的光强削减了一半，导致了光通量低，曝光时间长，从而影响了重构质量。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于全通单模板互补采样的光谱相机及成像方法，用于解决现有光谱成像系统系统结构复杂，且因为光通量低及曝光时间长而造成的光谱图像重构质量差的技术问题。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：基于全通单模板互补采样的光谱相机，包括依次排列的透镜组1、编码模块2、观测模块3和图像重构模块4，编码模块2包括编码模板；编码模板采用由多个透射阵元和反射阵元随机组合的面阵结构，且与光谱图像的透射方向成锐角，用于对光谱图像的透射信息和反射信息分别进行随机采样，得到编码的光谱图像的透射信息和与之互补的反射信息；上述观测模块3包括透射观测模块31和反射观测模块32，且该两个观测模块31和32分别位于编码模板的后方和下方，用于对已编码的光谱图像进行透射观测和反射观测。上述基于全通单模板互补采样的光谱相机，编码模板与光谱图像的透射方向所成锐角为45度。上述基于全通单模板互补采样的光谱相机，透射观测模块31包括依次设置的第一色散棱镜311和第一面阵检测器312，其中，第一色散棱镜311用于对已编码的光谱图像透射信息进行色散；第一面阵检测器312用于对经过色散的光谱图像进行观测，获得混叠的观测图像。上述基于全通单模板互补采样的光谱相机，反射观测模块32包括依次设置的第二色散棱镜321和第二面阵检测器322，其中，第二色散棱镜321用于对已编码的光谱图像反射信息进行色散；第二面阵检测器322用于对经过色散的光谱图像进行观测，获得混叠的观测图像。上述基于全通单模板互补采样的光谱相机，透射观测模块31和反射观测模块32，分别位于编码模板的正后方和正下方。上述基于全通单模板互补采样的光谱相机的成像方法，包括如下步骤：步骤1.对原始光谱图像进行观测，具体步骤为：步骤1a.设原始光谱图像矩阵为f0，其大小为M×N×L，其中M×N为光谱图像空间分辨率，L为光谱图像的光谱分辨率；步骤1b.设矩阵f0中任意一点的光谱信息为f0(m,n,k)，其中m和n表示空间维坐标，k表示光谱维坐标，且0≤m≤M-1，0≤n≤N-1，0≤k≤K-1；步骤1c.利用编码函数T1(m,n)对经过编码模板的透射和反射的光谱图像分别进行编码，得到编码的透射信息和反射信息分别为f11(m,n,k)和f21(m,n,k)，且该两个信息互补，即：f11(m,n,k)＝f0(m,n,k)T(m,n)，f21(m,n,k)＝f0(m,n,k)(1-T(m,n))其中，编码函数T1(m,n)随机取0或1；步骤1d.分别将已编码的透射信息f11(m,n,k)和反射信息f21(m,n,k)中的第k个谱段的信息平移k个像素，即将第k个谱段第m行的信息平移到第m-k行，得到色散之后的透射信息f12(m,n,k)和反射信息f22(m,n,k)，分别表示为：f12(m,n,k)＝f11(m-k,n,k)＝f0(m-k,n,k)T(m-k,n)，f22(m,n,k)＝f21(m-k,n,k)＝f0(m-k,n,k)(1-T(m-k,n))步骤1e.对色散后的透射信息f12(m,n,k)和反射信息f22(m,n,k)同时进行曝光，得到透射信息的观测结果y1(m,n)和反射信息的观测结果y2(m,n)：y1(m,n)=Σkf12(m,n,k)=Σk=0L-1f0(m-k,n,k)T(m-k,n),]]>y2(m,n)=Σkf22(m,n,k)=Σk=0L-1f0(m-k,n,k)(1-T(m-k,n))]]>上述对原始光谱图像矩阵f0的观测过程可以归纳为：Y＝Hf0，其中，Y＝{y1(m,n),y2(m,n)}为观测图像，H为线性算子，表示系统的混叠观测模型，f0为原始光谱图像；步骤2.对已观测的光谱图像进行重构，具体步骤为：步骤2a.将得到的观测图像Y传递给图像重构模块；步骤2b.令稀疏基Ψ为DCT基或傅里叶基，使得光谱图像在稀疏基Ψ下是稀疏的；步骤2c.图像重构模块根据观测图像Y和稀疏基Ψ，利用非线性优化方法重构出原始光谱图像f0。本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明由于编码模板采用由多个透射阵元和反射阵元随机组合的面阵结构，且与光谱图像的透射方向成45度，实现了随机编码和光谱图像分束功能，与现有技术中采用0-1随机分布结构的编码模板和分束器组合的结构相比，增强了光通量，并且降低了系统结构的复杂度，同时提高了光谱图像的重构质量。附图说明图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明中透射观测模块的结构示意图；图3是本发明中反射观测模块的结构示意图；图4是本发明在透射方向上的编码模板结构示意图；图5是本发明中成像方法的流程框图；图6是本发明与现有技术在谱段1的重构结果的对比图；图7是本发明与现有技术在谱段9的重构结果的对比图；图8是本发明与现有技术在谱段16的重构结果的对比图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步详细描述：参照图1，本发明的基于全通单模板互补采样的光谱相机，包括透镜组1、编码模块2、观测模块3和图像重构模块4。其中：透镜组1位于编码模块2的前端，将入射的光束聚焦到编码模块2上；编码模块2置于透镜组1和观测模块3之间，当被测光谱图像的入射光束经过编码模块2，被其分为一种透射信息和一种与之互补的反射信息，并对该两种信息进行编码，编码的透射信息经过透射观测模块31，实现对编码的透射信息的透射观测，反射信息经过反射观测模块32，实现对编码的反射信息的反射观测；图像重构模块4将观测模块3输出的透射观测结果和反射观测结果联立融合后进行光谱图像重构。参照图2，本发明中的透射观测模块31，包括第一色散棱镜311和第一面阵检测器312。其中：第一色散棱镜311位于编码模块2后方，用于对编码的光谱图像透射信息的不同维度信息进行平移，从而实现对编码的光谱图像透射信息的色散；第一面阵检测器位于第一色散棱镜312的后面，用于对色散后的光谱图像透射信息进行观测，获得混叠的观测图像。参照图3，本发明中的反射观测模块32，包括第二色散棱镜321和第二面阵检测器322。其中：第二色散棱镜321位于编码模块2下方，用于对编码的光谱图像反射信息的不同维度信息进行平移，从而实现对编码的光谱图像反射信息的色散；第二面阵检测器位于第二色散棱镜322的后面，用于对色散后的光谱图像反射信息进行观测，获得混叠的观测图像。该观测图像包括光谱图像透射信息中丢失的重要信息，为光谱图像重构质量的提高贡献卓著。参照图4，本发明中的编码模块2，包括编码模板，它采用由多个透射阵元和反射阵元随机组合的面阵结构。编码模板与光谱图像的透射方向所成锐角为45度，其中，每个阵元大小均相同，长是宽的倍，对于透射部分，透光阵元对图像的编码为1，反光阵元对图像的编码为0，对于反光部分，反光阵元对图像的编码为1，透光阵元对图像的编码为0。编码模板中每个方格的透光与反光的概率是随机的，以此来实现对光谱图像的随机编码。参照图5，本发明的成像方法，通过如下步骤实现：步骤1.对原始光谱图像进行观测，具体步骤为：步骤1a.设原始光谱图像矩阵为f0，其大小为M×N×L，其中M×N为光谱图像空间分辨率，L为光谱图像的光谱分辨率；步骤1b.设矩阵f0中任意一点的光谱信息为f0(m,n,k)，其中m和n表示空间维坐标，k表示光谱维坐标，且0≤m≤M-1，0≤n≤N-1，0≤k≤K-1；步骤1c.将经过编码模板的原始光谱信息分成两部分：透射信息和反射信息，并利用编码函数T(m,n)对透射信息和反射信息分别进行编码，得到编码的透射信息和反射信息分别为f11(m,n,k)和f21(m,n,k)，且该两个信息互补，这两部分的光强与原始光谱信息相同，即：f11(m,n,k)＝f0(m,n,k)T(m,n)，f21(m,n,k)＝f0(m,n,k)(1-T(m,n))其中，编码函数T(m,n)随机取0或1；步骤1d.分别将已编码的透射信息f11(m,n,k)和反射信息f21(m,n,k)中的第k个谱段的信息平移k个像素，即将第k个谱段第m行的信息平移到第m-k行，得到色散之后的透射信息f12(m,n,k)和反射信息f22(m,n,k)，分别表示为：f12(m,n,k)＝f11(m-k,n,k)＝f0(m-k,n,k)T(m-k,n)，f22(m,n,k)＝f21(m-k,n,k)＝f0(m-k,n,k)(1-T(m-k,n))步骤1e.对色散后的透射信息f12(m,n,k)和反射信息f22(m,n,k)同时进行曝光，得到透射信息的观测结果y1(m,n)和反射信息的观测结果y2(m,n)：y1(m,n)=Σkf12(m,n,k)=Σk=0L-1f0(m-k,n,k)T(m-k,n),]]>y2(m,n)=Σkf22(m,n,k)=Σk=0L-1f0(m-k,n,k)(1-T(m-k,n))]]>上述对原始光谱图像矩阵f0的观测过程可以归纳为：Y＝Hf0，其中，Y＝{y1(m,n),y2(m,n)}为观测图像，H为线性算子，表示系统的混叠观测模型，f0为原始光谱图像；步骤2.对已观测的光谱图像进行重构，具体步骤为：步骤2a.将得到的观测图像Y传递给图像重构模块；步骤2b.令稀疏基ψ为DCT基或傅里叶基，使得原始光谱图像f0在稀疏基ψ下是稀疏的，即原始光谱图像f0在变换域ψ下的投影系数ψTf0中绝大部分值都是小于某一阈值的，而阈值是根据实验设定的，且不同的稀疏域对应的阈值也不同，本实例设定的稀疏变换域为自适应阈值。步骤2c.图像重构模块根据观测图像Y和稀疏基ψ，利用非线性优化方法重构出原始光谱图像f0。步骤2c1.设定优化目标函数为min(||ΨTf0||1)，其中T表示矩阵转置，||·||1表示对投影系数取l1范数，min(·)表示取l1范数的最小值；步骤2c2.设定约束条件为Hf0＝Y，其中Y为观测图像矩阵，H为系统的观测模型，f0为原始光谱图像；步骤2c3.根据优化目标函数和约束条件，重构出原始光谱图像f0。以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。1.仿真条件本实验的硬件测试平台是：CPUIntelCorei7,主频3.40GHz,内存8GB，软件仿真平台为：Windows764位旗舰版操作系统和Matlab2014b；测试图像：哥伦比亚公开的光谱图像，空间分辨率为(512,512)，谱间分辨率为16.2.仿真内容对原始光谱图像先进行混叠观测得到观测图像，然后分别采用现有技术和本发明的成像方法对观测图像进行光谱图像重构，得到重构后的图像，最后根据原始光谱图像，计算出这两种方法得到的重构图像的PSNR值，来比较这两种成像方法的优劣。对原始光谱图像分别采用本发明和现有技术进行仿真，得到16个谱段的光谱图像重构结果，由于所选的光谱图像谱段较多，因此随机选取1、9和16三个谱段作对比，其对比结果如图6、图7和图8所示。参照图6，图6(a)为原始光谱图像的谱段1，图6(b)为对原始光谱图像谱段1利用现有技术观测后的重构图像，PSNR为39.2280，图6(c)为对原始光谱图像谱段1利用本发明的系统观测后的重构图像，PSNR为40.5492。参照图7，图7(a)为原始光谱图像的谱段9，图7(b)为对原始光谱图像谱段9利用现有技术观测后的重构图像，PSNR为39.7895，图7(c)为对原始光谱图像谱段9利用本发明的系统观测后的重构图像，PSNR为40.4276。参照图8，图8(a)为原始光谱图像的谱段16，图8(b)为对原始光谱图像谱段16利用现有技术观测后的重构图像，PSNR为37.0217，图8(c)为对原始光谱图像谱段16利用本发明的系统观测后的重构图像，PSNR为38.2117。3.结果分析根据仿真结果，可以看出：一、从视觉角度看，用本发明的系统处理得到的光谱图像，细节保留得更加完善，整体图像也相对清晰；从重构图像的PSNR值分析，如表1所示，对于原始光谱图像，用本发明的重构图像的平均PSNR比用现有技术重构图像的平均PSNR提高了1dB左右。综合这两个方面，都表明本发明的重构性能比现有技术提升很多，性能得到较大提升。表1.平均PSNR对比成像方法PSNR/dB现有技术38.6933本发明39.5145当前第1页1 2 3