基于全色和压缩光谱成像的图像超分辨率系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于图像处理技术领域，特别涉及一种利用压缩光谱成像方法实现图像超 分辨率重构的技术，可用于地理遥感、气象观测、灾害预防等领域中超分辨图像的获取。
【背景技术】
[0002] 传统成像的空间分辨率取决于探测器阵列密度，为提高图像的空间分辨率而增加 探测器阵列密度的代价是非常巨大的。由于图像除了空间信息还有光谱信息，图像的光谱 信息是由相同场景下不同谱段的图像组成，其中包含空间维信息和光谱维信息。光谱图像 空间位置的光谱维信息对于表明场景中被观测物体的组成及结构有重大意义。如何利用图 像的光谱信息实现图像的超分辨率重构，是一个亟待解决的问题。
[0003] 2006 年由E.J.Candes、J.Romberg、T.Tao和D.L.Donoho等人提出的压缩感知CS 理论为解决上述问题带来了新的希望。该理论指出，在信号获取的同时就对数据进行适当 的压缩。相比于传统的信号获取和处理过程，在压缩感知理论框架下，采样速率不再决定于 信号的带宽，而是决定于信号中信息的结构与内容，这使得传感器的采样和计算成本大大 降低，而信号恢复过程是一个优化重构的过程。
[0004] 设被采样信号X的长度为N，稀疏变换基为W，即被采样信号X在稀疏变换基W上 的表示是稀疏的。压缩感知理论的数学模型要求设计一个与稀疏变换基W不相关的MXN 维的观测矩阵〇,其中M<N，通过观测矩阵〇与被采样信号X相乘得到较低维数的观测 数据Y:
[0005] Y=OX,
[0006] 通过求解范数下的优化问题来重构原始信号X，其数学表示为：
[0007] min| |WTX| |lS.t.Y=OX,
[0008] 根据上述理论，美国杜克大学的学者M.E.Gehm，R.Johm等设计并提出了 CASSICodedApertureSnapshotSpectralImager系统，利用随机编码模板和色散元件，实 现对光谱图像的观测，最后通过压缩感知理论重构出原始图像。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于针对现有面阵探测器空间分辨率低和现有图像超分辨率系统 重构质量差这一问题，提出了一种基于全色和压缩光谱成像的图像超分辨率系统及方法， 以增加图像的空间分辨率和提高图像重构质量。
[0010] 本发明的技术方案是这样完成的：
[0011] 本发明借鉴M.E.Gehm，R.Johm等人提出的CASSI系统，在原有编码观测基础上增 加全色观测，重构超分辨率的图像。
[0012] - .基于全色和压缩光谱成像的图像超分辨率系统，包括分束器、两个物镜、编码 模板、两个带通滤波器、中继透镜组、双阿西奇棱镜、两个阵列传感器和图像重构处理器；分 束器位于两个物镜的前端，作为分光器件；第一物镜，编码模板，第一带通滤波器，中继透镜 组，双阿米奇棱镜，第一探测面阵依次相连，构成第一光路通道Ci，其特征在于：
[0013] 第二物镜，第二带通滤波器，第二探测面阵依次相连，构成第二光路通道C2，获得 用于修正超分辨率重构图像的全色光谱信息；
[0014] 编码模板，采用随机编码方式，其码元分为1和0,1表示透光，0表示不透光，且码 元数量是第一探测面阵像素数量的2-9倍，使得第一面阵探测器中的一个探测单元能获得 编码模板中2-9个码元的通光量，为超分辨率重构提供更多的光谱空间信息。
[0015] 二.基于全色和压缩光谱成像的图像超分辨率方法，包括以下步骤：
[0016] (1)通过分束器将原始图像的光谱信息X分成能量相同的两束光束Xl。和x2。，并分 别进入第一光路通道(^和第二光路通道C2;
[0017] (2)获取第一光路通道Ci的压缩光谱观测图像X1:
[0018] (2a)在第一光路通道Q内通过第一物镜对进入通道内的光束进行聚焦成像，获得 光谱图像x11;
[0019] (2b)对光谱图像xn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〇,未遮挡的位置编码为1，得到编码后的光谱图像x12;
[0020] (2c)对编码后的光谱图像x12进行光谱维滤波，滤除需要重构的光谱带宽以外的 光谱图像的能量，得到滤波后的编码光谱图像x13;
[0021] (2d)对滤波后的编码光谱图像x13各光谱维的图像在空间维的方向上进行搬移， 即使得光谱图像的光束发生色散，实现每一维光谱图像之间相对位置发生变化，得到色散 后的编码光谱图像x14，其中，空间维的方向指行或列的方向；
[0022] (2e)第一探测面阵获取编码色散后的光谱图像x14，得到第一光路通道Q压缩光 谱观测图像X1;
[0023] (3)通过第二探测面阵获取进入第二光路通道C2的光谱图像，得到第二光路通道 c2全色光谱观测图像x2;
[0024] (4)根据第一光路通道Q的压缩光谱观测图像Xi和第二光路通道C2的全色光谱 观测图像X2，利用非线性的优化方法重构原始光谱信息X，将重构的原始光谱信息X的各个 谱段进行叠加，获得最后的超分辨率图像X。。
[0025] 本发明与传统技术相比具有一下优点：
[0026] 1.本发明相比于传统的超分辨率成像技术，利用了图像的空间信息和光谱信息， 克服了传统超分辨率成像技术对图像信息利用率低的缺点；
[0027] 2.本发明利用了图像在光谱维上的稀疏性，通过求解非线性优化问题实现图像超 分辨率重构，使得本发明能够获得高空间分辨率的图像。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明的成像系统框图；
[0029] 图2是本发明成像系统中的图像重构处理器框图；
[0030] 图3是本发明成像系统方法流程图；
[0031] 图4是用本发明成像系统和传统图像超分辨率系统对balloons图像进行观测的 超分辨率重构结果图；
[0032] 图5是用本发明成像系统和传统图像超分辨率系统对egyptian_statue图像进行 观测的超分辨率重构结果图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图和实例对本发明进行详细说明：
[0034] 参照图1，本发明基于全色和压缩光谱成像的图像超分辨率系统，包括分束器1、 第一物镜2、第二物镜8、编码模板3、第一带通滤波器4、第二滤波器9、中继透镜组5、双阿 西奇棱镜6、第一阵列传感器7、第二阵列传感器10和图像重构处理器11。
[0035] 分束器1位于第一物镜2和第二物镜8的前端，作为分光器件，把图像的原始光 谱信息光束分成能量相同的两束。
[0036] 编码模板3位于第一物镜2的后端，是由遮光部分和未遮光部分组成的平面板， 其中遮光部分编码为〇,未遮光部分编码为1，用于编码通道内的光谱信息光束，得到编码 后的光谱图像；第一带通滤波器4位于编码模板3的后端，光谱频带范围为430-650nm，用 于滤除编码光谱图像频带范围以外的光谱能量，得到滤波后的编码光谱图像；中继透镜组 5位于第一带通滤波器4的后端，用于将滤波后的编码光谱图像搬移至双阿米奇棱镜6上； 双阿西奇棱镜6位于中继镜透组5的后端，用于将编码光谱图像在空间维的方向上进行搬 移，使得光谱图像的光束发生色散，实现每一维光谱图像之间相对位置发生变化，得到色散 后的编码光谱图像，其中，空间维的方向指行或列的方向；第一面阵探测器7位于双阿西奇 棱镜6的后端，用于获取色散编码后的压缩光谱观测图像。
[0037] 第二带通滤波器9位于第二物镜8的后端，光谱频带范围为430-650nm，用于滤除 全色光谱图像频带范围以外的光谱能量；第二探测面阵10位于第二带通滤波器9的后端， 用于获取全色光谱观测图像。
[0038] 所述第一物镜2,编码模板3,第一带通滤波器4,中继透镜组5,双阿米奇棱镜6,第 一探测面阵7构成第一光路通道Q，获取混叠编码的压缩光谱观测图像。
[0039] 所述第二物镜8,第二带通滤波器9,第二探测面阵10,构成第二光路通道C2，获得 全色光谱观测图像。
[0040] 图像重构处理器11，用于重构原始光谱信息。其包括稀疏基选取模块、光谱观测图 像邻域插值模块和优化求解模块三大模块，其中：稀疏基选取模块，选取将光谱图像投影到 稀疏域的稀疏基，并将选取的稀疏基送至优化求解模块；光谱观测图像邻域插值模块，对压 缩光谱观测图像Xi和全色光谱观测图像X2进行邻域插值填充，得到与编码模板3相同码元 数量的压缩光谱观测图像yi和全色观测图像y2，并送至优化求解模块；优化求解模块，对邻 域插值填充后的压缩光谱观测图像yJP全色观测图像y2利用非线性的优化方法，求解光谱 图像在稀疏域的最小值，得到原始光谱信息X，将重构的原始光谱信息X的各个谱段进行叠 加，获得最后的超分辨率图像X。。
[0041] 参照图3,本发明基于全色和压缩光谱成像的图像超分辨率方法，包括以下步骤：
[0042]步骤1，原始图像初始化。
[0043] 设图像的光谱场景信息矩阵为f。，大小为MXNXK，则场景中每一点的光谱信息为 fcOn，n，k)，观测光谱矩阵为Xi，大小为PXQ，下标i取1或2,则观测光谱矩阵中每一点的 信息为y(P，q)，M，N分别为光谱空间的行数和列数，M-1和N-1分别是光谱场景信息空间的 行和列的最大索引，K为光谱谱间分辨率，K-1是光谱维的最大索引，m和n分别表示光谱场 景信息矩阵的空间维坐标，k表示光谱维坐标，P，Q分别为观测光谱矩阵的行数和列数，P-1 和Q-1分别是观测光谱矩阵的行和列的最大索引，P和q分别表示观测光谱矩阵的空间维 坐标，其中〇彡m彡M-1，0彡n彡N-1，0彡k彡K-1，P〈M，Q〈N，0彡p彡P-1，0彡q彡Q-1。
[0044] 步骤2，组成两条光路通道。
[0045] 通过第一物镜、编码模板、第一带通滤波器、中继透镜组、双阿米奇棱镜、第一探测 面阵组成第一光路通道C1;
[0046] 通过第二物镜、第二带通滤波器、第二探测面阵组成第二光路通道C2。
[0047] 步骤3,分束器将原始光谱图像分成两束。
[0048] 原始光谱场景信息经过分束器以1:1的比例分成两路，即：
[0051] 这两路光谱场景信息分别进入第一光路通道(^和第二光路通道C2。
[0052] 步骤4,在第一光路通道Q中获取混叠编码的压缩光谱观测图像。
[0053]