一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法及系统

1.本发明属于计算成像技术领域，涉及一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法及系统。


背景技术：

2.目前，科学技术不断发展，高速发展的时代对光学系统提出了新的要求，但传统光学系统设计面临严重瓶颈，无法完全解决时代的需要，计算成像应运而生。计算成像通过充分运用目前高通讯带宽、高浮点计算效率的优点，缓解光学系统的压力，在降低光学系统成本，提高光学系统性能与指标上有着巨大的应用价值。当前，光学系统在监控领域有着重大应用，在工业生产、智慧城市、智能制造、自动化、体育比赛、城市治安等诸多领域有着广阔的前景。这些应用领域也不断向光学系统设计提出新的要求和指标。
3.目前监控用光学镜头不断追求越来越大的视场和越来越长的焦距，越来越大的视场意味着可以监控更大的范围，获取更加丰富的物方信息，而越来越长的焦距则提高了光学系统的工作距离和空间分辨率。但受限于传统光学设计理论，视场和焦距一直是一对矛盾的量，无法同时有效提升。传统解决问题的方式有探测器拼接、复眼、扫描等方式。但探测器拼接不可避免的会造成信息量几何倍数的增长，另外探测器和探测器拼接部分会造成视场的丢失，不利于监控；复眼的设计难度大，而且加工装调都会有非常大的难度，同样会造成信息量的极具增大，成本的提高；光学扫描则会在光学系统中增加光学扫描机构和舵机等，复杂的电机系统和旋转机构会大大降低系统的可靠性，并显著提高系统的体积和重量，还会带来时间分辨率的下降。因此亟需一种能妥善解决视场和焦距之间矛盾的同时又不会带来其他矛盾的光学方案。
4.2016年，北京理工大学的程德文等人在《design of all-reflective dual-channel foveated imaging systems based on freeform optics》中提出一种反射式双通道小凹成像光学系统，通过一个通道大视场成像，另一个通道长焦距，使得大视场和长焦距兼顾，但其采用双探测器，大大增加了系统带宽，且无法实现全局的高分辨。2021年，清华大学的朱钧等人在《simultaneous improvement of field-of-view and resolution in an imaging optical system》中提出一种同时提高光学系统视场和焦距的设计方法，但其通过降低边缘视场焦距的方式来扩大视场，降低的边缘视场的分辨率，更类似于通过设计畸变来扩大视场，因此获得的图像不利于人眼观察。另外再压缩成像领域，与本专利相似的专利为cn201210172731.5、cn201210193244.7，但其主要应用于光谱领域，且是通过两块面阵探测器来实现的，增加了系统体积、重量、计算负担和系统带宽。


技术实现要素：

5.为了解决光学成像视场和焦距的矛盾问题，本发明公开一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法及系统。要解决的技术问题是：通过强度编码型宽谱段双通道压缩成像，实现单次曝光同时捕获无色差双通道宽谱段图像，解决光学成像视场和焦距的矛盾，实现
大视场和长焦距并存成像，且具有成像系统分辨率高、带宽窄、成像谱段宽、结构紧凑、稳定性高、经济性好的优点。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
7.本发明公开的一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法，通过强度编码型宽谱段双通道压缩成像，实现单次曝光同时捕获双通道图像，在相同探测器情况下，相较于传统轮换式工作的双通道成像系统，将双通道压缩成像系统时间分辨率提高一倍，且在相同成像时间分辨率精度要求下，数据量降低一倍。将双通道共用像面获取的混合图像采用编码压缩方式分离，在无需增加扫描装置情况下扩大成像视场，进而提高成像系统的结构紧凑性、稳定性和经济性。采用中间像面强度编码的方式进行压缩编码，可在像面处获得清晰的像面，便于装调，且图像复原均发生在空间域，无需进行多次傅里叶变换和卷积运算，计算复杂度低。采用全反射式成像实现双通道宽谱段成像。综上所述，本发明通过强度编码型宽谱段双通道压缩成像，解决光学成像视场和焦距的矛盾，实现大视场和长焦距并存成像，能够在紫外、可见、红外全波段成像应用中使用，且具有成像系统分辨率高、带宽窄、简易装调、计算复杂度低、成像谱段宽、结构紧凑、稳定性高、经济性好优点。
8.本发明公开的一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法，将强度编码型宽谱段双通道压缩成像，拓展为强度编码型宽谱段多通道压缩成像，进一步扩大成像视场，提高成像系统的结构紧凑性、经济性、分辨率，压缩成像系统带宽。
9.所述一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法，采用强度编码型宽谱段双通道压缩方式分离成像，实现方法如下：
10.步骤一：在中间像面上对强度编码型宽谱段双通道压缩成像光路获取的成像光束进行编码，编码调制通过在中间像面上放置的编码板实现，要求强度编码型宽谱段双通道压缩成像光路中的两个中间像面必须共面且不能完全重合，得到编码后的成像光束。
11.步骤二：对步骤一得到的编码后的成像光束，通过双通道共用像面曝光，获取的双通道共用像面混合图像。
12.所述双通道共用像面指双通道共用一个面阵光电探测器捕获混合图像。
13.所述面阵光电探测器捕获的混合图像的强度信息i(x,y)简化为
14.i(x,y)＝f1(x,y)
·
coding1(x,y)+f2(x,y)
·
coding2(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
15.其中，
·
表示点乘，f1(x,y)、f2(x,y)表示强度编码型宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道捕获的物空间信息，coding1(x,y)、coding2(x,y)表示强度编码型宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道的所经过的编码板的区域二值模型。
16.步骤三：对步骤二获取的双通道共用像面混合图像进行去噪，将所述共用像面混合图像通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现编码压缩分离成像。
17.所以将强度编码型宽谱段双通道压缩成像的逆问题转换为压缩感知复原问题：
[0018][0019]
将公式(2)所示的压缩感知复原问题，作为图像复原的目标函数，将所述共用像面混合图像通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现编码压缩分离成像。
[0020]
通过所述采用强度编码型宽谱段双通道压缩方式分离成像，能够得到两幅分离图
像，作为优选，将所述两幅分离图像，根据双通道视场关系进行拼接，在扩大视场的基础上改善成像的视觉效果。
[0021]
本发明还公开一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像系统，用于实现所述一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法。所述一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像系统包括主镜、第一次镜、第二次镜、三镜、编码板、四镜、五镜、面阵光电探测器、图像复原系统。在光线的传播方向上，各个组成部分按顺序排列。
[0022]
所述主镜，位于光学系统的最前端，用于给两个光学通道提供一定的光焦度和校正像差的能力。
[0023]
所述第一次镜，在光路中位于主镜的后方，是第一次镜的孔径光阑，用于分割两个通道，同时给第一次镜提供一定的光焦度和校正像差的能力。
[0024]
所述第二次镜，在光路中位于主镜的后方，是第二次镜的孔径光阑，用于分割两个通道，同时给第二次镜提供一定的光焦度和校正像差的能力。
[0025]
所述三镜，在光路中位于第一次镜和第二次镜的后方，为第一次镜和第二次镜所共用，用于给两个通道提供一定的光焦度和校正像差的能力，同时会聚光束，成像在中间像面上。
[0026]
所述编码板，在光路中位于前方离轴三反系统的像面上，等效为成像系统中间像面状况酌情增减前组一次成像光学镜组的镜片，第一次镜和第二次镜的中间像面像面应该处于同一平面，但不能重合，需要有一定的偏移，编码板与像面重合，第一次镜和第二次镜的像面与编码板重合的地方有一定的偏差。编码板自身是一个随机编码的二值编码板，用于给不同通道提供各自的编码方式。
[0027]
所述四镜，在光路中位于编码板的后方，与五镜共同组成一个反射式中继系统，用于二次成像。
[0028]
所述五镜，在光路中位于四镜的后方，与四镜共同组成一个反射式中继光学系统，该反射式中继光学系统需要满足两套物像关系，将第一次镜和第二次镜的像面重合到一起，用于二次成像。当第一次镜和第二次镜的像面位置偏差不大时，此要求实现较为容易。
[0029]
所述面阵光电探测器位于成像物镜后方，为cmos或ccd等常用的光电传感器，其光敏面与成像物镜的像面重合，将光信号转换成电信号，传输至图像复原模块。
[0030]
所述图像复原模块为包含图像复原算法的单片机、笔记本等计算终端，其可通过压缩感知复原算法对ccd或cmos等光电探测器传输过来的数字图像进行复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，其采用算法应与前述编码方式相匹配，采取压缩感知复原算法、凸优化、深度学习等。
[0031]
有益效果：
[0032]
1、本发明公开的一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法及系统，采用两个通道像面共用，能够在探测器面阵有限的情况下，同时提高光学系统的焦距和视场，实现目标场景的广域高分辨监控，高分辨率可捕捉更多的目标细节，可大幅提高目标识别概率，广域可大幅提高监控范围，有利于目标跟踪，尤其是针对高机动性能的目标，因此具有显著提高监控跟踪系统的目标识别概率的效果。
[0033]
2、本发明公开的一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法及系统，采用压缩感知理论，通过压缩感知复原算法从单张共用像面混合图像中分离出两个通道各自的物方图
像，实现视场和焦距的同时提升，同时不降低系统的时间分辨率。另外，由于双通道像面共用，探测器可获得两倍传统成像时的光能，弥补传统压缩编码成像时强度编码带来的像面照度损失，可实现更低曝光时间的高信噪比图像，因此对高机动性能目标的跟踪具有极大的益处。具有显著提高监控跟踪系统的目标跟踪效率的效果。
[0034]
3、本发明公开的一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法及系统，通过像面共用，双通道同时工作，并结合压缩感知算法复原，从共用像面混合图像中分离出同一时刻两个通道各自物方图像，实现了数据量降低一半的效果。该方法可有效解决现有高清镜头带宽要求高，监控视频存储时间短的缺点，为大视场高清监控的视频传输方案提供一个新的解决思路。
[0035]
4、本发明公开的一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法及系统，采用在中间像面出进行强度编码，相较于频域编码可在像面处得到清晰的像面，便于对系统的装调提供准确指导，利于装调。另外由于采用强度编码，图像复原完全发生在空间域，没有复杂度高的傅里叶变换和卷积运算，算法计算复杂度低，算力需求小。
附图说明
[0036]
图1为本发明公开的一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法流程图；
[0037]
图2为本发明实施方法的图像复原算法流程图；
[0038]
图3为本发明实施方式的系统结构示意图；
[0039]
图4为本发明实施方式中算法仿真用的图像，分别表征两个通道收集到的物方信息；
[0040]
图5为本发明实施方式中两个通道所通过的二值编码板，这两张图像为同一个编码板的不同部分；
[0041]
图6为本发明实施方式中两个通道同时工作获得的混合图像，其中两个通道收集的信息被混合在一起；
[0042]
图7为本发明实施方式中图像复原系统从获得的图6中复原出来的两个通道捕获的物方信息。
[0043]
其中：1-主镜、2-第一次镜、3-第二次镜、4-三镜、5-编码板、6-四镜、7-五镜、8-面阵光电探测器、9-图像复原系统
具体实施方式
[0044]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0045]
实施例1：
[0046]
如图1所示，本实施例公开的一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法，具体实现步骤如下：
[0047]
所述一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法，采用强度编码型宽谱段双通道压缩方式分离成像，实现方法如下：
[0048]
步骤一：在中间像面上对强度编码型宽谱段双通道压缩成像光路获取的成像光束进行编码，编码调制通过在中间像面上放置的编码板实现，要求强度编码型宽谱段双通道
压缩成像光路中的两个中间像面必须共面且不能完全重合，得到编码后的成像光束。
[0049]
步骤二：对步骤一得到的编码后的成像光束，通过双通道共用像面曝光，获取的双通道共用像面混合图像。混合图像如图6所示。
[0050]
所述双通道共用像面指双通道共用一个面阵光电探测器捕获混合图像。
[0051]
所述面阵光电探测器捕获的混合图像的强度信息i(x,y)简化为
[0052]
i(x,y)＝f1(x,y)
·
coding1(x,y)+f2(x,y)
·
coding2(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0053]
其中，
·
表示点乘，f1(x,y)、f2(x,y)表示强度编码型宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道捕获的物空间信息，如图4所示；coding1(x,y)、coding2(x,y)表示强度编码型宽谱段双通道压缩成像光学系统的两个通道的所经过的编码板的区域二值模型，如图5所示。
[0054]
步骤三：对步骤二获取的双通道共用像面混合图像进行去噪，将所述共用像面混合图像通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现编码压缩分离成像。算法复原流程如图2所示，本实施例中采用twist算法进行复原。
[0055]
所以将强度编码型宽谱段双通道压缩成像的逆问题转换为压缩感知复原问题：
[0056][0057]
将公式(4)所示的压缩感知复原问题，作为图像复原的目标函数，将所述共用像面混合图像通过压缩感知复原算法进行图像复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，即实现编码压缩分离成像。复原效果如图7所示。
[0058]
通过所述采用强度编码型宽谱段双通道压缩方式分离成像，能够得到两幅分离图像，作为优选，将所述两幅分离图像，根据双通道视场关系进行拼接，在扩大视场的基础上改善成像的视觉效果。
[0059]
如图3所示，本发明还公开一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像系统，用于实现所述一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像方法。所述一种强度编码型宽谱段双通道压缩成像系统包括主镜、第一次镜、第二次镜、三镜、编码板、四镜、五镜、面阵光电探测器、图像复原系统。在光线的传播方向上，各个组成部分按顺序排列。
[0060]
所述主镜，位于光学系统的最前端，用于给两个光学通道提供一定的光焦度和校正像差的能力。
[0061]
所述第一次镜，在光路中位于主镜的后方，是第一次镜的孔径光阑，用于分割两个通道，同时给第一次镜提供一定的光焦度和校正像差的能力。
[0062]
所述第二次镜，在光路中位于主镜的后方，是第二次镜的孔径光阑，用于分割两个通道，同时给第二次镜提供一定的光焦度和校正像差的能力。
[0063]
所述三镜，在光路中位于第一次镜和第二次镜的后方，为第一次镜和第二次镜所共用，用于给两个通道提供一定的光焦度和校正像差的能力，同时会聚光束，成像在中间像面上。
[0064]
所述编码板，在光路中位于前方离轴三反系统的像面上，等效为成像系统中间像面状况酌情增减前组一次成像光学镜组的镜片，第一次镜和第二次镜的中间像面像面应该处于同一平面，但不能重合，需要有一定的偏移，编码板与像面重合，第一次镜和第二次镜
的像面与编码板重合的地方有一定的偏差。编码板自身是一个随机编码的二值编码板，用于给不同通道提供各自的编码方式。
[0065]
所述四镜，在光路中位于编码板的后方，与五镜共同组成一个反射式中继系统，用于二次成像。
[0066]
所述五镜，在光路中位于四镜的后方，与四镜共同组成一个反射式中继光学系统，该反射式中继光学系统需要满足两套物像关系，将第一次镜和第二次镜的像面重合到一起，用于二次成像。当第一次镜和第二次镜的像面位置偏差不大时，此要求实现较为容易。
[0067]
所述面阵光电探测器位于成像物镜后方，为cmos或ccd等常用的光电传感器，其光敏面与成像物镜的像面重合，将光信号转换成电信号，传输至图像复原模块。
[0068]
所述图像复原模块为包含图像复原算法的单片机、笔记本等计算终端，其可通过压缩感知复原算法对ccd或cmos等光电探测器传输过来的数字图像进行复原，从一张图像中分别复原出两个成像通道的物方图像，其采用算法应与前述编码方式相匹配，本实施例中采取了twist算法。
[0069]
本实施例中采用系统具体光学面型参数如表1：
[0070]
表1光学系统参数表单位：mm
[0071] 半径conic系数yx2y2主镜-210.60275.81420.13240.00250.0030第一次镜-586.9227-2.4033000第二次镜-586.9227-2.4033000三镜-35.0819-0.91650.01220.00960.0097四镜801.2441000五镜-80-0.6724000
[0072]
本实施例中光学表面全局坐标如表2：
[0073]
表2光学系统表面全局坐标表单位：mm
[0074] xscysczscascbsccsc主镜011.309072.65675.247800第一次镜0-20.0000-0.0511000第二次镜0-39.0000-0.0511000三镜0-44.935161.8403-5.068700编码板01.917915.0867-17.748800四镜0-58.8427-41.1107-9.48800五镜0-80.35938.2557-9.48800像面0-59.0869-33.11447.251200
[0075]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。