基于压缩感知的彩色成像装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于彩色成像技术，特别是一种基于压缩感知的彩色成像装置及方法。
【背景技术】
[0002] DLP (digital light projector)主要利用DMD (数字微镜晶片）进行投影，它包含 一个DMD和红、绿、蓝三个不同颜色的LED([1]田文超，贾建援.DMD及DLP显示技术[J]. 仪器仪表学报，2005 (z2) :358-359. )。DMD是在半导体芯片上布置一个由微镜片（精密、微 型的反射镜）所组成的矩阵，每一个微镜片控制投影画面中的一个像素，微镜片的数量与 投影画面的分辨率相符。这些微镜片在数字驱动信号的控制下能够迅速改变角度，一旦接 收到相应信号，微镜片就会倾斜10°，从而使入射光的反射方向改变。处于投影状态的微镜 片被示为"开"，并随数字信号而倾斜+10° ;如果微镜片处于非投影状态，则被示为"关"，并 倾斜-10°。与此同时，"开"状态下被反射出去的入射光通过投影透镜将影像投影到屏幕 上；而"关"状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收。
[0003] 从本质上来说，微镜片的角度只有两种状态："开"和"关"。微镜片在两种状态间 切换的频率是可以变化的，这使得DMD反射出的光线呈现出黑（微镜片处于"关"状态）与 白（微镜片处于"开"状态）之间的各种灰度。由于只需要二值化投影图像，因此需要保证 微镜片切换的频率保持不变。
[0004] 光源发出的光通过色轮后折射在DMD芯片上，受到反射微镜面元的调制，表面将 产生空间强度涨落的光场，该强度涨落是0~1分布的二值随机涨落。DLP中的DMD拥有 60hz的帧频和用于构成RGB图像的24幅位面，因此它的最大转换频率为1440hz。为了充 分利用它的转换频率，可以对每帧RGB图像的24幅位面进行24种不同图像的投影。DMD芯 片在接收到DLP的控制信号后将光线发射到投影屏幕上。单像素光子探测器无空间分辨能 力，只记录目标图像反射的总光强，数据采集与控制模块输出DLP的控制信号，同时接收单 像素光子探测器输入的光强值（电压信号）。
[0005] 当利用单像素光子探测器进行采样重构成像时，主要有两种类型的重构算法可以 用来处理采样得到的数据。迭代算法在每次新的测量之后都会做出精确的估计，而反演算 法利用本体过程中的所有数据来找到一系列未知数中的最优解。对于这两种算法，重构最 终的分辨率为N = xXy，x和y是投影时X和y方向的像素数。对于每一次迭代i，都有一 幅确定的二维二值化强度投影图像Ii(x，y)投影在目标图像上。在光谱频率μ时，对应的 反射光强由单像素光子探测器测量得到，输出为电压信号，
[0006]
【主权项】
1. 一种基于压缩感知的彩色成像装置，其特征在于包括PC(1)、DLP(2)、目标图像（3)、 单像素光子探测器（4)和数据采集与控制模块巧），口〔(1)、01口(2)、单像素光子探测器（4) 均与数据采集与控制模块（5)连接，PC(1)产生二维随机二值化强度投影图像，数据采集与 控制模块（5)控制DLP(2)在红、绿、藍、白结构光下依次对目标图像（3)进行二值化强度图 像的投影；投影过程中，数据采集与控制模块妨控制DLP似投影图像与PC(1)端显示图 像一致，并产生同步信号触发单像素光子探测器（4)对投影的图像进行采样；由单像素光 子探测器（4)接收目标图像（3)的反射光强信号，同时生成一个返回触发信号，返回触发信 号和反射光强信号一起传入数据采集与控制模块巧）；返回触发信号使PC(1)生成新的投 影图像并进行投影，而反射光强信号在数据采集与控制模块巧）中进行模数转换，最终分 别得到红、绿、藍、白结构光的数字信号传入PC(1)，再对红、绿、藍、白结构光下各自的信号 进行压缩感知重构得到四幅单色灰度图像，将四幅单色灰度图像进行彩色融合得到最终的 彩色图像。
2. -种基于压缩感知的彩色成像方法，其特征在于包括W下步骤： 第一步，通过PC(1)产生空间非相关的随机二值化投影图像Ii(x，y)，每个像素只有 "亮"和"暗"两种状态，而且状态是由Ubview程序随机产生的； 第二步，当单像素光子探测器（4)对目标图像（3)的反射光强信号进行采样时，DLP(2) 在目标图像（3)上投影的图像和PC端产生的投影图像是一致的，并且每幅投影图像只投影 一次； 第=步，单像素光子探测器（4)采样得到的反射光强信号通过数据采集与控制模块 妨中的模数转换变为数字信号传入PC(1)，在PC端利用matl油分别对红、绿、藍、白结构 光下的信号进行单色分量图像的重构；该图像重构利用压缩感知的11范数最小化方法，稀 疏基选择1D-DCT，白色结构光下得到的数据利用11范数最小化方法重构得到高成像分辨 率图像〇e(x，y)，红光、绿光、藍光结构光下得到的数据利用11范数最小化方法重构分别得 到对应的单色低成像分辨率图像Ofec(X，y)、〇s(X，y)、Ofi(X，y)，具体方法如下： IdCT〇u-Sn 式中，iDa是将每幅二维投影强度图像Ii(X，y)转换为一维阵列li，然后对li进行一维 离散余弦变换后得到的包含所有投影图像信息的测量矩阵，S,是光谱频率为y时，IDa作 用在目标图像上后，反射强度由单像素光子探测器（4)接收到的测量输出阵列，0%是目标 图像（3)中光谱频率为y的集未知数的一维向量，通过最小化
炉U的解由预处理共辆梯度法获得，其中A是一个调整参数，在0%上运行DCT逆运算 然后将其转换为二维阵列得到目标图像的解0, (X，y);在红、绿、藍、白结构光下，目标图像 做的解分别为 0红（X，y)、〇ij(X，y)、0蓝（X，y)、0白（X，y); 第四步，在PC端由matl油对不同结构光下目标图像的解0红（X，y)、Ogj(X，y)、0蓝（X，y)、〇e(x，y)进行彩色融合得到彩色图像。
3. 根据权利要求2所述的基于压缩感知的彩色成像方法，其特征在于在第二步中，对 数据采样期间通过同步过程来克服计算机图形管线的各种延迟，同步过程如下： 步骤1，由PC(1)端随机产生一幅投影图像Ii(x，y)，通过DLP(2)进行投影得到投影图 像； 步骤2,投影图像完全投影且在维持期间，由数据采集与控制模块（5)中的NI板卡产生 一个触发信号输送给单像素光子探测器（1)，使其对目标图像（3)的反射光强信号进行采 样； 步骤3,单像素光子探测器（4)采样结束后，生成一个返回触发信号，随同采样得到的 反射光强信号一起传输回数据采集与控制模块巧）； 步骤4,采样得到的反射光强信号通过模数转换后得到的信号与对应的投影图像 存储在PC(1)中，返回触发信号使PC端生成新的投影图像并进行下一轮的投影。
4.根据权利要求2所述的基于压缩感知的彩色成像方法，其特征在于在第四步中，彩 色融合得到彩色图像的过程为： 首先，将红、绿、藍结构光下的信号分别通过压缩感知的11范数最小化方法重构得到 单色低成像分辨率图像〇红（X，y)、Ogj(X，y)、0蓝（X，y)，Wn*n像素模块的方式进行像素的 复制填充，得到S幅成像分辨率与白光重构图像相同的单色灰度图像0^ (x，y)、0g' (X， 7)、0蓝'知7)，将该^幅单色灰度图像0红'知7)、0^录'知7)、0蓝'知7)进行368融 合得到彩色图像P0,利用matl油将彩色图像P0由RGB格式转换为YUV格式，从而得到Y、 U、V图像信号并提取其中的色度图像信号U、V; 其次，将白光通过压缩感知的11范数最小化方法重构得到高成像分辨率图像〇e(x，y) 作为亮度图像信号与色度图像信号U、V进行合成得到最终的目标彩色图像P。
【专利摘要】本发明公开了一种基于压缩感知的彩色成像装置及其方法，包括PC、DLP、目标图像、单像素光子探测器和数据采集与控制模块，PC、DLP、单像素光子探测器均与数据采集与控制模块连接，PC产生二维随机二值化强度投影图像，数据采集与控制模块控制DLP在红、绿、蓝、白结构光下依次对目标图像进行二值化强度图像的投影，最终分别得到红、绿、蓝、白结构光的数字信号传入PC，再对红、绿、蓝、白结构光下各自的信号进行压缩感知重构得到四幅单色灰度图像，将四幅单色灰度图像进行彩色融合得到最终的彩色图像。本发明不需要使用滤光片，结构简单且成本较低。可以减少采样次数，在不降低图像分辨率的情况下保证颜色的真实性。
【IPC分类】H04N5-232, H04N9-04
【公开号】CN104796674
【申请号】CN201510186293
【发明人】何伟基, 刘星炯, 顾芷西, 程亮, 林杰, 叶凌, 方剑, 陈钱, 顾国华, 隋修宝, 钱惟贤, 于雪莲, 任侃
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月17日