一种基于液晶屏光调制的图像采样方法
【专利摘要】本发明提供一种用液晶屏进行光调制的压缩采样方法，所用元件包括：液晶屏、液晶屏驱动控制电路、傅里叶透镜、光电二极管。该方法包括以下步骤：所测物体发出的光经光学成像部件成像在液晶屏上。液晶屏的每个像素相当于一个光开关，液晶屏驱动电路控制液晶的扭转，以改变其透光率，使光线有选择地透过液晶屏。通过液晶屏的透光率变化，物理上实现一个可编程的观测矩阵。透过液晶屏的光线射入傅里叶透镜。光电二极管在透镜焦点处接受光强，并对光强进行积分，得到的结果相当于压缩传感理论中的观测值。本发明结构简单、成本较低，在光学成像及图像采集领域有较好的使用价值和广阔的应用前景。
【专利说明】一种基于液晶屏光调制的图像采样方法(-)【技术领域】
[0001]本发明涉及将压缩传感理论应用于图像采集的【技术领域】，特别涉及一种将液晶屏作为观测矩阵的物理实现方式的新型压缩采样方法。
(二)【背景技术】
[0002]传统的信号采集以奈奎斯特采样定理为基础，在获取信号时，采样频率必须大于信号中最高频率的两倍，才能精确重构信号。但是随着科技的迅速发展，高分辨率的数码设备采样产生了庞大的数据，如何更高效地处理这些数据并最大限度地节省存储和传输成本是一大难题，给信号处理能力提出了更高要求，也给相应的硬件设备带来了极大挑战。实际上，传统采样得到的大部分数据是不重要的，在信号或图像的处理过程中，只保留某些重要的数据，舍弃大量的冗余数据，重构后的信号或图像并不会引起视觉上的差异。由于采集到的数据大部分都是不重要的，可以被丢弃，那么可以直接采集那部分重要的、最后没有被丢弃的数据，并且能够精确地重构原始信号或图像，这便是压缩传感理论的思想。
[0003]压缩传感理论是由Cand6s和Donoho在相关研究的基础上于2006年正式提出的。其核心思想是将压缩与采样合并进行。首先采集信号的非自适应线性投影(测量值)，然后根据相应重构算法由测量值重构原始信号。压缩传感的优点在于信号的投影测量数据量远远小于传统采样方法所获的数据量，并且能够抑制随机噪声。该原理先压缩采样，将被测信号由高维向低维映射并对其进行采样，选取合适的稀疏表示基Ψ，使得原始信号f经Ψ变换所得向量X是稀疏的。然后根据观测数据y、观测矩阵Φ和稀疏表示基Ψ，选取特定算法求解y=ΦΨχ，最后由f=Wx反演出原始信号f。
[0004]自压缩传感提出以来，学者们在光学成像领域对其开展了广泛的应用研究。如颗粒粒度测量、单像素相机、超薄成像系统、多路技术智能成像、多光谱成像、CMOS低数据率成像、核磁共振成像、天文观测等。例如，专利(编号:201210058483.1)“光子计数压缩采样相控阵激光三维成像方法”用液晶光学相控阵调制照明激光，按照压缩采样所用的测量矩阵照射目标，由盖革模式雪崩光电二极管(APD)接收目标回波信号和时间相关单光子计数器随时间变换返回的光子数，最后通过压缩采样恢复算法重构三维图像。上述专利中涉及测量矩阵仅实现对发射端的信号的调制，并未考虑接收端信号的压缩传感实现方式。
[0005]液晶屏以瘦显材料为基本组件，在两块平行玻璃板之间填充液晶材料，通过电压来改变液晶材料内部分子的排列状况，以达到遮光和透光的目的，来显示深浅不一，错落有致的图像。而且只要在两块平板间再加上三元色的滤光层，就可实现显示彩色图像。液晶屏功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。
[0006]本发明采用去掉背光的单色可调灰度的液晶屏。液晶屏的每个像素相当于一个光开关，液晶屏驱动电路控制液晶的扭转，以改变其透光率，使光线有选择地透过液晶屏。通过液晶屏的透光率变化，物理上实现一个可编程的观测矩阵。
(三)
【发明内容】
[0007]如何将压缩感知成功运用到光学成像中，关键是如何正确地获取图像的压缩采样。从各成像方法上看，除了 CMOS成像外，其余都涉及到了编码模式。编码模式大多数都是靠光学系统实现，一旦掩膜制作完成，其编码模式也就固定，无法改变。像数字微镜阵列(Digital Mirror Device,DMD)这种具有可编程性的编码实现方式,虽然灵活方便,但将其运用到成像系统会增加光路的复杂性，影响系统可靠性。而且，DMD只能实现二进制的观测矩阵。
[0008]本发明提出一种新的压缩采样方式，采用液晶屏作为观测矩阵Φ的物理实现方式。
[0009]所用元件包括:液晶屏、液晶屏驱动控制电路、傅里叶透镜、光电二极管。
[0010]本发明采用的技术方案是:所测物体发出的光经光学成像部件成像在液晶屏上。液晶屏的每个像素相当于一个光开关，液晶屏驱动电路控制液晶的扭转，以改变其透光率，使光线有选择地透过液晶屏。通过液晶屏的透光率变化，物理上实现一个可编程的观测矩阵。透过液晶屏的光线射入傅里叶透镜。光电二极管在透镜焦点处接收光强，通过对光强积分，得到的结果相当于压缩传感理论中的观测值y。
[0011]本发明的优点在于:具有类似DMD元件的可编程性。而且，由于光线是透过液晶屏而不是经DMD元件反射后进入透镜，故可将系统各元件放置于一条光轴上，即可直接将傅里叶透镜放置于液晶屏背面。这样透镜焦距的选择便不再受光线反射角度的限制，降低了光路的复杂度。同时，克服了 DMD只能实现二进制观测矩阵的缺点。并且液晶屏的价格较为低廉，降低了成像系统的成本。
(四)【专利附图】
【附图说明】
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0013]图1是本发明的结构示意图。
[0014]图2是本发明实施例的模拟实验结果。
[0015]附图标示
[0016]1、液晶屏2、傅里叶透镜3、光电二极管
(五)【具体实施方式】
[0017]在图1中，液晶屏(I)、傅里叶透镜(2)、光电二极管(3)放置于一条光轴上，傅里叶透镜(2)位于液晶屏(I)和光电二极管(3)之间，光电二极管(3)位于傅里叶透镜(2)的焦点处。
[0018]步骤1:所测物体发出的光经光学成像部件成像在液晶屏上。此时液晶屏上的像为原始信号ΧΝ>α。
[0019]步骤2:液晶屏驱动电路控制液晶的扭转，使液晶屏上的像素排列处于伪随机状态i，其中I < i SM，它们的状态构成了观测矩阵Φ的第1行比(尺寸是N)。此时将要透过液晶屏的信号是X在比下的值。
[0020]步骤3:透过液晶屏的光线射入傅里叶透镜。光电二极管在透镜焦点处接收光强，通过对光强积分，得到结果Yi=Iii.XNX1。
[0021]步骤4:重复上面的步骤M次，则M次液晶屏像素排列状态构成了观测矩阵ΦΜΧΝ，M次测量结果构成观测数据矩阵Υ=ΦΧ。
[0022]压缩采样部分的数学模型如下:
[0023]一维离散信号X可表不为
[0024]
【权利要求】
1.一种用液晶屏进行光调制的压缩采样方法，其特征在于:所测物体发出的光经光学成像部件成像在液晶屏上。液晶屏的每个像素相当于一个光开关，液晶屏驱动电路控制液晶的扭转，以改变其透光率，使光线有选择地透过液晶屏。通过液晶屏的透光率变化，物理上实现一个可编程的观测矩阵。透过液晶屏的光线射入傅里叶透镜。光电二极管在透镜焦点处接收光强，通过对光强积分，得到的结果相当于压缩传感理论中的观测值。其包括下列步骤: 步骤1:所测物体发出的光经光学成像部件成像在液晶屏上。此时液晶屏上的像为原始信号Xnx1O 步骤2:液晶屏驱动电路控制液晶的扭转，使液晶屏上的像素排列处于伪随机状态i，其中I ( i SM，它们的状态构成了观测矩阵Φ的第1行匕(尺寸是N)。此时将要透过液晶屏的信号是X在比下的值。 步骤3:透过液晶屏的光线射入傅里叶透镜。光电二极管在透镜焦点处接收光强，通过对光强积分，得到结果Yi=Iii.Xnxi。 步骤4:重复上面的步骤M次，则M次液晶屏像素排列状态构成了观测矩阵ΦΜΧΝ，M次测量结果构成观测数据矩阵Υ=ΦΧ。
2.如权利要求书I所述的用液晶屏进行光调制的压缩采样方法，其特征在于:采用无背光单色可调灰度的液晶屏对原始图像信号进行光调制，即将液晶屏作为观测矩阵的物理实现方式。
3.如权利要求书I所述的用液晶屏进行光调制的压缩采样方法，其特征在于:光电二极管在傅里叶透镜焦点处接收光强，并对经过液晶屏调制后的光信号进行积分。
4.如权利要求书I所述的用液晶屏进行光调制的压缩采样方法，其特征在于:Μ次液晶屏像素排列状态构成了观测矩阵Φ，M次测量结果构成观测数据矩阵Υ=ΦΧ。
【文档编号】G09G3/36GK103871387SQ201410131479
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】曹章, 徐立军, 周家怡, 魏天啸 申请人:北京航空航天大学