一种衍射降质数据的复原修正方法及编码光谱成像设备

本发明涉及编码光谱成像方法，具体涉及一种衍射降质数据的复原修正方法及编码光谱成像设备。

背景技术：

1、编码孔径光谱成像技术最早起源于20世纪60年代天文学领域，在x射线和γ射线的成像中，普通光学镜片对高能射线成像已不起作用，所以需要通过掩模版对图像信息编码，通过数学算法间接计算原始图像信息。

2、20世纪80年代后，液晶光阀替代了传统机械模板，使得编码成像和编码成像光谱仪等在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率上实现了较大得提高。20世纪90年代，有公司研发了数字微镜阵列(digital micro-mirror device，dmd)。相比于传统的空间调制模板，dmd基于mems工艺，具有更小的尺寸、更快的刷新率、更高的分辨率和更加灵活的编码方式等诸多优点。面世之初，便被应用于各种不同应用场景下的编码成像中，实现对不同光学物理量的调控，并大幅提高了编码计算成像在帧频、分辨率、信息维度等多个方面的调控能力。

3、基于mems工艺的空间光调制器件的发展极大的推动了编码成像技术的发展。但对于光学系统而言，调制器件的减小带来的衍射效应对成像质量也带来了不可忽视的影响。根据衍射定律，当光线波长和通过的孔径大小越接近，带来的衍射效应越明显。从艾里斑计算公式：其中θ表示衍射半角。可以看出，当通过的孔径直径d减小或入射光线的波长λ增加，形成艾里斑的视场角均会增大。最终在成像面上，同一像元会同时感知多个调制通道的信息，极大的影响了光学系统的成像质量，而这一影响对于多维信息的编码成像更为严重。以哈达玛编码光谱成像技术为例，dmd不仅仅是对空间信息的编码调制，同时也包含了各个光谱通道的信息。衍射造成的通道之间的串扰，对光谱信息的影响较大。

4、针对这一问题，目前有两种解决方案，第一种是通过光学设计过程中的结构优化，尽可能的减小衍射效应对成像质量的影响。第二种是直接在图像上进行滤波处理或其他优化处理，以提高图像的质量。但第一种方法对降低衍射效应影响的程度有限，而第二种方法虽然能有效提高图像维度的数据质量，但对光谱维度的数据不一定有效，甚至对光谱维的数据质量影响更为严重。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种衍射降质数据的复原修正方法及编码光谱成像设备，以解决mems器件的微结构产生的衍射造成的光谱各个通道之间的信息串扰和图像模糊的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种衍射降质数据的复原修正方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

3、步骤1、获取编码成像仪器的编码光谱成像数据和单谱段衍射标定数据；

4、步骤2、构建单谱段编码数据的降质模型；

5、步骤3、基于编码模板图像、单谱段衍射标定数据和单谱段编码数据的降质模型计算频域上的衍射降质因子；

6、步骤4、构造哈达玛乘法的正向单谱段图像编码模型和单谱段编码图像分解模型；

7、步骤5、基于哈达玛乘法的单谱段编码图像分解模型和编码光谱成像数据开展单谱段图像分解，获取衍射降质的单谱段光谱图像；

8、步骤6、基于单谱段编码数据的降质模型以及衍射降质因子对衍射降质的单谱段光谱图像进行频域修正，获得单谱段编码图像的频域信号，通过频域转换法将频域信号转换为空间图像信号，获得修正后的单谱段编码图像；

9、步骤7、基于哈达玛乘法的正向单谱段图像编码模型以及修正后的单谱段编码图像获取多波段光谱编码图像；

10、步骤8、基于线性编码算法和多波段光谱编码图像反演计算得到修正后的光谱数据立方体，实现对衍射降质数据在空间维和光谱维的复原修正。

11、进一步地，所述步骤1具体包括：

12、1.3、获取编码光谱成像数据；

13、1.4、打开光源，所述光源为单色仪或其他匀光装置输出的单色光；

14、1.3、调节dmd模板至工作状态，并加载定标模板；其中不同的定标模板对应不同的光谱谱段，并将光源调节至对应波段；

15、1.4、通过探测器采集单谱段衍射标定数据。

16、进一步地，所述步骤2中，所述降质模型包括定标降质模型和成像降质模型；

17、步骤2具包括：

18、2.1、构建单谱段编码数据空间域的定标降质模型：

19、m'(x,y)＝m(x,y)*h(x,y)；

20、其中，m′表示编码模板的实际衍射图像信号；m表示编码模板的理想图像信号；h为衍射降质因子；(x，y)表示空间图像的二维坐标；

21、2.2、通过对单谱段编码数据空间域的定标降质模型进行傅里叶变换得到频域上的定标降质模型：

22、

23、其中，表示编码模板实际衍射图像的频域信号；表示编码模板理想图像的频域信号；h为衍射降质因子的频域信号；(u，v)表示空间图像对应频域的二维坐标；

24、2.3、构建单谱段编码数据空间域的成像降质模型：

25、

26、其中，i表示输入图像；η表示噪声；

27、2.4、忽略噪声影响，通过对单谱段编码数据空间域的成像降质模型进行傅里叶变换得到频域上的成像降质模型：

28、

29、其中f表示傅里叶变换。

30、进一步地，所述步骤3具体包括：

31、3.1、基于傅里叶变换将编码模板图像、单谱段衍射标定数据变换为对应的频域信号；

32、3.2、基于频域上的定标降质模型以及频域上的成像降质模型和步骤3.1得到的频域信号计算得到频域上的衍射降质因子。

33、进一步地，所述步骤4具体包括：

34、4.1、构造哈达玛乘法的正向单谱段图像编码模型：

35、

36、其中，p′是实际的多波段衍射编码图像，t为过程矩阵，根据设定的编码模板构造，mi′表示降质后的编码模板，ii表示和单谱段图像，其原始大小为m×n，其中m和n分别表示探测器的行和列，p是编码模版的阶数；4.2、通过逆矩阵计算将正向单谱段图像编码模型转换为单谱段编码图像分解模型：

37、

38、其中，t-1表示过程矩阵的逆矩阵。

39、进一步地，所述步骤6具体包括：

40、6.1、将步骤5分解得到的衍射降质的单谱段光谱图像进行傅里叶变换，转化为衍射降质的单谱段编码光谱图像频域信号；

41、6.2、基于单谱段编码数据频域上的图像降质模型以及衍射降质因子对衍射降质的单谱段编码光谱图像频域信号进行频域修正，获得修正后的单谱段编码图像的频域信号：

42、

43、6.3、通过频域转换法将修正后的单谱段编码图像的频域信号转换为空间图像信号，获得修正后的单谱段编码图像。

44、进一步地，所述步骤8具体包括：

45、8.1、建立空间编码成像线性模型：

46、y＝ax+e；

47、其中，a表示编码矩阵，一般a中仅包含“0”和“1”元素，x表示待求解的光谱信号，y表示多波段光谱编码图像的通道信号，e表示噪声。

48、8.2、对于完备编码，通过求逆的方式求解光谱信号，获取修正后的光谱数据立方体；

49、对于基于哈达玛编码的光谱成像，通过下式求解光谱维度，获取修正后的光谱数据立方体：

50、

51、其中，n表示编码阶数(等效光谱谱段数)，a-1表示a的逆矩阵，a'表示a的转置矩阵。

52、对于稀疏编码或压缩感知编码，通过凸优化算法或通过神经网络及深度学习算法获取修正后的光谱数据立方体，所述凸优化算法包括贪婪算法、贪婪追踪、阈值类算法、匹配追踪和子空间追踪。

53、同时，本发明还提供了一种编码光谱成像设备，用于上述的衍射降质数据的复原修正方法，以获取编码成像仪器的编码光谱成像数据和单谱段衍射标定数据；其特殊之处在于：包括编码光谱成像仪和单色面光源；

54、所述单色面光源用于发出出射光线；

55、所述编码光谱成像仪包括沿出射光线所在光路依次设置的前置成像镜、编码模板、分光器件、成像镜和探测器，以及控制上位机；所述编码模板和探测器分别与控制上位机连接。

56、进一步地，还包括设置于编所述码模板与分光器件之间且位于出射光线所在光路上的准直镜。

57、进一步地，所述单色面光源包括黑体光源和滤光片；所述黑体光源发射出射光线；所述滤光片设置在黑体光源与前置成像镜之间的光路上；

58、或者，所述单色面光源包括单色仪和匀光镜头；所述单色仪发射出射光线；所述匀光镜头设置在单色仪与前置成像镜之间的光路上；

59、或者，所述单色面光源包括可调谐激光器和积分球；所述可调谐激光器发射出射光线；所述积分球设置在可调谐激光器与前置成像镜之间的光路上。

60、进一步地，所述前置成像镜为透射镜头或反射镜头；

61、所述分光器件为色散棱镜或光栅。

62、本发明的有益效果：

63、1、本发明提供的衍射降质数据的复原修正方法能够实现对衍射降质图像的复原修正，获取高质量得成像数据。该方法尤其适用于多维信息压缩成像得编码成像设备中。

64、2、本发明提供的衍射降质数据的复原修正方法无需对编码成像光谱设备的硬件进行更改，仅需后期通过相机标定和算法修正即可实现对降质数据的修正。

65、3、相比其他修正方法，本发明提供的衍射降质数据的复原修正方法在修正过程中结合了编码光谱成像原理和编解码原理，能够实现对图像信息和光谱信息的同步修正和优化。

66、4、本发明的衍射降质因子和降质矩阵通过实验室标定获取，精度较高，复原数据立方体的数据修正精度高。

67、5、本发明通过在空间域、频域和光谱域三个维度的数据变换和计算实现了高精度的空间和光谱信息的修正。

68、6、本发明提供的衍射降质数据的复原修正方法具有通用性，可应用于多种计算编码成像设备的数据质量提升工作。

69、7、本发明能够通过算法有效提高编码光谱成像设备的数据质量，有利于实现编码光谱成像设备的低成本应用。