一种基于压缩感知的大视场图像获取系统及其方法
【专利摘要】一种基于压缩感知的大视场图像获取系统及其方法,它属于图像获取技术。它通过扩束准直系统将标靶图像输入到4f系统，在第一块傅立叶透镜的后焦面利用强度调制型空间光调制器对入射信号的频谱进行强度调制，并在第二块傅立叶透镜的后焦面对调制后的图像进行部分记录，导入计算机后进行通过凸优化进行重构。本发明的视场不受几何成像光学约束，可以采用成本更低的小型图像传感器实现大视场成像，简单易用，无需将其变成一维矩阵，因此对图像的采集过程所需时间更短。
【专利说明】-种基于压缩感知的大视场图像获取系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于图像获取技术，特别是一种基于压缩感知的大视场图像获取系统及其 方法。
【背景技术】
[0002] 在传统的成像过程中，成像系统的视场往往由图像传感器的感光面积与光学系统 的焦距共同决定。感光面积一定时，光学组件的焦距越长，成像系统的视场越小；反之，视场 越大。光学组件的焦距一定时，感光面积越大，成像系统的视场越大；反之，视场越小。当图 像传感器的感光面积与光学组件的焦距固定时，成像系统的视场唯一确定。
[0003] 根据几何成像光学原理可知，成像系统视场角可W由W下公式计算得到： 6, =2 ?arc巧(V。/) 卸r = 2 ?ore巧知/2/) 上述两式中，&，6w分别表示成像系统的垂直方向视场角与水平方向视场角；分 别表示图像传感器感光面垂直方向尺寸与水平方向尺寸；f表示光学组件焦距。
[0004] 在传统的成像过程中，为了提高成像系统的视场，往往采用增大图像传感器感光 面积或缩短光学组件焦距的方法，其本质是使得光学组件输出图像的尺寸与图像传感器感 光面积相匹配。在大多数的应用中，图像传感器的感光面积往往固定不变，增加成像系统视 场的途径只能采用缩短光学组件的焦距的方法，即缩小光学组件输出图像的尺寸从而增大 成像系统的视场。由于光学组件输出图像的尺寸减小，带来成像系统空间分辨力下降，在特 殊的工业、生物医学的场合实用性不足。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于压缩感知的大视场图像获取系统及其方法。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于压缩感知的大视场图像获取系统， 包括激光器、扩束镜、准直镜、第一傅立叶透镜、空间光调制器、第二傅立叶透镜、图像传感 器和计算机，激光器的光输出端一侧依次放置扩束镜和准直镜，调校激光器的光输出端中 也与扩束镜和准直镜的光学中也吻合，扩束镜与准直镜构成光学扩束准直模块，激光器输 出激光经光学扩束准直模块形成面型准直平行面光源，该面光源中也作为光轴，在准直镜 另一侧放置祀标，祀标的另一侧依次放置第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透 镜，第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜的光学中也与光轴吻合，第一傅立叶 透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜构成4f频谱调制模块，在第二傅立叶透镜的另一侧 放置图像传感器，图像传感器的感光面光学中也与光轴吻合，图像传感器采集的图像通过 千兆网络接口与计算机连接，计算机通过VGA端口与空间光调制器的输入端口连接；激光 器输出的激光经过光学扩束准直模块后入射到祀标，祀标形成的目标图像作为输入信号进 入4f频谱调制模块，4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜对目标图像进行傅立叶频谱变 换并由空间光调制器进行调制，在4f频谱调制模块中的第二傅立叶透镜的后焦面形成目 标图像的倒像，图像传感器的感光面对4f频谱调制模块输出的目标图像的倒像进行采集， 通过千兆网络接口传输到计算机，结合空间光调制器的随机强度调制矩阵与图像传感器采 集得到的目标图像的倒像，通过求解凸规划问题还原得到目标图像。
[0007] 本发明与现有技术相比，其显著优点为；（1)与基于几何成像光学的传统成像装 置相比，本发明的视场不受几何成像光学约束，可W采用成本更低的小型图像传感器实现 大视场成像，简单易用。（2)与基于强度调制的透过率调制的单像素相机相比，由于此方案 直接对二维矩阵进行作用，无需将其变成一维矩阵，因此对图像的采集过程所需时间更短。 (3)在图像传感器的感光面积与光学组件的焦距一定的条件下，利用压缩感知的方法构建 稀疏采样矩阵，达到增大成像系统视场的目的。因为采用傅立叶成像光学组件，在像面大于 传感器感光面积的条件下，通过压缩感知的采样模式，利用图像传感器记录得到的部分图 像信息，重构得到完整图像信息的方法。（4)采用基于傅立叶变换矩阵的随机强度调制测量 矩阵，该种测量矩阵与一个确定的图像表示基保持低相关度，可W实现压缩感知。该种方法 的优点是可W通过光学4f系统实现压缩感知，可W应用于一般的成像系统，且强度调制的 空间调制易于实现，实用性强。
[0008] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1是本发明基于强度调制压缩感知实现大视场成像的流程图。
[0010] 图2是本发明中大视场图像获取的示意图。
[0011] 图3是本发明中4f频谱调制模块示意图。
[0012] 图4是本发明中信号输入模块示意图。
[0013] 图5是本发明中具体实施例示意图。
[0014] 图6是本发明中具体实施例采用的强度调制矩阵，大小为64X64。
[0015] 图7是本发明中具体实施例采用的实验标祀图片，大小为64X64。
[0016] 图8是本发明中具体实施例图像传感器的采样结果，大小为30X64。
[0017] 图9是本发明中具体实施例的图像重建示意图，大小为64X64。
【具体实施方式】
[0018] 结合图3,本发明基于压缩感知的大视场图像获取系统，包括激光器1、扩束镜2、 准直镜3、第一傅立叶透镜5、空间光调制器6、第二傅立叶透镜7、图像传感器8和计算机9， 激光器1的光输出端一侧依次放置扩束镜2和准直镜3,调校激光器1的光输出端中也与 扩束镜2和准直镜3的光学中也吻合，扩束镜2与准直镜3构成光学扩束准直模块，激光器 1输出激光经光学扩束准直模块形成面型准直平行面光源，该面光源中也作为光轴，在准直 镜3另一侧放置祀标4,祀标4的另一侧依次放置第一傅立叶透镜5、空间光调制器6与第 二傅立叶透镜7,第一傅立叶透镜5、空间光调制器6与第二傅立叶透镜7的光学中也与光 轴吻合，第一傅立叶透镜5、空间光调制器6与第二傅立叶透镜7构成4f频谱调制模块，在 第二傅立叶透镜7的另一侧放置图像传感器8,图像传感器8的感光面光学中也与光轴吻 合，图像传感器8采集的图像通过千兆网络接口与计算机9连接，计算机9通过VGA端口与 空间光调制器的输入端口连接；激光器1输出的激光经过光学扩束准直模块后入射到祀标 4,祀标4形成的目标图像作为输入信号进入4f频谱调制模块，4f频谱调制模块中的第一傅 立叶透镜5对目标图像进行傅立叶频谱变换并由空间光调制器6进行调制，在4f频谱调制 模块中的第二傅立叶透镜7的后焦面形成目标图像的倒像，图像传感器8的感光面对4f频 谱调制模块输出的目标图像的倒像进行采集，通过千兆网络接口传输到计算机9,结合空间 光调制器6的随机强度调制矩阵与图像传感器8采集得到的目标图像的倒像，通过求解凸 规划问题还原得到目标图像。
[0019] 其中，本发明基于压缩感知的大视场图像获取系统的扩束镜2与激光器1之间的 距离大于扩束镜2的焦距，小于扩束镜2焦距的2-3倍，准直镜间3与扩束镜2的距离为扩 束镜2焦距与准直镜3焦距之和。祀标4与准直镜3的距离大于准直镜3的焦距，小于准 直镜3焦距的2-3倍。第一傅立叶透镜5与祀标4的距离大于第一傅立叶透镜5的焦距， 小于第一傅立叶透镜5焦距的2-3倍，空间光调制器6与第一傅立叶透镜5的距离为第一 傅立叶透镜5的焦距，第二傅立叶透镜7与空间光调制器6的距离为第二傅立叶透镜7的 焦距。图像传感器8的感光面与第二傅立叶透镜7的距离为第二傅立叶透镜7的焦距。
[0020] 本发明的扩束镜2可W采用平凸透镜。准直镜3采用焦距平凸透镜。第一傅立叶 透镜5、第二傅立叶透镜7采用双凸傅立叶透镜。空间光调制器6选用振幅型空间光调制 器。
[0021] 本发明利用上述的基于压缩感知的大视场图像获取系统来实现大视场图像的获 取，步骤如下： 1. 1对光学扩束准直模块中的扩束镜与准直镜进行调校，使得扩束镜与准直镜的光学 中也吻合，扩束镜与准直镜间的距离为扩束镜焦距与准直镜焦距之和； 1. 2对4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜进行 调校，使得第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜的光学中也吻合，第一傅立叶 透镜与第二傅立叶透镜间的距离为第一傅立叶透镜焦距与第二傅立叶透镜焦距之和，同时 将空间光调制器放置于第一傅立叶透镜与第二傅立叶透镜间，空间光调制器距第一傅立叶 透镜的距离为第一傅立叶透镜的焦距； 1. 3将光学扩束准直模块与4f频谱调制模块放置于同光轴光路中，4f频谱调制模块 位于光学扩束准直模块中准直镜一侧，光学扩束准直模块中准直镜与4f频谱调制模块中 第一傅立叶透镜的距离大于光学扩束准直模块中准直镜焦距与4f频谱调制模块中第一傅 立叶透镜焦距之和，小于光学扩束准直模块中准直镜焦距与4f频谱调制模块中第一傅立 叶透镜焦距之和的2倍； 1. 4将激光器放置于光学扩束准直模块的扩束镜一侧，使得激光器的光输出端与光学 扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，激光器的光输出端截面与光学扩束准直模块 中扩束镜间的距离大于光学扩束准直模块中扩束镜的焦距，小于光学扩束准直模块中扩束 镜的焦距的2倍； 1. 5将祀标放置于光学扩束准直模块与4f频谱调制模块之间，祀标中也与光学扩束 准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，祀标距光学扩束准直模块中准直镜的距离应大于 光学准直模块中准直镜的焦距，祀标距4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜的距离应大于 第一傅立叶透镜的焦距； 1. 6通过计算机产生随机强度调制矩阵并通过计算机的VGA输出端口连接至空间光 调制器，由空间光调制器显示，该随机强度调制矩阵记为P'; 1. 7将图像传感器放置于4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜一侧，图像传感器的感 光面中也与与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，图像传感器的感光面距4f 频谱调制模块中第二傅立叶透镜的距离为4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜的焦距； 1. 8图像传感器通过千兆网络接口与计算机连接，将图像传感器采集到的图像W矩阵 形式存入计算机中作为测量值，记为y ; 1. 9构造测量矩阵M=F冲F，P为P'的变换，F为傅立叶变换矩阵，F*为逆傅立叶变换 矩阵； 1.10重构图像为X，通过求解凸规划问题，min ||j4 iLf. y = 完成对采样图像 的还原，实现祀标图像重建。 实施例
[0022] 结合图1和图5,本发明基于强度调制压缩感知的大视场成像方法，包括W下步 骤： 1. 1对光学扩束准直模块中的扩束镜2与准直镜3进行调校，使得扩束镜2与准直镜3 的光学中也吻合，扩束镜2与准直镜3间的距离为扩束镜2焦距与准直镜3焦距之和，扩束 镜2选择焦距为12. 5mm平凸透镜，准直镜3选择焦距为500mm的平凸透镜，放大倍率可W 达到40倍，扩束准直过程如图4所示； 1. 2对4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜进行 调校，使得第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜的光学中也吻合，第一傅立叶 透镜与第二傅立叶透镜间的距离为第一傅立叶透镜焦距与第二傅立叶透镜焦距之和，同时 将空间光调制器放置于第一傅立叶透镜与第二傅立叶透镜间，空间光调制器距第一傅立叶 透镜的距离为第一傅立叶透镜的焦距，第一傅立叶透镜5、第二傅立叶透镜7均选用焦距为 300mm的双凸透镜，第一傅立叶透镜5与第二傅立叶透镜7的距离为600mm，空间光调制器 6选用振幅型空间光调制器，空间光调制器6通过VGA端口与计算机连接，空间光调制器6 与第一傅立叶透镜5透镜的距离为300mm ; 1. 3将光学扩束准直模块与4f频谱调制模块放置于同光轴光路中，4f频谱调制模块 位于光学扩束准直模块中准直镜3 -侧，光学扩束准直模块中准直镜与4f频谱调制模块中 第一傅立叶透镜5的距离大于光学扩束准直模块中准直镜3焦距与4f频谱调制模块中第 一傅立叶透镜5焦距之和，小于光学扩束准直模块中准直镜3焦距与4f频谱调制模块中第 一傅立叶透镜5焦距之和的2倍； 1. 4将激光器1放置于光学扩束准直模块的扩束镜2 -侧，使得激光器1的光输出端 与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，激光器1的光输出端截面与光学扩束 准直模块中扩束镜2间的距离大于光学扩束准直模块中扩束镜2的焦距，小于光学扩束准 直模块中扩束镜2的焦距的2倍； 1. 5将祀标4放置于光学扩束准直模块与4f频谱调制模块之间，祀标中也与光学扩束 准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，祀标距光学扩束准直模块中准直镜的距离应大于 光学准直模块中准直镜的焦距，祀标距4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜的距离应大于 第一傅立叶透镜的焦距，本发明实施例所用祀标如图7所示； 1. 6通过计算机9产生随机强度调制矩阵并通过计算机的VGA输出端口连接至空间光 调制器6,由空间光调制器6显示，该随机强度调制矩阵记为P'; 1. 7将图像传感器8放置于4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜7 -侧，图像传感器8 的感光面中也与与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，图像传感器8的感光 面距4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜7的距离为4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜7 的焦距，本发明实施例图像传感器8采集的图像如图8所示； 1. 8图像传感器8通过千兆网络接口与计算机9连接，将图像传感器8采集到的图像 W矩阵形式存入计算机9中作为测量值，记为y。
[002引 1. 9构造测量矩阵M=F冲F，P为P'的变换。F为傅立叶变换矩阵，F*为逆傅立叶 变换矩阵。
[0024]目标图像由图像传感器8的感光面采集，可作为离散信号，设透过祀标之后图像 为f (X，y)，经过傅立叶透镜之后，在其后焦面上得到f (X，y)的频谱F (U，V)，该个过程可W 描述为离散傅立叶变换，如式（1)所示：
【权利要求】
1. 一种基于压缩感知的大视场图像获取系统，其特征在于包括激光器（1)、扩束镜 (2)、准直镜（3)、第一傅立叶透镜（5)、空间光调制器（6)、第二傅立叶透镜（7)、图像传感器 (8 )和计算机（9 )，激光器（1)的光输出端一侧依次放置扩束镜（2 )和准直镜（3 )，调校激光 器（1)的光输出端中心与扩束镜（2 )和准直镜（3 )的光学中心吻合，扩束镜（2 )与准直镜（3 ) 构成光学扩束准直模块，激光器（1)输出激光经光学扩束准直模块形成面型准直平行面光 源，该面光源中心作为光轴，在准直镜（3)另一侧放置靶标（4)，靶标（4)的另一侧依次放置 第一傅立叶透镜（5)、空间光调制器（6)与第二傅立叶透镜（7)，第一傅立叶透镜（5)、空间 光调制器（6)与第二傅立叶透镜（7)的光学中心与光轴吻合，第一傅立叶透镜（5)、空间光 调制器（6)与第二傅立叶透镜（7)构成4f频谱调制模块，在第二傅立叶透镜（7)的另一侧 放置图像传感器（8)，图像传感器（8)的感光面光学中心与光轴吻合，图像传感器（8)采集 的图像通过千兆网络接口与计算机（9)连接，计算机（9)通过VGA端口与空间光调制器的输 入端口连接；激光器（1)输出的激光经过光学扩束准直模块后入射到靶标（4)，靶标（4)形 成的目标图像作为输入信号进入4f频谱调制模块，4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜 (5)对目标图像进行傅立叶频谱变换并由空间光调制器（6)进行调制，在4f频谱调制模块 中的第二傅立叶透镜（7)的后焦面形成目标图像的倒像，图像传感器（8)的感光面对4f频 谱调制模块输出的目标图像的倒像进行采集，通过千兆网络接口传输到计算机（9)，结合空 间光调制器（6)的随机强度调制矩阵与图像传感器（8)采集得到的目标图像的倒像，通过 求解凸规划问题还原得到目标图像。
2. 根据权利要求1所述的基于压缩感知的大视场图像获取系统，其特征在于扩束镜 (2)与激光器（1)之间的距离大于扩束镜（2)的焦距，小于扩束镜（2)焦距的2-3倍，准直 镜间（3 )与扩束镜（2 )的距离为扩束镜（2 )焦距与准直镜（3 )焦距之和。
3. 根据权利要求1所述的基于压缩感知的大视场图像获取系统，其特征在于靶标（4) 与准直镜（3)的距离大于准直镜（3)的焦距，小于准直镜（3)焦距的2-3倍。
4. 根据权利要求1所述的基于压缩感知的大视场图像获取系统，其特征在于第一傅立 叶透镜（5)与靶标（4)的距离大于第一傅立叶透镜（5)的焦距，小于第一傅立叶透镜（5)焦 距的2-3倍，空间光调制器（6)与第一傅立叶透镜（5)的距离为第一傅立叶透镜（5)的焦 距，第二傅立叶透镜（7)与空间光调制器（6)的距离为第二傅立叶透镜（7)的焦距。
5.根据权利要求1所述的基于压缩感知的大视场图像获取系统，其特征在于图像传感 器（8)的感光面与第二傅立叶透镜（7)的距离为第二傅立叶透镜（7)的焦距。
6. -种利用权利要求1所述的基于压缩感知的大视场图像获取系统实现大视场图像 获取方法，包括以下步骤： 1. 1对光学扩束准直模块中的扩束镜与准直镜进行调校，使得扩束镜与准直镜的光学 中心吻合，扩束镜与准直镜间的距离为扩束镜焦距与准直镜焦距之和； 1. 2对4f频谱调制模块中的第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜进行调 校，使得第一傅立叶透镜、空间光调制器与第二傅立叶透镜的光学中心吻合，第一傅立叶透 镜与第二傅立叶透镜间的距离为第一傅立叶透镜焦距与第二傅立叶透镜焦距之和，同时将 空间光调制器放置于第一傅立叶透镜与第二傅立叶透镜间，空间光调制器距第一傅立叶透 镜的距离为第一傅立叶透镜的焦距； 1. 3将光学扩束准直模块与4f频谱调制模块放置于同光轴光路中，4f频谱调制模块位 于光学扩束准直模块中准直镜一侧，光学扩束准直模块中准直镜与4f频谱调制模块中第 一傅立叶透镜的距离大于光学扩束准直模块中准直镜焦距与4f频谱调制模块中第一傅立 叶透镜焦距之和，小于光学扩束准直模块中准直镜焦距与4f频谱调制模块中第一傅立叶 透镜焦距之和的2-3倍； 1. 4将激光器放置于光学扩束准直模块的扩束镜一侧，使得激光器的光输出端与光学 扩束准直模块、4f?频谱调制模块的光轴吻合，激光器的光输出端截面与光学扩束准直模块 中扩束镜间的距离大于光学扩束准直模块中扩束镜的焦距，小于光学扩束准直模块中扩束 镜的焦距的2-3倍； 1. 5将靶标放置于光学扩束准直模块与4f频谱调制模块之间，靶标中心与光学扩束准 直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，靶标距光学扩束准直模块中准直镜的距离应大于光 学准直模块中准直镜的焦距，靶标距4f频谱调制模块中第一傅立叶透镜的距离应大于第 一傅立叶透镜的焦距； 1. 6通过计算机产生随机强度调制矩阵并通过计算机的VGA输出端口连接至空间光调 制器，由空间光调制器显示，该随机强度调制矩阵记为P' ； 1. 7将图像传感器放置于4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜一侧，图像传感器的感光 面中心与与光学扩束准直模块、4f频谱调制模块的光轴吻合，图像传感器的感光面距4f频 谱调制模块中第二傅立叶透镜的距离为4f频谱调制模块中第二傅立叶透镜的焦距； 1.8图像传感器通过千兆网络接口与计算机连接，将图像传感器采集到的图像以矩阵 形式存入计算机中作为测量值，记为y; 1. 9构造测量矩阵M=F*PF，P为P'的变换，F为傅立叶变换矩阵，F*为逆傅立叶变换 矩阵； 1 . 1 0重构图像为x， 通过求解凸规划问题，
【文档编号】H04N5/225GK104486538SQ201410689020
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】龚振飞, 李夏, 刘建英, 樊安仓 申请人:西安西光创威光电有限公司