[发明专利]一种编码孔径光谱成像系统的重构方法

说明书

本发明公开的一种编码孔径光谱成像系统的重构方法，涉及能够快速获取高分辨率高光谱图像的方法，属于计算摄像学领域。本发明应用于编码孔径快照光谱成像系统，将高光谱图像重构问题转化为全变差约束的最优化问题，并使用交替方向乘子法(ADMM算法)求解：使用共轭梯度下降法来更新高光谱图像；使用软阈值函数更新ADMM算法的辅助变量；根据ADMM算法交替更新的策略进行迭代，从而完成高光谱图像的重构。本发明能够完成用于编码孔径光谱成像的高分辨率高光谱图像快速重构，具有收敛速度快、重构效率高、易于并行化处理的优点。本发明不仅适用于编码孔径快照光谱仪，还能够扩展适用于基于多路采样的光谱仪设备。

技术领域

本发明涉及一种用于编码孔径光谱成像的高光谱图像重构方法，尤其涉及能够快速获取高分辨率高光谱图像的方法，属于计算摄像学领域。

背景技术

高光谱成像技术是将空间成像技术和频谱成像技术相结合，对目标场景在频谱上进行几十甚至上百个波段的连续测量。该技术得到的图像包含目标场景的二维空间信息和一维光谱信息，被称为数据立方体。相比传统彩色成像，高光谱成像技术能够获得内容更为丰富，细节更为显著的有用信息。该技术已经被应用于植被研究、大气检测，载人航天、医学诊断等多个领域。

近年来，基于压缩感知的计算光谱成像技术被广泛运用到高光谱成像。计算光谱成像通过对空间维、角度维或时间维进行调制耦合，探测器获取从高维映射到低维的压缩光谱图像。与传统光谱成像系统相比，计算光谱成像能够获得更高空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率的高光谱图像，具有更为广阔的应用前景。Ashwin Wagadarikar等人提出的编码孔径快照光谱成像仪(Coded Aperture Snapshot Spectral Imager,CASSI)是最常用的压缩感知光谱成像技术之一。该技术采用编码孔径和色散介质来对目标场景进行调制，通过探测器获取三维图谱数据的二维压缩投影。在此基础上还衍生出CASSI+全色相机、CASSI+RGB彩色相机等多种混叠采样系统，均有着非常好的光谱成像效果。

如何从CASSI系统得到的二维压缩图像重构出原始的三维高光谱图像，是该领域非常重要的研究内容。目前常用于CASSI光谱重建的算法主要是基于全变差最小化的两步迭代收缩/阈值算法(Two-Step Iterative Shrinkage/Thresholding Algorithms，TwIST)。TwIST算法建立在迭代收缩阈值算法和迭代加权收缩算法的基础上，其核心是使用反向投影函数去噪，并利用前两次的结果进行迭代更新，从而完成高光谱图像的重建。由于其计算复杂度很高，TwIST算法重构高光谱图像时间很长，同时得到的高光谱图像分辨率也有待提高，因此极大地限制了高光谱图像的应用及扩展。

发明内容

针对两步迭代收缩/阈值成像算法存在的重构时间长、图像质量低等问题。本发明要解决的技术问题是提供一种编码孔径光谱成像系统的重构方法，能够完成用于编码孔径光谱成像的高分辨率高光谱图像快速重构，具有收敛速度快、重构效率高、易于并行化处理的优点。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案。

本发明公开的一种编码孔径光谱成像系统的重构方法，应用于编码孔径快照光谱成像系统，将高光谱图像重构问题转化为全变差约束的最优化问题，并使用交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)求解：使用共轭梯度下降法来更新高光谱图像；使用软阈值函数更新ADMM算法的辅助变量；根据ADMM算法交替更新的策略进行迭代，从而完成高光谱图像的重构。

本发明公开的一种编码孔径光谱成像系统的重构方法，包含以下步骤：

步骤101：输入编码孔径快照光谱成像仪(Coded Aperture Snapshot SpectralImager,CASSI)获取的压缩光谱采样图像Y、标定后的前向响应矩阵H、主函数最大迭代次数Maxiters和正则化系数τ。