[发明专利]一种采用DMD的并行时空域联合压缩成像方法及装置

权利要求书

1.一种采用DMD的并行时空域联合压缩成像方法，其特征在于：

步骤一：运动的目标或动态场景通过光学系统成像到数字微镜阵列DMD上，得到动态光信息；

将运动目标或动态场景拆分为多帧连续微小变化的原始图像X，并将其按顺序分为N组，每组图像数量一致；若有剩余图像且不足一组，则舍弃剩余图像；每组中图像间差异极小，则认为每组中图像相同；N组图像即一共有N帧待测图像；

步骤二：生成时空域调制模板并使用时空域调制模板对目标进行调制；

生成时空域调制模板；因为DMD加载二值模板的速度最快，则使用随机二值矩阵作为调制模板，生成随机二值矩阵C∈R^m×n×k作为调制模板，其中R表示实数集，上标m×n×k表示数据维度；k表示模板个数；m、n表示模板的尺寸，同时也是待恢复的高分辨率图像的尺寸；

然后利用调制模板对目标进行调制；将调制模板加载到DMD上，使DMD按照设定的模板对入射光进行调制，调制结果记为Y_tem，数学表示如下：

Y_temⁱ＝Cⁱ⊙Xⁱ，i＝1，2，...，k (1)

式中，上标i表示第i帧图像，即，Xⁱ表示第i帧原图，Cⁱ表示第i个模板，Y_temⁱ表示第i帧调制图像；⊙表示矩阵的点乘；

步骤三：成像系统将调制后的光信息成像到相机探测阵列上；由于DMD的分辨率高于相机，因此需要将多个微镜反射的光线聚焦到相机的一个像素点上，以实现降采样，即空域压缩；

记相机采集的低分辨率图分辨率为md×nd，空域压缩(即空域下采样)是将调制后的调制图像Y_tem下采样为空域下采样图像Y_mid，数学表示如下：

式中，下标r、s分别表示调制图像Y_tem的行、列坐标，

即表示调制图像Y_tem的第i帧图像在第r行第s列处的值；r、s的值为：

r＝(p-1)×d+1:p×d (3)

s＝(q-1)×d+1:q×d (4)

p、q分别表示矩阵Y_mid内数据的行、列坐标，取值范围为p＝1，2，...，md，p＝1，2，...，nd；表示空域下采样图像Y_mid的第i帧图像在第p行第q列处的值；d表示空域压缩比；冒号：表示从前一个数开始递增，步长为1，直至后一个数为止，如z1：z2＝z1,z1+1,z1+2,…,z2-1,z2；

步骤四：相机在一个周期内对入射到相机探测单元上的光进行积分，以实现时域压缩，最终得到空域、时域均降采样后的图像；

时域压缩后获得最终采集到的压缩图像Y，数学表示为：

式中，Y_midⁱ表示空域下采样图像Y_mid的第i帧；

相机采集数据的时间应和DMD加载模板的时间对应，即需要控制模块发出触发信号控制DMD和相机的动作同步；

步骤五：使用恢复算法对步骤四压缩后的低分辨率积分图像进行恢复，得到高分辨率图像。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：步骤五所述的图像恢复算法采用维纳算法。

3.实现如权利要求1或2所述方法的装置，其特征在于：包括成像光路模块、光调制模块、数据采集模块、控制模块和数据处理模块；

运动目标或场景经由成像光路模块的成像透镜成像到光调制模块的DMD上；DMD受控制板控制，按照预设的规则循环加载并播放调制模板，对来自目标的光信息进行调制，同时按照预设的规则向控制模块的触发控制线发出触发信号；调制后的光信息再由成像光路模块的成像透镜成像到数据采集模块的相机上；相机在接收到来自触发线的触发信号后开始曝光，按照预设的时间曝光特定时间，获得多帧累积的下采样图像；获得的图像上传至数据处理模块的计算机上，通过算法的求解获得最终的高速高分辨率图像；

所述成像光路模块，包括两组成像透镜；作用分别是将目标成像到DMD上和将DMD成像到探测器的探测平面上；

所述光调制模块，包括DMD和与之配套的控制板；作用是存储设计好的调制模板矩阵并在DMD上按照设定的顺序加载，对成像到DMD上的图像进行调制；

所述数据采集模块，包括图像采集相机；作用是接收调制后的图像；

所述控制模块，包括触发控制线；作用是将DMD的控制板发出的触发信号传导给相机，使相机在接收到触发信号后开始曝光；目的是严格控制光调制模块和数据采集模块动作同步；

所述数据处理模块，包括计算机；作用是运行时空域压缩成像恢复算法，利用调制模板矩阵从相机拍摄的低速低分辨率图像中重构出原高分辨率高速图像。