[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

说明书

本发明提出了一种采用DMD的并行时空域联合压缩成像方法及装置。将空间域压缩成像技术与时间域压缩成像技术相结合，利用数字微镜器件DMD，使目标光信息在空域调制的同时进行时域调制，而探测器只需接收经过时、空域调制后的低速低分辨率图像。最后使用恢复算法从调制图像中恢复原高速高分辨率图像。本发明方法能够同时扩展相机的空间分辨率和时间分辨率，在不改变相机的前提下获得更高时间分辨率和空间分辨率的图像序列。同时，时空域压缩成像具有很高的压缩比，可以显著的减少采集的数据量，降低高速高分辨率视频对传输带宽的要求，使高速高分辨率成像系统成本更低且更易实现。

技术领域

本发明涉及一种采用DMD的并行时空域联合压缩成像方法及装置，具体涉及一种采用数字微镜阵列DMD和低速低分辨率相机的时域空域联合压缩感知的成像方法及实现系统，属于压缩成像和高速高分辨成像领域。

背景技术

高时间分辨率和高空间分辨率一直是成像领域孜孜不倦追求的目标。高空间分辨率可以获得目标场景更丰富的细节信息；高时间分辨率可以获得动态目标更详细的变化过程。然而高时间分辨率且高空间分辨率的图像采集设备制造存在技术难题或者成本高昂。这主要是因为在数据读取及传输带宽一定的条件下，采集设备的空间分辨率和时间分辨率相互制约，高空间分辨率和高时间分辨率都会产生大量的数据，系统在这两方面性能上很难同时提高。而提升数据带宽需要更高的技术工艺且成本高昂。因此，研究在现有成像设备的条件下获得更高时间分辨率和高空间分辨率的成像技术，具有十分重要的意义。

近年来，压缩感知技术因其在信号压缩领域的卓越表现受到研究工作者的广泛关注。由于压缩感知技术在信号被探测前进行压缩且具有很高的压缩比，因此可以显著的降低对采集设备和传输带宽的要求。在成像领域，压缩感知技术主要被应用于两个方面：一是基于变换域稀疏或梯度稀疏的空域压缩成像，二是基于时间域稀疏的时域压缩成像。空域压缩成像可以扩展相机的空间分辨率，但是其需要采集多帧低分辨率图才能重构出一帧高分辨率图像，即牺牲时间分辨率换取高空间分辨率。时域压缩成像技术利用动态目标时域稀疏的特性，将多帧图像调制后累积到一帧图像上，可实现相机时间分辨率的扩展。然而这两种压缩成像技术都只能提升时间分辨率和空间分辨率中的一个(其中空域压缩成像降低了相机的时间分辨率)，无法实现时间分辨率和空间分辨率同时提升。本发明将采用DMD实现并行时空域联合压缩成像。

目前已有研究工作者在结合时域、空域压缩成像方面进行了初步探讨。TreeapornV等在论文Space–time compressive imaging中描述了时空域压缩成像的概念和方法，进行了模拟实验，但是文中尚未建立切实可行的物理成像模型，以及如何实现时空域压缩成像。Harmany Z T等在论文Spatio-temporal compressed sensing with coded aperturesand keyed exposures和Compressive coded aperture keyed exposure imaging withoptical flow reconstruction中采用编码孔径和键控曝光的技术讨论了时空域压缩成像，并对其数学模型进行了分析和讨论。然而使用编码孔径进行图像探测调制矩阵设计复杂且计算量大，此外文中也未给出详细的成像系统。Ke Jun等的论文Temporal CompressedMeasurements for Block-wise Compressive Imaging将时域压缩成像技术应用于分块式空域压缩成像，使得空域压缩成像不再牺牲相机的时间分辨率，但是此方法未能同时提升相机的时间分辨率和空间分辨率。

本发明利用DMD的高速高分辨率特性，同时对运动场景进行时间和空间上的压缩成像，采集时空域联合压缩成像测量值，通过恢复算法获得高空间分辨率高时间分辨率的恢复数据。

发明内容

本发明的目的是为了解决高时间分辨率且高空间分辨率的图像难以获取或成像设备造价高昂的问题，提出了一种在时间域和空间域同时进行压缩成像的方法及装置。