[发明专利]一种多尺度编码孔径光谱时间压缩感知成像方法

说明书

本发明公开了一种多尺度编码孔径光谱时间压缩感知成像方法，利用数字微镜阵列DMD的0和1控制状态获取运动目标场景的两个编码模式互补的两路孔径编码编图像，其中一路采用时变振幅调制方式实现时间压缩，通过单次曝光积分的单帧混叠图像解算出多帧序列图像；另一路采用时变振幅调制和色散光栅，实现单次曝光积分的单帧光谱混叠图像解算出多光谱序列图像；再通过时间压缩重构图像序列与多光谱图像序列融合，实现空间－时间－光谱联合压缩感知；本发明的方法依据大尺度的观测矩阵实现CACTI成像获取视频序列的基准帧，可以实现与CASSI成像通道之间的快速配准。

技术领域

本发明属于光场调制和计算成像技术领域，具体涉及一种多尺度编码孔径光谱时间压缩感知成像方法。

背景技术

利用光场调制和压缩感知原理实现空间目标多维光场联合采集和超分辨率重建的方法主要包括：CS-MUVI、CS-CAKEI、CASSI和CACTI。

CS-MUVI成像方法是基于单像素相机提出的一种时空超分辨率成像方法，方法采用双尺度的编码观测矩阵，在目标运动速度较低且满足一定观测次数条件下才能复原出高分辨率的视频序列。该方法利用单元探测器实现阵列图像的获取，极大地降低了系统硬件成本，但图像重构分辨率依赖于目标场景的运动估计精度且观测时间长，仅对静止或低速运动目标观测有效。

CS-CAKEI成像方法是将编码曝光与压缩编码孔径成像技术相结合的时空超分辨率成像技术，同时实现了时间和空间的超分辨率成像，其对硬件和重建算法要求较高，需要对系统进行严格标定。

CACTI成像方法可以实现时间超分辨率成像，其硬件实现成本较低，由于采用运动编码孔径方式，系统需要增加光学掩膜和运动控制器，降低成像系统的空间分辨率和成像对比度的同时，增加了系统的复杂度。

CASSI利用一个编码孔径和一个或几个色散元件去调制场景的光场，编码孔径可以使探测器捕捉到一个数据立方体的多通道投影，对应不同的光谱图像，该方法提供了一种通过单次二维测量来获取三维数据立方体的机制。该方法只能提高光谱分辨率，且需要采用复杂的重构算法从混叠的数据中反演出光谱数据。

综上所述，目前的基于压缩感知原理实现多维光场联合采集和超分辨率重建的方法主要存在以下问题：一是可联合采集和压缩感知的维度有限，通常只能实现时间-空间、时间－空间、时间－光谱两个维度的联合压缩感知；二是多个维度联合压缩感知重构信息提升有限，根据压缩感知成像原理，目前的测量方法主要是牺牲一个维度的信息换取另一个维度的信息，难以实现多个维度分辨率的同时提升；三是系统实现结构复杂，由于引入光场调控器件，通常会影响系统的光通量和成像对比度，很难进行功能扩展和应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多尺度编码孔径光谱时间压缩感知成像方法，以数字微镜阵列(DMD)作为多尺度编码孔径调制器件，通过共用编码孔径将时间压缩感知图像序列和多光谱压缩感知图像序列进行时空配准和融合重构，实现运动场景时间、空间和光谱的压缩感知与超分辨率重建，算法可以提高运动目标场景瞬时光学特性数据获取能力，适用于空间目标监视和实况记录设备的性能提升。

一种多尺度编码孔径光谱时间压缩感知成像方法，包括如下步骤：

步骤1、在矩阵元素为{+1,-1}的Hadamard中任意抽取N_F行，将每一行构成一个矩阵，并进行上采样，获得N_F个与DMD单元数一致的N₁×M₁维的编码矩阵；其中N_F为单次曝光图像可重构的图像数量；

步骤2、单曝光多光谱压缩感知图像重构，具体为：

用所述编码矩阵控制DMD的编码；DMD接收目标场景的光束，分成两束，其中一束经光栅色散后，进入宽光谱相机；所述宽光谱相机获得包含可见光和近红外的光谱图像；另一束光进入可见光相机；