CN102914367B - 基于压缩感知的多光谱成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压缩感知的多光谱成像装置，包括成像物镜、第一空间光调制器、准直***、色散元件、第一会聚透镜、第二空间光调制器、第二会聚透镜、单点探测器、数据存储计算模块、图像生成加载模块，成像物镜将所要测试的目标成像于第一空间光调制器上，利用空间光调制器实现对成像图像的纹理和光谱编码调制，然后将调制后的图像的总光强通过单点探测器探测，利用多次编码图像的纹理和光谱信息，通过压缩感知算法计算获得景物的多光谱图像。本发明不需要对光谱进行扫描，采用单点探测器，突破衍射极限，成像过程测量时间较短。利用压缩感知算法进一步缩短了测量时间，因此利用本发明的方法可快速获得景物的多光谱图像。

Description

基于压缩感知的多光谱成像装置和方法

技术领域

本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及基于压缩感知使用两个空间光调制器对图像纹理和光谱编码调制的多光谱成像装置和方法。

背景技术

多光谱成像技术将成像技术与光谱技术结合在一起，是一种基于多个窄波段的技术，在遥感探测等方面具有重要的应用。需要经过横纵扫描获得目标的多光谱图像数据。

常规的多光谱成像技术从原理上可以分成色散型和干涉型两类。其中，色散型光谱***利用介质折射率随波长变化的性质，采用棱镜或者光栅作为分光元件。组件包括成像透镜，色散***，光电传感器，需要加扫描方式成像。另一类是基于干涉效应的干涉多光谱成像技术，也需要经过与色散型技术相类似的扫描成像，与色散型成像技术不同的是，每一个像素的光谱分布不是由色散形成，而是利用光的干涉现象得到干涉图，经傅里叶变换在频域内得到光谱图。这些技术的共同点是采用推扫一类的扫描技术，实现对图像的场景的多光谱分析。

综上，现有的多光谱成像***需要扫描或者使用线阵探测器来完成，需要先获取二维图像，再对图像进行光谱扫描来获取多光谱图像，测量时间较长，其分辨率受衍射极限限制。

压缩感知理论是关于信号采样和数据处理的一门新兴的理论，它指出在一定的条件下，用远低于Nyquist采样定理要求的采样次数对信号进行采样时，也能很好的恢复出原始信号，它可以将图像的压缩采集和压缩过程合二为一。通过M次的测量可以还原N维的信号(M＜N)。压缩感知理论的核心内容有两点：目标信号的稀疏表达和测量的非相干性。对于有长度为N的实数信号x(n)，可以进行稀疏变换或者x＝Ψθ。Ψ为相应的稀疏基矩阵。压缩感知并不直接对信号x(n)进行测量，而是通过一个随机投影矩阵Ф进行测量y＝Фx。Ф是一个M×N维的矩阵，每一行是一个基向量表示对信号x(n)进行一次线性的测量。M表示测量次数，并且满足M＜N。由于x可以在Ψ域进行稀疏表示，所以上式也可以表示为y＝Фx＝ФΨ^Tθ。求解此方程的问题可以表示为求最小1范数的优化问题：约束条件为y＝Фx＝ФΨ^Tθ＝Θθ。可用的算法有基追踪算法，贪婪追踪算法，凸松弛法，组合算法，TV算法等。

目前还没有将压缩感知理论应用于对光谱维编码调制的多光谱成像领域的文献报道。

发明内容

本发明提出了一种基于压缩感知的多光谱成像装置，无需扫描器件，仅仅需要两个空间光调制器实现对成像图像的纹理和光谱编码调制并配合单点探测器，即可实现无运动部件的多光谱成像，不需要对光谱进行扫描，采用单点探测器，突破衍射极限，成像过程测量时间短。

一种基于压缩感知的多光谱成像装置，包括：成像物镜、图像生成加载模块、第一空间光调制器、准直***、色散元件、第一会聚透镜、第二空间光调制器、第二会聚透镜、单点探测器和数据存储计算模块；

其中，所述成像物镜将目标景物成像到第一空间光调制器上；

所述图像生成加载模块生成多次测量的二维随机调制图像和一维随机调制图像，并将二维随机调制图像传递给第一空间光调制器，将一维随机调制图像传递给第二空间光调制器；

所述第一空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行纹理编码调制；

所述准直***将经第一空间光调制器纹理编码调制后的图像进行缩束、准直、滤波得到平行光束；

所述色散元件将经准直***得到的平行光束色散成线光谱；

所述第一会聚透镜将色散元件色散后得到的线光谱中各光谱成分会聚到第二空间光调制器上不同的位置，得到各光谱成分的光强；

所述第二空间光调制器根据加载其上的一维随机调制图像对得到的各光谱成分的光强进行光谱维的编码调制，得到各光谱成分调制后的光强；

所述第二会聚透镜将各光谱成分调制后的光强会聚后得到调制后的总光强；

所述单点探测器探测第二会聚透镜汇聚得到总光强信息；

所述数据存储计算模块收集单点探测器多次探测的总光强信息，并利用压缩感知完成多光谱成像，得到多光谱图像。

所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器均可独立的采用透射型空间光调制器或反射型空间光调制器。即第一空间光调制器和所述第二空间光调制器可以是透射型的液晶器件，反射型的硅上液晶器件(LCOS)或者反射型的数字微镜器件(DMD)，也可以是编码调制盘等。所述色散元件可选择光栅、色散棱镜或F-P标准具等。

当第一空间光调制器、第二空间光调制器均为反射型数字微镜器件(DMD)，由于反射型数字微镜器件(DMD)的反射角较小，为便于光路的布置，作为优选，可在第一空间光调制器、第二空间光调制器的入射面部位设置TIR棱镜。TIR棱镜的设置间接的增加了反射型数字微镜器件(DMD)的反射角，增加了光路布置的空间。所述图像生成加载模块和数据存储计算模块均可通过计算机实现。所述单点探测器可选用现有设备。

所述准直***包括：光轴和焦点相互重合的透镜和透镜；设于透镜和透镜之间且中心轴与所述光轴相互平行或重合的针孔滤波器；所述的透镜和透镜之间的距离为两者焦距之和，且透镜和透镜的焦点位于所述针孔滤波器的针孔内。

由于需要多次采样，为便于快速实现第一空间光调制器和第二空间光调制器上调制图像同步刷新，所述的数据存储计算模块内还设有同步模块，实现第一空间光调制器和第二空间光调制器上相应的调制图像同步刷新。所述图像生成加载模块内同时设有同步模块，实现单点探测器的同步探测。

本发明还提供了一种基于压缩感知的多光谱成像方法，该方法包括以下步骤：

(1)将目标景物成像到第一空间光调制器上，第一空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行纹理编码调制；

(2)将经第一空间光调制器纹理编码调制后的图像进行缩束、准直、滤波得到平行光束，将得到的平行光束色散成线光谱；

(3)将得到的线光谱中各光谱成分汇聚到第二空间光调制器上不同的位置，得到各光谱成分的光强；第二空间光调制器根据加载其上的一维随机调制图像对得到的各光谱成分的光强进行光谱维的编码调制，得到各光谱成分调制后的光强；

(4)将各光谱成分调制后的光强会聚后得到调制后的总光强，探测汇聚得到总光强信息，同时收集探测的总光强信息；重复步骤(1)-(3)对目标景物进行M次测量，收集每次探测的总光强信息，最后利用压缩感知完成多光谱成像，得到多光谱图像，其中M为小于一维随机调制图像总像素数和二维随机调制图像总像素数的乘积的自然数。

步骤(4)中，所述的利用压缩感知完成多光谱成像的具体方法为：

(1)设定二维调制图像总像素数A＝p×q，p为二维调制图像的横向分辨率，q为二维调制图像的纵向分辨率；一维调制图像总像素数B＝1×r，r为一维调制图像分辨率，目标景物的测量次数为M，生成一个M×A维的矩阵Ф₁和一个M×B维的矩阵Ф₂，利用矩阵Ф₁和矩阵Ф₂生成M幅随机二维调制图像Ф₁(i)和M幅随机一维调制图像Ф₂(j)，其中i，j＝1，2，3，4...M；

${\mathrm{\Φ}}_1=\left[\begin{array}{cccc}{A}_1\left(\mathrm{1,1}\right)& A_1\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& A_1(p,q)\\ A_2\left(\mathrm{1,1}\right)& A_2\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& A_2(p,q)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ A_M\left(\mathrm{1,1}\right)& A_M\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& A_M(p,q)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)\\ {\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)\end{array}\right]$

${\mathrm{\Φ}}_2=\left[\begin{array}{cccc}{B}_1\left(\mathrm{1,1}\right)& B_1\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& B_1(1,r)\\ B_2\left(\mathrm{1,1}\right)& B_2\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& B_2(1,r)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ B_M\left(\mathrm{1,1}\right)& B_M\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& B_M(1,r)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_2\left(1\right)\\ {\mathrm{\Φ}}_2\left(2\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Φ}}_2\left(M\right)\end{array}\right]$

其中，A_i(m，n)为第i幅二维随机调制图像中的图像元素，m＝1，2，3...p，n＝1，2，3...q；B_i(1，s)为第i幅一维随机调制图像中的图像元素，s＝1，2，3...r；

(2)第一个空间光调制器依次在信号光中加载M幅二维随机调制图像，得到带有二维随机调制图像信息的调制信号光，同时第二个空间光调制器依次在信号光中加载M幅一维随机调制图像，得到两次调制后的调制信号光；

(3)通过矩阵Ф₁和Ф₂得到测量矩阵Ф为M×(A×B)维的二维矩阵；

$\mathrm{\Φ}=\left[\begin{array}{cccc}{B}_1\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)& B_1\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)& \·\·\·& B_1(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)\\ B_2\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)& B_2\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)& \·\·\·& B_2(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ B_M\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)& B_M\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)& \·\·\·& B_M(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)\end{array}\right]$

(4)单点探测器探测M次，总光强记为Y；

$Y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_M\end{array}\right]$

其中，y_i为每次单点探测器的测量值；

(5)最后对调制后的数据列Y进行压缩感知计算时满足关系如下：

$Y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_M\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{B}_1\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)& B_1\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)& \·\·\·& B_1(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)\\ B_2\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)& B_2\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)& \·\·\·& B_2(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ B_M\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)& B_M\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)& \·\·\·& B_M(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{k_1,1}\\ x_{k_1,2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{k_1,A}\\ x_{k_2,1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{k_2,A}\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{k_B,1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{k_B,A}\end{array}\right]=\mathrm{\ΦX}$

x_kj，i为第kj个光谱图像的第i个像素；利用压缩感知算法得到多光谱图像X。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的基于压缩感知的多光谱成像装置不需要扫描或推扫等技术，而是利用空间光调制器实现对成像图像的纹理和光谱编码调制，然后将调制后的图像的总光强通过单点探测器探测，利用多次编码图像的空间和光谱信息，利用压缩感知算法计算获得景物的多光谱图像，该***不需要对光谱进行扫描，采用单点探测器，突破衍射极限，成像过程测量时间较短。利用压缩感知算法进一步缩短了测量时间，因此利用本发明的方法可快速获得景物的多光谱图像。

附图说明

图1是第一空间光调制器加载的二维满足伯努利分布的0，1二值图像。

图2是第二空间光调制器加载的一维满足伯努利分布的0，1二值图像。

图3是本发明的两个空间调制器均采用反射型空间光调制器的基于压缩感知的多光谱成像装置的组成图。

图4是本发明的第一个空间光调制器采用透射型空间光调制器，第二个空间光调制器采用反射型空间光调制器的基于压缩感知的多光谱成像装置的组成图。

图5是本发明的两个空间光调制器均采用透射型空间光调制器的基于压缩感知的多光谱成像装置的组成图。

图6是本发明的第一个空间光调制器采用反射型空间光调制器，第二个空间光调制器采用透射型空间光调制器的基于压缩感知的多光谱成像装置的组成图。

图7是本发明的基于压缩感知的多光谱成像方法的具体实现流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明。

实施例1

如图3所示，是两个空间光调制器均采用反射型空间光调制器的基于压缩感知的多光谱成像***。这里反射型空间光调制器可以是反射型的硅上液晶器件(LCOS)或者反射型的数字微镜器件(DMD)等。图3中以反射型DMD为例，包括目标景物1、成像物镜2、DMD空间调制器301、准直***4、色散元件5、会聚透镜6、DMD空间调制器302、会聚透镜7、单点探测器8、数据存储计算模块9、图像生成加载模块10。准直***包括：光轴和焦点相互重合的透镜401和透镜403；设于透镜401和透镜403之间且中心轴与光轴相互平行或重合的针孔滤波器402；透镜401和透镜403之间的距离为两者焦距之和，且透镜401和透镜403的焦点位于针孔滤波器402的针孔内。

本***中，采用两块DMD空间调制器301和DMD空间调制器302作为空间光调制器，成像物镜2收集目标景物1的漫反射光，DMD空间调制器301位于成像物镜的像面上，所以目标景物的像将成在DMD空间调制器301上。由图像生成加载模块10生成一幅随机二维编码图像Ф₁(i)并将其加载到DMD空间调制器301上。由于DMD空间调制器301上微镜阵元并不是平行于像面，而是与像面形成一定的夹角，所以由DMD空间调制器301反射的光束并不是沿着入射光路射出。随机二维编码图像Ф₁(i)和目标景物1的像相互作用后的结果由DMD空间调制器301反射后，由准直***4收集二维随机编码图像Ф₁(i)和目标景物1的像相互作用后的结果并将其准直在色散元件5上。色散元件5将收集到的光强色散成线光谱通过会聚透镜6聚焦在DMD空间调制器302上，由图像生成加载模块10生成一副一维随机调制图像Ф₂(j)并将其加载到DMD空间调制器302上，一维随机调制图像Ф₂(j)与色散后的线光谱相互作用后由DMD空间调制器302反射经会聚透镜7会聚并由单点探测器8接收调制后的总光强。多次测量之后，利用图像生成加载模块10里存储的随机图像Ф₁(i)、Ф₂(j)和数据处理计算模块9里收集到的光强信息Y，经过计算，就可以得到目标景物的多光谱图像。

成像过程中，首先，需要生成多次测量所需要的调制图像Ф₁(i)和Ф₂(j)。物体经物镜在位于像面的第一空间光调制器上成像，同时，由图像生成加载模块加载预先存储的调制图像Ф₁(i)，调制图像与目标景物的像相互作用，调制后的图像上的灰度值是调制图像与目标景物图像在对应像素处的积，然后由聚焦物镜，进入单色***(该单色***可以是传统的光栅单色***，或其他棱镜等等色散***)色散成线光谱，经单色***的出射光谱通过会聚透镜6汇聚到DMD空间光调制器302上，与DMD空间光调制器上预先加载的调制图像Ф₂(j)相乘，得到调制后的光谱图像，再通过会聚透镜7汇聚后由单点探测器接收总光强y_i。不断变换两个空间光调制器的加载图像，利用压缩感知算法可以完成多光谱成像。如图1和图2所示，调制图像Ф₁(i)是满足伯努利分布的二维0，1随机图像，调制图像Ф₂(j)是满足伯努利分布的一维0，1随机图像。

该实施例中具体计算过程为：

(1)设定二维调制图像总像素数A＝p×q，p为二维调制图像的横向分辨率，q为二维调制图像的纵向分辨率；一维调制图像总像素数B＝1×r，r为一维调制图像分辨率，目标景物的测量次数为M，测量采集过程如图7中所示，生成一个M×A维的矩阵Ф₁和一个M×B维的矩阵Ф₂，利用矩阵Ф₁和矩阵Ф₂生成M幅随机二维调制图像Ф₁(i)和M幅随机一维调制图像Ф₂(j)，其中i，j＝1，2，3，4...M；

${\mathrm{\Φ}}_1=\left[\begin{array}{cccc}{A}_1\left(\mathrm{1,1}\right)& A_1\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& A_1(p,q)\\ A_2\left(\mathrm{1,1}\right)& A_2\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& A_2(p,q)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ A_M\left(\mathrm{1,1}\right)& A_M\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& A_M(p,q)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)\\ {\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)\end{array}\right]$

${\mathrm{\Φ}}_2=\left[\begin{array}{cccc}{B}_1\left(\mathrm{1,1}\right)& B_1\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& B_1(1,r)\\ B_2\left(\mathrm{1,1}\right)& B_2\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& B_2(1,r)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ B_M\left(\mathrm{1,1}\right)& B_M\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& B_M(1,r)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_2\left(1\right)\\ {\mathrm{\Φ}}_2\left(2\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Φ}}_2\left(M\right)\end{array}\right]$

其中，A_i(m，n)为第i幅二维随机调制图像中的图像元素，m＝1，2，3...p，n＝1，2，3...q；B_i(1，s)为第i幅一维随机调制图像中的图像元素，s＝1，2，3...r；

(2)第一个空间光调制器依次在信号光中加载M幅二维随机调制图像，得到带有二维随机调制图像信息的调制信号光，同时第二个空间光调制器依次在信号光中加载M幅一维随机调制图像，得到两次调制后的调制信号光；

(3)通过矩阵Ф₁和Ф₂得到测量矩阵Ф为M×(A×B)维的二维矩阵；

$\mathrm{\Φ}=\left[\begin{array}{cccc}{B}_1\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)& B_1\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)& \·\·\·& B_1(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)\\ B_2\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)& B_2\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)& \·\·\·& B_2(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ B_M\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)& B_M\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)& \·\·\·& B_M(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)\end{array}\right]$

(4)单点探测器探测M次，总光强记为Y；

$Y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_M\end{array}\right]$

其中，y_i为每次单点探测器的测量值；

(5)最后对调制后的数据列Y进行压缩感知计算时满足关系如下：

$Y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_M\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{B}_1\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)& B_1\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)& \·\·\·& B_1(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)\\ B_2\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)& B_2\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)& \·\·\·& B_2(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ B_M\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)& B_M\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)& \·\·\·& B_M(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{k_1,1}\\ x_{k_1,2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{k_1,A}\\ x_{k_2,1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{k_2,A}\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{k_B,1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_{k_B,A}\end{array}\right]=\mathrm{\ΦX}$

x_kj，i为第k_j个光谱图像的第i个像素；利用压缩感知算法得到多光谱图像X。

为实现数据的同步更新，数据存储计算模块9和图像生成加载模块10内均设有同步模块，实现第一空间光调制器和第二空间光调制器上相应的调制图像同步刷新，以及单点探测器8的同步探测。

实施例2

如图4所示，是第一个空间光调制器采用透射型空间光调制器，第二个空间光调制器采用反射型空间光调制器的基于压缩感知的多光谱成像***，图4中以透射型液晶器件和反射型DMD为例，包括目标景物1、成像物镜2、透射型液晶器件303、准直***4、色散元件5、会聚透镜6、DMD空间调制器304、会聚透镜7、单点探测器8、数据存储计算模块9、图像生成加载模块10。

本***中，第一个空间光调制器采用透射型液晶器件303，第二个空间光调制器采用DMD空间调制器304，成像物镜2收集目标景物1的漫反射光，透射型液晶器件303位于成像物镜的像面上，所以目标景物的像将成在透射型液晶器件303上。由图像生成加载模块10生成一幅二维随机编码图像Ф₁(i)并将其加载到透射型液晶器件303上。由准直***4收集二维随机图像Ф₁(i)和目标景物1的像相互作用后的结果将其会聚在色散元件5上。色散元件5将收集到的光强色散成线光谱通过会聚透镜6聚焦在DMD空间调制器304上，由图像生成加载模块10生成一副一维随机编码图像Ф₂(j)并将其加载到DMD空间调制器304上，一维随机编码图像Ф₂(j)与色散后的线光谱相互作用后由DMD空间调制器304反射经会聚透镜7会聚并由单点探测器8接收调制后的总光强y_i。多次测量之后，利用图像生成加载模块10里存储的随机图像Ф₁(i)、Ф₂(j)和数据处理计算模块9里收集到的光强信息Y，经过计算，就可以得到目标景物的多光谱图像。

实施例3

如图5所示，是两个空间光调制器均采用透射型空间光调制器的基于压缩感知的多光谱成像***，图5中以透射型液晶器件为例，包括目标景物1、成像物镜2、透射型液晶器件305、准直***4、色散元件5、会聚透镜6、透射型液晶器件306、会聚透镜7、单点探测器8、数据存储计算模块9、图像生成加载模块10。

本***中，采用两块透射型液晶器件作为空间光调制器，成像物镜2收集目标景物1的漫反射光，透射型液晶器件305位于成像物镜的像面上，所以目标景物的像将成在透射型液晶器件305上。由图像生成加载模块10生成一幅二维随机编码图像Ф₁(i)并将其加载到透射型液晶器件305上。由准直***4收集二维随机编码图像Ф₁(i)和目标景物1的像相互作用后的结果将其汇聚在色散元件5上。色散元件5将收集到的光强色散成线光谱通过会聚透镜6聚焦在透射型液晶器件306上，由图像生成加载模块10生成一幅一维随机编码图像Ф₂(j)并将其加载到透射型液晶器件306上，一维随机编码图像Ф₂(j)与色散后的线光谱相互作用后经会聚透镜7会聚并由单点探测器8接收调制后的总光强y_i。多次测量之后，利用图像生成加载模块10里存储的随机图像Ф₁(i)、Ф₂(j)和数据处理计算模块9里收集到的光强信息Y，经过计算，就可以得到目标景物的多光谱图像。

实施例4

如图6所示，是第一个空间光调制器采用反射型空间光调制器，第二个空间光调制器采用透射型空间光调制器的基于压缩感知的多光谱成像***，图6中以反射型DMD和透射型液晶器件为例，包括目标景物1、成像物镜2、DMD空间调制器307、准直***4、色散元件5、会聚透镜6、透射型液晶器件308、会聚透镜7、单点探测器8、数据存储计算模块9、图像生成加载模块10。

本***中，第一个空间光调制器采用DMD空间调制器307，第二个空间光调制器采用透射型液晶器件308，成像物镜2收集目标景物1的漫反射光，DMD空间调制器301位于成像物镜的像面上，所以目标景物的像将成在DMD空间调制器301上。由图像生成加载模块10生成一幅二维随机编码图像Ф₁(i)并将其加载到DMD空间调制器307上。由于DMD空间调制器307上微镜阵元并不是平行于像面，而是与像面形成一定的夹角，所以由DMD空间调制器307反射的光束并不是沿着入射光路射出。二维随机编码图像Ф₁(i)和目标景物1的像相互作用后的结果由DMD空间调制器307反射后，由准直***4收集二维随机编码图像Ф₁(i)和目标景物1的像相互作用后的结果并将其汇聚在色散元件5上。色散元件5将收集到的光强色散成线光谱通过会聚透镜6聚焦在透射型液晶器件308上，由图像生成加载模块10生成一幅一维随机编码图像Ф₂(j)并将其加载到透射型液晶器件308上，一维随机编码图像Ф₂(j)与色散后的线光谱相互作用后经会聚透镜7会聚并由单点探测器8接收调制后的总光强y_i。多次测量之后，利用图像生成加载模块10里存储的随机图像Ф₁(i)、Ф₂(j)和数据处理计算模块9里收集到的光强信息Y，经过计算，就可以得到目标景物的多光谱图像。

Claims (6)

1.一种基于压缩感知的多光谱成像装置，包括：成像物镜(2)、第一空间光调制器(301)、准直***(4)、色散元件(5)、第一会聚透镜(6)、第二空间光调制器(302)、第二会聚透镜(7)、单点探测器(8)、图像生成加载模块(10)和数据存储计算模块(9)；

所述图像生成加载模块(10)生成多次测量加载的二维随机调制图像和一维随机调制图像，并将二维随机调制图像传递给第一空间光调制器(301)，将一维随机调制图像传递给第二空间光调制器(302)；

所述成像物镜(2)将目标景物成像到第一空间光调制器(301)上；

所述第一空间光调制器(301)根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行纹理编码调制；

所述准直***(4)将经第一空间光调制器(301)纹理编码调制后的图像进行缩束、准直、滤波得到平行光束；

所述色散元件(5)将经准直***(4)得到的平行光束色散成线光谱；

所述第一会聚透镜(6)将色散元件(5)色散后得到的线光谱中各光谱成分会聚到第二空间光调制器(302)上不同的位置，得到各光谱成分的光强；

所述第二空间光调制器(302)根据加载其上的一维随机调制图像对得到的各光谱成分的光强进行光谱维的编码调制，得到各光谱成分调制后的光强；

所述第二会聚透镜(7)将各光谱成分调制后的光强会聚后得到调制后的总光强；

所述单点探测器(8)探测第二会聚透镜(7)会聚得到的总光强信息；

所述数据存储计算模块(9)收集单点探测器(8)多次探测的总光强信息，并利用压缩感知完成多光谱成像，得到多光谱图像；

所述准直***包括：

光轴和焦点相互重合的透镜(401)和透镜(403)；

设于透镜(401)和透镜(403)之间且中心轴与所述光轴相互平行或重合的针孔滤波器(402)；

所述的透镜(401)和透镜(403)之间的距离为两者焦距之和，且透镜(401)和透镜(403)的焦点位于所述针孔滤波器(402)的针孔内

所述的数据存储计算模块(9)内还设有同步模块，实现第一空间光调制器(301)和第二空间光调制器(302)上相应的调制图像同步刷新；

所述图像生成加载模块(10)内同时设有同步模块，实现单点探测器(8)的同步探测。

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的多光谱成像装置，其特征在于，所述第一空间光调制器(301)为透射型空间光调制器或反射型空间光调制器。

3.根据权利要求1所述的基于压缩感知的多光谱成像装置，其特征在于，所述第二空间光调制器(302)为透射型空间光调制器或反射型空间光调制器。

4.根据权利要求1所述的基于压缩感知的多光谱成像装置，其特征在于，所述色散元件(5)为光栅、色散棱镜或F-P标准具。

5.一种基于压缩感知的多光谱成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将目标景物成像到第一空间光调制器上，第一空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行纹理编码调制；

(2)将经第一空间光调制器纹理编码调制后的图像进行缩束、准直、滤波得到平行光束，将得到的平行光束色散成线光谱；

(3)将得到的线光谱中各光谱成分会聚到第二空间光调制器上不同的位置，得到各光谱成分的光强；第二空间光调制器根据加载其上的一维随机调制图像对得到的各光谱成分的光强进行光谱维的编码调制，得到各光谱成分调制后的光强；

(4)将各光谱成分调制后的光强会聚后得到调制后的总光强，探测汇聚得到总光强信息，同时收集探测的总光强信息；重复步骤(1)-(3)对目标景物进行M次测量，收集每次探测的总光强信息，最后利用压缩感知完成多光谱成像，得到多光谱图像，其中M为小于一维随机调制图像总像素数和二维随机调制图像总像素数的乘积的自然数。

6.根据权利要求5所述的基于压缩感知的多光谱成像方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的利用压缩感知完成多光谱成像的具体方法为：

(1)设定二维调制图像总像素数A＝p×q，p为二维调制图像的横向分辨率，q为二维调制图像的纵向分辨率；一维调制图像总像素数B＝1×r，r为一维调制图像分辨率，目标景物的测量次数为M，生成一个M×A维的矩阵Φ₁和一个M×B维的矩阵Φ₂，利用矩阵Φ₁和矩阵Φ₂生成M幅随机二维调制图像Φ₁(i)和M幅随机一维调制图像Φ₂(j)，其中i，j＝1,2,3,4…M；

${\mathrm{\Φ}}_1=\left[\begin{array}{cccc}{A}_1\left(\mathrm{1,1}\right)& A_1\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& A_1(p,q)\\ A_2\left(\mathrm{1,1}\right)& A_2\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& A_2(p,q)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ A_M\left(\mathrm{1,1}\right)& A_M\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& A_M(p,q)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)\\ {\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)\end{array}\right]$

${\mathrm{\Φ}}_2=\left[\begin{array}{cccc}{B}_1\left(\mathrm{1,1}\right)& B_1\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& B_1(1,r)\\ B_2\left(\mathrm{1,1}\right)& B_2\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& B_2(1,r)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ B_M\left(\mathrm{1,1}\right)& B_M\left(\mathrm{1,2}\right)& \·\·\·& B_M(1,r)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_2\left(1\right)\\ {\mathrm{\Φ}}_2\left(2\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Φ}}_2\left(M\right)\end{array}\right]$

其中，A_i(m,n)为第i幅二维随机调制图像中的图像元素，m＝1,2,3…p，n＝1,2,3…q；B_i(1,s)为第i幅一维随机调制图像中的图像元素，s＝1,2,3…r；

(2)第一个空间光调制器依次在信号光中加载M幅二维随机调制图像，得到带有二维随机调制图像信息的调制信号光，同时第二个空间光调制器依次在信号光中加载M幅一维随机调制图像，得到两次调制后的调制信号光；

(3)通过矩阵Φ₁和Φ₂得到测量矩阵Φ为M×(A×B)维的二维矩阵；

$\mathrm{\Φ}\left[\begin{array}{cccc}{B}_1\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)& B_1\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)& \·\·\·& B_1(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(1\right)\\ B_2\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)& B_2\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)& \·\·\·& B_2(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(2\right)\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ B_M\left(\mathrm{1,1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)& B_M\left(\mathrm{1,2}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)& \·\·\·& B_M(1,r)\·{\mathrm{\Φ}}_1\left(M\right)\end{array}\right]$

(4)单点探测器探测M次，总光强记为Y；

$Y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_M\end{array}\right]$

其中，y_i为每次单点探测器测量的总光强；

(5)最后根据Y＝ΦX反算出多光谱图像X。