CN103837137B - 快速大图像单像素成像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速大图像单像素成像装置和方法，包括前端成像装置、列调制装置、探测装置、中央控制装置和并行计算装置；所述前端成像装置将带有被测目标信息的信号成像于列调制装置所在平面；由列调制装置使用短编码序列进行空间编码；所述探测装置检测空间编码后的累加强度信号，并将其送入中央控制装置处理；所述中央控制装置控制空间编码序列的更换，并将获得的信号分配至并行计算装置进行图像重构。本发明的优点在于：克服了单像素成像技术在大图像处理时编码序列、计算机存储资源需求和图像重构时间均十分巨大的困难，通过并行计算模式提升了计算机的使用效率，解决了单像素成像技术无法应用于快速大图像成像场合的难题。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种快速大图像单像素成像装置和方法，属于成像技术领域。
背景技术
成像技术在各行各业中无处不在，例如可见光的照相机和摄像机、物质分析中的光谱成像、地球探测中的遥感成像、医学中的X射线成像、雷达成像、红外波段的热成像、安检安防中的毫米波和太赫兹成像等。根据成像***中探测器的数量，成像技术可以分为单像素(单探测器)技术和阵列(多探测器)技术两种。单像素技术使用单一探测器，通常通过移动探测器或者移动***中成像元件的方式实现对目标的扫描成像。阵列技术通常则不需要移动任何元件，可直接在像平面上同时探测多点的信息，直接生成目标的像。
在可见光波段，阵列技术已经十分成熟，如CCD技术等。然而在电磁波谱中更为广阔的其他波段，例如毫米波、太赫兹、红外等区域，阵列式探测器的成本高昂，且其元件性能(如灵敏度等)达不到单探测器独立工作时的水平，因而在这些波段，单像素技术体现出了其优势。采用机械扫描的单像素技术的主要问题在于其成像速度慢，每次仅采集图像上一个很小区域的信号，信噪比不高，尤其是在很多被动成像场合，需要很长的时间采集微弱的信号，无法实现对运动目标实时成像的要求。
近年来，压缩感知(CompressiveSensing)理论为单像素成像提供了新的解决思路。其核心思想是利用信号的稀疏特性，采用小于Nyquist采样极限的采样数据量，通过一定的重构算法，求解欠定线性方程组，恢复出原始信号。压缩感知技术可以有效地降低图像的采样率，缩短采样时间，而且由于压缩感知成像中探测器收到的信号是由图像上多点的信号累加而成，其信噪比也得到大幅提高。一些应用压缩感知的单像素成像技术方案已经被提出，如已有专利：一种光场采样及重构方法与装置，公开(公告)号：CN102306291A。
现有的压缩感知成像方案多采用对图像进行空间编码的方式来实现，成一幅图像往往需要更换多次空间编码，因而需要一个较长的编码序列。随着图像像素的增多，编码序列的长度快速增长，同时重构算法中的计算量以及所需计算机的存储量也平方级地增长，这导致重构一幅图像所需的时间随着图像尺度的增大而快速延长。这些瓶颈都导致具有很多像素的大图像(例如1920×1200像素)的快速成像超出了单像素成像的能力范畴。而且采用压缩感知技术往往需要等待图像中的所有数据都采集完毕后才可开始图像重构的计算，在采集数据期间计算机则相对空闲，计算机资源和时间没有得到充分利用。另一方面，在毫米波太赫兹等波段，完成空间编码所需的空间光调制技术缺乏，如采用机械调制的方式则更换编码的速度相对较慢，而且像素很多的大图像也将导致异常庞大的机械编码模块。
综上所述，单像素***对于大图像的快速成像依然是单像素成像领域一个尚未解决的难题。
发明内容
为解决单像素成像***对于大图像快速成像能力不足，无法合理有效地利用计算机资源的问题，提出一种快速大图像单像素成像装置和方法。
本发明的思想在于：使用一个长度很短的编码序列生成***中所需的所有编码序列和矩阵，采用列编码的模式替代在整个像平面上进行编码的模式，每一列均采用同一个短编码序列和重构算法，所需解决的重构问题的复杂性尺度实现了数量级的降低，同时逐列编码的模式也使得***可以在采集数据时就同步地进行重构计算。
本发明的快速大图像单像素成像装置和方法是通过如下技术方案来实现的：
一种快速大图像单像素成像装置，包括前端成像装置、列调制装置、探测装置、中央控制装置和并行计算装置；所述前端成像装置将带有被测目标信息的信号成像于列调制装置所在平面；所述列调制装置对中央控制装置中预存的短编码序列进行逐列编码，形成一维空间调制花纹，对目标信号进行一维空间编码；所述探测装置检测空间编码后的累加强度信号，并将其送入中央控制装置进行处理；所述中央控制装置用于对所述快速大图像单像素成像装置的各个***组件进行时间同步，对列调制装置空间编码序列的更换进行控制，并将探测装置输入的信号分配至并行计算装置进行图像重构，并行装置的图像重构结果送回中央控制装置并组合为目标图像。
优选的，所述的短编码序列是由0、1组成的二进制编码序列，其长度为图像沿列方向的像素值N1。
优选的，所述的前端成像装置是成像透镜反射镜组。
优选的，所述的列调制装置是一种可一维编码的空间光调制器，放置于所述前端成像装置的像平面上。
优选的，所述的空间光调制器每一单元大小对应于图像的一个像素；每一单元均可根据编码序列被置于高透过(全透过)或低透过(不透过)两种状态之一。
优选的，所述的探测装置包括信号会聚镜和探测器。
优选的，所述的信号会聚镜是会聚透镜或会聚反射镜或会聚透镜反射镜组；
优选的，所述的探测器是一种单像素强度探测器。
优选的，所述的中央控制装置包括数据采集装置、中央处理器、非瞬态存储介质、控制装置和显示屏；所述数据采集装置对探测装置送入的信号进行滤波、放大、模数转换等信号处理；所述中央处理器完成***的时间同步控制、信号指令的发送、与并行装置之间的数据交换，以及将图像重构的结果显示在显示屏上；所述非瞬态存储介质存储列调制装置所需的短编码序列、相应的矩阵和重构程序；所述控制装置根据中央处理器的指令，更换列调制装置上的编码序列。
优选的，所述的并行计算装置是多个并行计算处理器的组合；所述并行计算处理器根据中央处理器的指令，利用非瞬态存储介质中存放的程序，对收到的数据进行一维列图像重构，并将重构结果送回中央处理器。
此外，还提供了一种快速大图像单像素成像方法，其成像步骤如下：
步骤1：前端成像装置将待测目标的像成于列调制装置所置平面；
步骤2：对图像上的每一列重复下列步骤3—6；
步骤3：列调制装置对像平面第i列进行空间编码，编码序列中0对应于低透过状态，1对应于高透过状态，首先将所有单元均置于0状态；
步骤4：由探测装置采集一个强度信号Yi0送入中央控制装置；
步骤5：由中央控制装置发布指令，控制列调制装置按照中央控制装置中预存的短编码序列对第i列进行M次空间编码，其中M小于等于短编码序列长度N1，其中第j次空间编码的序列由所述短编码序列向前循环平移floor((j-1)×N1/M)单位得到，floor()表示向下取整，每次变换空间编码后均由探测装置采集一个强度信号Yij送入中央控制装置；
步骤6：当第i列的所有M+1个信号均采集完毕后，中央控制装置将Yi0和Yij全部送入并行计算装置，并控制列调制装置开始对图像上的下一列，即第i+1列进行调制；
步骤7：每当并行计算装置收到一组完整的Yi0和Yij之后，由下一个空闲的并行计算处理器对此列图像进行重构，得到重构后的列向量xi并将其送回中央处理器；
步骤8：每当中央处理器收到一个由并行计算装置送来的列向量xi，即在屏幕上刷新第i列所对应的图像。
优选的，所述步骤5中预存的短编码序列由伪随机序列或阿达玛编码序列构成。
优选的，所述步骤7中的重构方法包括：生成M个信号yij，使得yij＝Yij-Yi0，这M个信号组成一个列向量yi；而后求解有限制最优化问题，限制条件是yi＝Φxi，其中xi为代表第i列重构图像的列向量，Φ为由M个空间编码组成的大小为M×N1的矩阵，最优化的目标函数可以是xi的L-0范数、L-1范数或其全变差的L-1范数；或者如果短编码序列是孪生素数阿达玛编码序列(N1＝p×q且q＝p+2且p、q均为素数)时，也可使用弛豫算法计算出阿达玛矩阵中未被探测的信号，再乘上变换矩阵的逆得到xi。
上述快速大图像单像素成像方法中所使用的成像装置可以是上述大图像单像素成像装置的任一种。
本发明提出的快速大图像单像素成像装置和方法，有以下一些有益效果。一是仅需一个长度仅为图像一列像素值的短编码二进制序列即生成了所需的所有空间编码序列和相应矩阵，大大减小了非瞬态存储介质的大小；通过一维列编码模式，将随图像像素值多少而平方级增长的重构复杂度降低为1.5次方增长的复杂度，对于大图像来说，意味着重构时间和所需存储量在数量级上的降低；同时通过并行计算，使得信号采集和图像重构可以同时进行。这些因素大大降低了单像素图像重构对计算机硬件的需求，使得单像素大图像快速重构可以在普通的具有多核CPU的个人电脑上完成。二是通过一维列调制的方式，大大减小了所需的空间光调制器的尺寸，尤其是在毫米波太赫兹等空间光调制技术仍然缺乏的波段，将使得机械调制的方式成为可行的方案。三是相比于传统的单像素大图像扫描成像，由于***同时采集多个像素上的累加信号强度，信噪比也得到大幅度提高。总之，本发明赋予了单像素成像***快速处理大图像的能力，解决了单像素成像技术的这一难题。
附图说明
图1是本发明快速大图像单像素成像装置原理图。
图2是本发明快速大图像单像素成像装置的一种实施方式的示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述，请同时参考图1和图2：
本发明快速大图像单像素成像装置包括前端成像装置100、列调制装置200、探测装置300、中央控制装置400和并行计算装置500。
前端成像装置100是成像透镜反射镜组101，将待测目标成像于列调制装置200所在平面。
列调制装置200是可进行一维编码的空间光调制器，可以是一维液晶光阀、一维数字微镜阵列或柔性PCB模板，置于前端成像装置100的像平面上，其长度不小于所需成像的一列的长度，其上每一个编码单元大小对应图像上一个像素大小。在本实施例中，列调制装置200是两块紧密平行放置的柔性PCB模板201、202，其中第一块柔性PCB模板201上有列编码序列，第二块柔性PCB模板202上有列狭缝，两块模板均可根据中央控制装置400的指令对准前端成像装置100的像平面上每一列。
探测装置300包括信号会聚镜301和探测器302，信号会聚镜301是会聚透镜或会聚反射镜或会聚透镜反射镜组，探测器302是单像素强度探测器。探测装置300用于采集经过列调制装置200空间编码后的累加强度信号。在本实施例中,信号会聚镜301是抛物面聚焦反射镜，单像素强度探测器302可以是肖特基二极管探测器。
中央控制装置400包括数据采集装置401、中央处理器402、非瞬态存储介质403、控制装置404和显示屏405；数据采集装置401对探测器302送入的信号进行滤波、放大、模数转换等信号处理；中央处理器402完成***的时间同步控制、信号指令的发送、与并行计算装置500之间的数据交换，以及将图像重构的结果显示在显示屏405上；非瞬态存储介质403存储列调制装置200所需的短编码序列以及图像重构时所需的相应矩阵和重构程序；控制装置404根据中央处理器402的指令，更换列调制装置200上的编码序列。在本实施例中，控制装置404包括驱动柔性PCB模板转动的控制电路、驱动电机、主动轴和传动轴等(未画出),两块柔性PCB模板首尾相连形成矩形缠绕在主动轴和传动轴上，驱动电机根据控制电路发送的指令驱动主动轴，从而旋转PCB模板，实现编码序列的更换。
并行计算装置500是多个并行计算处理器的组合501；并行计算处理器根据中央处理器402的指令，利用非瞬态存储介质403中存放的程序，对收到的数据进行一维列图像重构，并将重构结果送回中央处理器402。
结合本实施例，快速大图像单像素成像方法的步骤如下：
步骤1：前端成像装置100将待测目标的像成于列调制装置200所置平面；
步骤2：对图像上的每一列重复下列步骤3—6；
步骤3：列调制装置200对像平面第i列进行空间编码，编码序列中0对应于低透过状态，1对应于高透过状态，首先将所有单元均置于0状态；
步骤4：由探测器302采集一个强度信号Yi0送入中央处理器402；
步骤5：由中央处理器402发布指令，控制列调制装置200按照非瞬态存储介质403中预存的短编码序列对第i列进行M次空间编码，其中M小于等于短编码序列长度N1，其中第j次空间编码的序列由所述短编码序列向前循环平移floor((j-1)×N1/M)单位得到，floor()表示向下取整，每次变换空间编码后均由探测器302采集一个强度信号Yij送入中央处理器402；在本实施例中，编码预先制作在第一块柔性PCB模板201上，由控制装置404驱动其旋转完成编码的转换；
步骤6：当第i列的所有M+1个信号均采集完毕后，中央处理器402将Yi0和Yij全部送入并行计算装置500，并控制列调制装置200开始对图像上的下一列，即第i+1列进行调制，在本实施例中，由控制装置404驱动第二块柔性PCB202模板对准图像上的下一列；
步骤7：每当并行计算装置500收到一组完整的Yi0和Yij之后，由下一个空闲的并行计算处理器501对此列图像进行重构，得到重构后的列向量xi并将其送回中央处理器402；
步骤8：每当中央处理器402收到一个由并行计算装置500送来的列向量xi，即在显示屏405上刷新第i列所对应的图像。
其中步骤5中预存的短编码序列由伪随机序列或阿达玛编码序列构成。
其中步骤7中的重构方法包括：生成M个信号yij，使得yij＝Yij-Yi0，这M个信号组成一个列向量yi；而后求解有限制最优化问题，限制条件是yi＝Φxi，其中xi为代表第i列重构图像的列向量，Φ为由M个空间编码组成的大小为M×N1的矩阵，最优化的目标函数可以是xi的L-0范数、L-1范数或其全变差的L-1范数，在本实施例中采用ChengboLi等作者在ComputationalOptimizationandApplications上发表的“AnefficientaugmentedLagrangianmethodwithapplicationstototalvariationminimization”中提出的TVAL3算法重构列图像；或者如果短编码序列是孪生素数阿达玛编码序列(N1＝p×q且q＝p+2且p、q均为素数)时，也可使用弛豫算法计算出阿达玛矩阵中未被探测的信号，再乘上变换矩阵的逆得到xi。
以上所述的实施例仅是本发明的一种具体实现方法，并不能理解为对本发明专利范围的限制。本领域内的技术人员在本发明的思想框架下，作出一些改进和变动，应当理解为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种快速大图像单像素成像装置，其特征在于：包括前端成像装置、列调制装置、探测装置、中央控制装置和并行计算装置；所述前端成像装置将带有被测目标信息的信号成像于列调制装置所在平面；所述列调制装置对中央控制装置中预存的短编码序列进行逐列编码，形成一维空间调制花纹，对目标信号进行一维空间编码；所述探测装置检测空间编码后的累加强度信号，并将其送入中央控制装置进行处理；所述中央控制装置用于对所述快速大图像单像素成像装置的各个***组件进行时间同步，对列调制装置空间编码序列的更换进行控制，并将探测装置输入的信号分配至并行计算装置进行图像重构，并行装置的图像重构结果送回中央控制装置并组合为目标图像。
2.根据权利要求1所述的快速大图像单像素成像装置，其特征在于：所述的短编码序列是由0、1组成的二进制编码序列，其长度为图像沿列方向的像素值N1。
3.根据权利要求1所述的快速大图像单像素成像装置，其特征在于：所述的前端成像装置是成像透镜反射镜组。
4.根据权利要求1所述的快速大图像单像素成像装置，其特征在于：所述的列调制装置是一种可一维编码的空间光调制器，放置于所述前端成像装置的像平面上。
5.根据权利要求4所述的快速大图像单像素成像装置，其特征在于：所述的空间光调制器每一单元大小对应于图像的一个像素；每一单元均可根据编码序列被置于高透过或低透过两种状态之一。
6.根据权利要求1所述的快速大图像单像素成像装置，其特征在于：所述的探测装置包括信号会聚镜和探测器。
7.根据权利要求1所述的快速大图像单像素成像装置，其特征在于：所述的中央控制装置包括数据采集装置、中央处理器、非瞬态存储介质、控制装置和显示屏；所述数据采集装置对探测装置送入的信号进行滤波、放大、模数转换等信号处理；所述中央处理器完成***的时间同步控制、信号指令的发送、与并行装置之间的数据交换，以及将图像重构的结果显示在显示屏上；所述非瞬态存储介质存储列调制装置所需的短编码序列、相应的矩阵和重构程序；所述控制装置根据中央处理器的指令，更换列调制装置上的编码序列。
8.根据权利要求7所述的快速大图像单像素成像装置，其特征在于：所述的并行计算装置是多个并行计算处理器的组合；所述并行计算处理器根据中央处理器的指令，利用非瞬态存储介质中存放的程序，对收到的数据进行一维列图像重构，并将重构结果送回中央处理器。
9.一种快速大图像单像素成像方法，其特征在于：成像步骤如下：
步骤1：前端成像装置将待测目标的像成于列调制装置所置平面；
步骤2：对图像上的每一列重复下列步骤3—6；
步骤3：列调制装置对像平面第i列进行空间编码，编码序列中0对应于低透过状态，1对应于高透过状态，首先将所有单元均置于0状态；
步骤4：由探测装置采集一个强度信号Yi0送入中央控制装置；
步骤5：由中央控制装置发布指令，控制列调制装置按照中央控制装置中预存的短编码序列对第i列进行M次空间编码，其中M小于等于短编码序列长度N1，其中第j次空间编码的序列由所述短编码序列向前循环平移floor((j-1)×N1/M)单位得到，floor()表示向下取整，每次变换空间编码后均由探测装置采集一个强度信号Yij送入中央控制装置；
步骤6：当第i列的所有M+1个信号均采集完毕后，中央控制装置将Yi0和Yij全部送入并行计算装置，并控制列调制装置开始对图像上的下一列，即第i+1列进行调制；
步骤7：每当并行计算装置收到一组完整的Yi0和Yij之后，由下一个空闲的并行计算处理器对此列图像进行重构，得到重构后的列向量xi并将其送回中央处理器；
步骤8：每当中央处理器收到一个由并行计算装置送来的列向量xi，即在屏幕上刷新第i列所对应的图像。
10.根据权利要求9所述的快速大图像单像素成像方法，其特征在于：所述步骤7中的重构方法包括：生成M个信号yij，使得yij＝Yij-Yi0，这M个信号组成一个列向量yi；而后求解有限制最优化问题，限制条件是yi＝Φxi，其中xi为代表第i列重构图像的列向量，Φ为由M个空间编码组成的大小为M×N1的矩阵，最优化的目标函数是xi的L-0范数、L-1范数或其全变差的L-1范数；或者当N1＝p×q且q＝p+2且p、q均为素数，短编码序列是孪生素数阿达玛编码序列时，使用弛豫算法计算出阿达玛矩阵中未被探测的信号，再乘上变换矩阵的逆得到xi。
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