CN107014487B - 一种动态场景下的压缩感知测量方法及其*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态场景下的压缩感知测量方法，对目标物体图像进行压缩感知测量的同时感知目标物体图像总光强变化情况，根据对目标物体图像的总光强测量结果确定一个目标物体图像的总光强常量，根据总光强常量来消除压缩感知测量过程中测量对象的差异，从而实现压缩感知成像。本发明还公开了基于该动态场景下的压缩感知测量方法的测量***，该***在传统压缩感知测量装置的基础上增加了测量目标物体图像总光强的结构，本发明利用图像总光强的测量结果来消除压缩感知测量过程中外界光强变化引起的测量对象的差异，从而可以实现稳定、精确地压缩感知成像。
Description
技术领域
本发明涉及压缩感知光学成像技术领域，特别是一种动态场景下的压缩感知测量方法及其***。
背景技术
传统的信号采样遵循奈奎斯特采样定律，要求采样***至少以信号最高频率的2倍进行采样，而在实际应用中需要保证采样频率为最高频率的5-10倍。随着信息时代高速发展，测量***一方面需要更高的采样频率，另一方面需要更复杂的硬件设备来处理采集的数据，这样必然增加对硬件的难度要求，提高***的复杂度和能量消耗。在很多领域中，需要使用多个波段或特殊波段对目标进行探测，如在医学领域，研究人员需要根据病变组织以及器官的大小选择合适的波长进行成像，这种方式有助于选择有效的治疗方法来提高医学诊断的准确率。在军事领域，侦查卫星、飞机观察地面物体时需要几十个甚至上百个波段上对可能的目标物体进行分析，从而可以获取更加精确的信息，提高对自我的保护能力和对敌方的精确打击能力。传统的成像设备通常以CCD或CMOS作为传感器，但这类传感器无法在非可见光和极弱光强等特殊条件下正常工作。
Candès和Donoho在2006年提出的压缩感知理论成为了近年来研究的热门，它改变了以奈奎斯特采样定律为指导的采样模式，具有采样量少和对采集端硬件要求低等优点，为采用少数传感器即可获得高分辨信号提供了新的方向和理论基础。2008年Rice大学的Baraniuk教授提出了将压缩感知应用于光学成像的想法，随后建立了实际的“单像素相机”成像***并取得实验阶段的成功，验证了压缩感知理论在实际应用中的可行性。相比于现有的成像技术，压缩感知成像减少了测量数据个数和数据存储空间，降低了***在采样端的硬件要求，但增加了测量次数和后续图像重构的时间。
压缩感知成像是针对同一目标物体进行多次测量，并且要求在测量过程中目标物体的信息不发生改变。然而，在压缩感知成像的多次测量过程中目标物体所受的光照强度难免发生改变，从而使得被测量对象在整体或局部上都存在明显差异，也就是被测量对象不一致。这就导致了压缩感知成像的重构结果不精确，甚至在测量过程中因光强发生较大变化出现无法重构出预期图像结果的现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种动态场景下的压缩感知测量方法及其***，本发明可以通过检测压缩感知测量过程中目标物体图像的总光强的变化情况，利用该变化情况消除或降低压缩感知测量过程中目标物体图像发生改变带来的影响，从而在目标物体图像发生改变的情况下能够准确获得目标图像的目的，本发明的装置结构简单，操作简便。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种动态场景下的压缩感知测量方法，对目标物体图像进行压缩感知测量的同时感知目标物体图像总光强变化情况，根据对目标物体图像的总光强测量结果确定一个目标物体图像的总光强常量，根据总光强常量来消除压缩感知测量过程中测量对象的差异，从而实现压缩感知成像。
作为本发明所述的一种动态场景下的压缩感知测量方法进一步优化方案，具体包括如下步骤：
步骤一、将目标物体图像分为无差异的两幅图像，对其中的一幅图像进行全局测量即直接测量目标物体图像的总光强，对另一幅图像同时进行压缩感知测量；
步骤二、对步骤一中测量出的目标物体图像的总光强进行处理，计算得到一个确定的常数，以此常数作为总光强常量；
步骤三、根据总光强常量对压缩感知测量结果进行处理以消除或降低测量对象存在差异带来的影响；
步骤四、将处理过的压缩感知测量结果和压缩感知的测量矩阵作为已知条件，利用优化算法重构出目标物体图像。
作为本发明所述的一种动态场景下的压缩感知测量方法进一步优化方案，获取总光强常量的方法是采用最小二乘法，使得全局测量结果与该总光强常量的残差平方和最小。
基于上述的一种动态场景下的压缩感知测量方法的测量***，包括分光镜、第一成像透镜、第一数字微镜、第一聚焦透镜、第一探测器模块、第二成像透镜、第二数字微镜、第二聚焦透镜、第二探测器模块和处理器；其中，
分光镜，用于将目标物体图像的入射光分为两路：第一路入射光和第二路入射光，且这两路的图像信息是一致的；第一路入射光是从分光镜的表面反射出去，第二路入射光是从分光镜透射出去；
第一成像透镜，用于将第一路入射光投影在第一数字微镜的表面；
第一数字微镜，用于将接收的第一路入射光全部反射至第一聚焦透镜；
第一聚焦透镜，用于将第一数字微镜上的反射光汇聚在第一探测器模块；
第一探测器模块，用于将接收的汇聚后的反射光由光信号换成电信号，并将电信号数字化，输出第一数字信号输出至处理器；
第二成像透镜，用于将第二路入射光投影在第二数字微镜的表面；
第二数字微镜，用于将接收的第二路入射光按加载的测量模式进行空间调制，反射光输出至第二聚焦透镜；
第二聚焦透镜，用于将第二数字微镜上的反射光汇聚在第二探测器模块；
第二探测器模块，用于将接收的汇聚后的反射光由光信号换成电信号，并将电信号数字化，输出第二数字信号至处理器；
处理器，用于控制第一数字微镜、第二数字微镜的翻转状态以及第一探测器模块、第二探测器模块的数据采集，并对第一数字信号、第二数字信号进行处理进而优化重构出目标物体图像。
作为本发明所述的一种动态场景下的压缩感知测量方法的测量***进一步优化方案，分光镜与目标物体图像的入射光的光轴成45度角,且确保投影在第一数字微镜、第二数字微镜上的目标物体图像一致。
作为本发明所述的一种动态场景下的压缩感知测量方法的测量***进一步优化方案，第一数字微镜中所有反射镜的翻转角度一直都为+12°，且翻转方向都相同；第二数字微镜依次加载随机二进制矩阵的测量模式完成对图像的压缩感知测量。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明在传统压缩感知成像***框架下通过分光镜将物体的图像信息分为无差异的两部分，一部分采用传统的压缩感知测量方法，另一路用来探测场景在测量过程中的动态变化；
(2)通过检测测量过程中的场景的动态变化，我们可以根据该变化情况来处理压缩感知测量结果，以消除外界变化对压缩感知测量造成的干扰，从而实现稳定、精确的压缩感知成像。
附图说明
图1是传统的压缩感知成像***装置示意图。
图2是测量矩阵加载过程示意图。
图3是第二数字微镜对物体入射光的调制示意图。
图4是本发明提出的一种动态场景下的压缩感知测量***装置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示是传统压缩感知成像***装置示意图，主要包括了透镜、DMD、光电探测器(PD)、模数转换器、计算机。各部分功能如下：
成像透镜，用于将场景图像的入射光投影在DMD表面；
聚焦透镜，用于将DMD上的反射光汇聚至探测器接收面；
DMD，用于将投影在DMD表面的物体图像的入射光按加载的测量模式进行空间调制；
光电探测器，用于将汇聚后的反射光由光信号换成电信号；
模数转换器，将模拟的电信号数字化，并发送采集值至计算机；
计算机，作为***的控制和处理单元，控制了DMD的翻转状态和探测器模块数据采集，对采集的数据进行处理和优化重构图像。
如图1所示的DMD，它是由数十万甚至上百万个尺寸在微米级别大小的微反射镜组成，每个反射镜可以独立翻转，并通过二进制元素(0,1)来调制反射镜的翻转情况；初始的反射镜翻转角度为0度即水平方向，当反射镜的调制状态为‘1’时，其翻转角度为+12度即将入射光发射出来到聚焦透镜，表现为DMD阵列上的白色区域；当反射镜的调制状态为‘0’时，翻转角度为-12度即入射光不反射出来，表现为DMD阵列上的黑色区域。
如图2所示的测量矩阵加载过程示意图，我们根据需求设计了测量矩阵Φ，它包含了M×N个元素，M是测量次数，N是待测量图像包含的像素个数。将测量矩阵的每一行调整为一个n×n(N＝n×n)的新矩阵，并依次加载到DMD以实现所有反射镜不同的翻转状态。
如图3所示的DMD对物体入射光的调制示意图，每一个加载的测量模式对应着DMD相同的状态，因此物体入射光投影在DMD阵列的表面会受到DMD空间上的调制作用，也就是不同模式的测量。DMD阵列的白色区域会将对应的物体入射光反射到下一个接收模块，即光电探测器(PD)，而黑色区域吸收对应区域的光强。最后，经过DMD调制后的物体输出光如图3右图所示即图像的部分光强信息被后续采集。
如图1所示的聚焦透镜将经DMD调制的物体输出光聚焦在光电探测器(PD)表面，实现光电转换过程---光强转换为电压值。后续的数据采集电路将模拟的电压信号数字化，并作为当前测量模式下的测量值，发送给计算机处理单元。计算机利用所有的测量值和已知的测量矩阵优化重构出场景图像。
如图4所示是本发明提出的一种动态场景下的压缩感知测量***装置图，其特征在于，包括分光镜、第一成像透镜、第一数字微镜、第一聚焦透镜、第一探测器模块、第二成像透镜、第二数字微镜、第二聚焦透镜、第二探测器模块和处理器；其中，
分光镜，用于将目标物体图像的入射光分为两路：第一路入射光和第二路入射光，且这两路的图像信息是一致的；第一路入射光是从分光镜的表面反射出去，第二路入射光是从分光镜透射出去；
第一成像透镜，用于将第一路入射光投影在第一数字微镜的表面；
第一数字微镜，用于将接收的第一路入射光全部反射至第一聚焦透镜；
第一聚焦透镜，用于将第一数字微镜上的反射光汇聚在第一探测器模块；
第一探测器模块，用于将接收的汇聚后的反射光由光信号换成电信号，并将电信号数字化，输出第一数字信号输出至处理器；
第二成像透镜，用于将第二路入射光投影在第二数字微镜的表面；
第二数字微镜，用于将接收的第二路入射光按加载的测量模式进行空间调制，反射光输出至第二聚焦透镜；
第二聚焦透镜，用于将第二数字微镜上的反射光汇聚在第二探测器模块；
第二探测器模块，用于将接收的汇聚后的反射光由光信号换成电信号，并将电信号数字化，输出第二数字信号至处理器；
处理器，用于控制第一数字微镜、第二数字微镜的翻转状态以及第一探测器模块、第二探测器模块的数据采集，并对第一数字信号、第二数字信号进行处理进而优化重构出目标物体图像。
下面对本发明中的测量***装置结构作更进一步说明：
在这个***中第一成像透镜、第二成像透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜完全一致，无任何光学性能差异。第一数字微镜与第二数字微镜具有相同的型号。第一探测器模块和第二探测器模块也是相同的。第一探测器模块、第二探测器模块均为光电探测器，处理器为计算机。
在目标物体入射光光轴方向放置一个分光镜，分光镜与光轴成45°角，这样可以使目标物体的图像信息分为两部分：一部分从分光镜透射出去，另一部分从分光镜表面反射出去，但这两部分图像信息是一致的。透射的图像信息采用传统的压缩感知成像方法进行测量，而反射的图像信息仅需要对图像进行全局测量，即测量图像总光强。对于反射的图像信息，经过成像透镜1投影在第一数字微镜的表面。因为第一数字微镜加载的矩阵元素全为“1”，则所有反射镜的翻转角度都为+12°，翻转方向相同，从而第一数字微镜的阵列可看作一个独立的平面(在效果上等同于反射镜)，且在后续测量过程反射镜的状态不发生改变。因此，经过聚焦透镜1汇聚在第一探测器模块表面的光强是图像的总光强，后续的电路完成对该总光强进行数据的采集以及发送任务。对于透射的图像信息，同样经过成像透镜2投影在第二数字微镜，而为第二数字微镜依次加载随机二进制矩阵的测量模式完成对图像的压缩感知测量。对第二数字微镜反射的部分图像光强由第二聚焦透镜汇聚到第二探测器模块出，后续的数据采集电路完成数据采集与发送。对透射的图像信息和反射的图像信息的测量是同步的，对应了后续数据的处理。在M次测量后，我们可以在透射端光路中获得一个压缩感知测量值向量y，在反射端光路中获得总光强测量值向量y'，如式1所示。
由于y'是对目标物体图像总光强测量结果，它反映了外界光照改变对目标物体图像的影响；y则是目标物体图像因光照变化而发生改变情况下的压缩感知测量结果。首先，利用目标物体图像的总光强y'，通过最小二乘法计算得到一个常量I，也就是找到一个常数I使得所有压缩感知测量值的残差平和最小。如式2所示，Q为残差平方和，ei为残差，y'i为第i次压缩感知测量结果。
我们将I作为假设情形下图像不受光照影响时的图像总光强度。因此，将y'转换到I仅需要乘以一个系数矩阵A，如式3所示。·*是点乘符号，表示矩阵对应位置元素相乘。
Y＝y.*A (4)
利用系数矩阵A将压缩感知测量值向量y进行处理得到新的测量值向量Y，如式4所示。压缩感知成像测量过程和测量值变换均是线性测量，y的线性变换可以消除测量过程中目标物体图像的差异。最后，利用压缩感知优化算法处理新的测量值向量Y得到重构图像。
本发明提出的一种动态场景下的压缩感知测量***及方法，在测量***中增加了测量目标物体图像总光强的***结构，可以对目标物体图像进行压缩感知测量的同时感知目标物体图像总光强变化情况。根据对目标物体图像的总光强测量结果，可以确定一个目标物体图像的总光强常量，从而消除压缩感知测量过程的差异，实现稳定、精确的压缩感知成像。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种动态场景下的压缩感知测量方法，其特征在于，对目标物体图像进行压缩感知测量的同时感知目标物体图像总光强变化情况，根据对目标物体图像的总光强测量结果确定一个目标物体图像的总光强常量，根据总光强常量来消除压缩感知测量过程中测量对象的差异，从而实现压缩感知成像；具体包括如下步骤：
步骤一、将目标物体图像分为无差异的两幅图像，对其中的一幅图像进行全局测量即直接测量目标物体图像的总光强，对另一幅图像同时进行压缩感知测量；
步骤二、对步骤一中测量出的目标物体图像的总光强进行处理，计算得到一个确定的常数，以此常数作为总光强常量；
步骤三、根据总光强常量对压缩感知测量结果进行处理以消除或降低测量对象存在差异带来的影响；
步骤四、将处理过的压缩感知测量结果和压缩感知的测量矩阵作为已知条件，利用优化算法重构出目标物体图像。
2.根据权利要求1所述的一种动态场景下的压缩感知测量方法，其特征在于，获取总光强常量的方法是采用最小二乘法，使得全局测量结果与该总光强常量的残差平方和最小。
3.基于权利要求1所述的一种动态场景下的压缩感知测量方法的测量***，其特征在于，包括分光镜、第一成像透镜、第一数字微镜、第一聚焦透镜、第一探测器模块、第二成像透镜、第二数字微镜、第二聚焦透镜、第二探测器模块和处理器；其中，
分光镜，用于将目标物体图像的入射光分为两路：第一路入射光和第二路入射光，且这两路的图像信息是一致的；第一路入射光是从分光镜的表面反射出去，第二路入射光是从分光镜透射出去；
第一成像透镜，用于将第一路入射光投影在第一数字微镜的表面；
第一数字微镜，用于将接收的第一路入射光全部反射至第一聚焦透镜；
第一聚焦透镜，用于将第一数字微镜上的反射光汇聚在第一探测器模块；
第一探测器模块，用于将接收的汇聚后的反射光由光信号换成电信号，并将电信号数字化，输出第一数字信号输出至处理器；
第二成像透镜，用于将第二路入射光投影在第二数字微镜的表面；
第二数字微镜，用于将接收的第二路入射光按加载的测量模式进行空间调制，反射光输出至第二聚焦透镜；
第二聚焦透镜，用于将第二数字微镜上的反射光汇聚在第二探测器模块；
第二探测器模块，用于将接收的汇聚后的反射光由光信号换成电信号，并将电信号数字化，输出第二数字信号至处理器；
处理器，用于控制第一数字微镜、第二数字微镜的翻转状态以及第一探测器模块、第二探测器模块的数据采集，并对第一数字信号、第二数字信号进行处理进而优化重构出目标物体图像。
4.根据权利要求3所述的一种动态场景下的压缩感知测量方法的测量***，其特征在于，分光镜与目标物体图像的入射光的光轴成45度角,且确保投影在第一数字微镜、第二数字微镜上的目标物体图像一致。
5.根据权利要求3所述的一种动态场景下的压缩感知测量方法的测量***，其特征在于，第一数字微镜中所有反射镜的翻转角度一直都为+12°，且翻转方向都相同；第二数字微镜依次加载随机二进制矩阵的测量模式完成对图像的压缩感知测量。
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