CN113048907A - 一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法及装置。该方法对待测光谱立方体进行宏像素分割和波长‑位置编码，以在一次二维采样过程中实现对三维光谱立方体的采样。本发明进一步设计了一种单像素多光谱成像装置，将预设的二维编码加载到空间光调制器上，用于产生结构光照明；使用特定阵列滤波片对照明光场进行宏像素分割和波长‑位置编码；用单点探测器对经被测场景作用后的光场强度值进行探测；根据一维强度测量值，用重构算法对待测场景的二维空间信息、光谱信息进行重构，从而还原得到多光谱成像结果。该方法光路简单，采样速度快，且能通过对阵列滤波片的设计选取合适波段及波段数目，能实现快速、有效的单像素多光谱成像。

Description

一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法及装置
技术领域
本发明涉及计算成像领域，特别涉及一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法及装置。
背景技术
多光谱成像技术能同时获取物体空间维度和光谱维度的信息，为物质的分析、识别提供了一种有效手段，因此在军事、生物、医学、工业探测等领域有着广泛的应用。传统的多光谱成像技术通常通过在时间上进行扫描以获取目标物体的三维光谱立方体。这种方法能获取目标物体光谱立方体的完整信息，但是扫描时间长，且存在较大数据冗余。为了更高效地获取光谱立方体，研究人员提出了一种编码孔径光谱成像技术(CASSI)。这种技术使用了压缩感知理论，能从包含各个谱段信息的单幅二维混叠图中还原出每个谱段各自的空间信息，从而提高多光谱成像效率。然而这种多光谱成像技术使用CCD等面阵探测器进行探测，探测的谱段范围比较受限。
单像素成像是一种新兴的成像技术，它将空间编码和单点探测结合，能从单点探测器得到的一维信号中重构出物体的空间信息，无需使用面阵探测器对物体进行探测，因此能克服部分波段阵列探测器的高成本问题，扩大探测谱段的范围。由于单像素成像技术将光会聚到一个单点探测器上，因此在光强较弱时也能进行探测。目前已有的单像素多光谱成像技术主要分为以下几种：(1)直接用光谱仪作为探测器进行探测,能实现高光谱分辨率的成像，但也使整个***变得昂贵而笨重；(2)用色轮、特制的编码轮等机械结构对光谱维进行编码，以从一维强度信息还原出目标物体的光谱立方体，这类***存在光谱编码速度受机械结构限制、稳定性较差的缺点；(3)基于傅里叶单像素成像技术，用彩色编码图案同时编码空间和颜色信息，但存在成像谱段受限、彩色编码图投影速慢、成像效率低的缺点。因此，使用单像素探测器实现成像效率高、谱段丰富、***稳定性好的多光谱成像具有重要意义。
发明内容
为克服现有技术存在的以上问题，本发明的目的之一在于提出一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法。该方法可以在一次二维采样过程中采集光谱立方体信息，能有效恢复待测场景的三维光谱立方体信息，实现高效、稳定、波段可拓展的单像素多光谱成像。
本发明的另一个目的在于提出一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像装置。该装置用一种阵列滤波片对待测场景光谱立方体进行宏像素分割和波长-位置编码，以实现多光谱成像。
本发明的具体方案介绍如下:
本发明首先公开了一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法，其包括以下步骤：
1)将预设的二维编码加载到光调制器上，光源发射的入射光经过光调制器产生二维结构光，对所述二维结构光进行宏像素分割和波长-位置编码，生成能同时采集空间位置信息和光谱信息的宏像素编码结构光；
2)用所述宏像素编码结构光和单点探测器将待测场景的二维空间信息和光谱信息耦合为一维强度测量值；
3)基于一维强度测量值用重构算法进行重构，还原出待测场景的二维空间信息和光谱信息，从而实现单像素多光谱成像。
本发明还公开了一种可选的基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法，其包括以下步骤：
1)对光源发射的入射光进行宏像素分割和波长-位置编码，然后用加载着预设二维编码的光调制器对入射光进行二维编码，生成能同时采集空间位置信息和光谱信息的宏像素编码结构光。
2)用所述宏像素编码结构光和单点探测器将待测场景的二维空间信息和光谱信息耦合为一维强度测量值；
3)基于一维强度测量值用重构算法进行重构，还原出待测场景的二维空间信息和光谱信息，从而实现单像素多光谱成像。
作为本发明的优选方案，所述加载到空间光调制器上的预设的二维编码是基于宏像素分割设计的，每个宏像素区域包含多个子区域，每个子区域对应宏像素区域内的一个不同的位置，每个子区域被设定为允许光进入后续光学***或不允许光进入后续光学***，所有宏像素区域中位于同一位置的子区域编码组成一个二维子编码。
作为本发明的优选方案，对所述二维结构光进行宏像素分割和波长-位置编码，具体为：
所有宏像素区域中位于同一位置的子区域编码组成一个二维子编码，一个二维子编码对应一个采样波段；
每个宏像素区域内的不同位置的子区域允许不同波长的光透过，宏像素区域内的各个不同子区域可以采样被测物体该宏像素范围内的多个波段的信息；
从而所述结构光的一个宏像素可以采集该像素对应的多个光谱通道的信息；
所述宏像素分割和波长-位置编码采用阵列滤波片、光调制器表面镀膜、色散元件色散中的一种或多种实现。
所述重构算法为压缩感知算法、字典学习方法或深度学习算法。所述宏像素编码结构光可为主动照明结构光或被动照明结构光。
本发明进一步提供了一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像装置，其包括：
结构光模块，由白光光源、空间光调制器和阵列滤波片构成，白光光源作为照明光源，空间光调制器加载预设的二维编码，白光光源发射的入射光经过空间光调制器产生二维结构光，用阵列滤波片对所述二维结构光进行宏像素分割和波长-位置编码，生成能同时采集空间位置信息和光谱信息的结构光，同时对空间位置信息和光谱信息进行采集；
探测模块，由会聚透镜和单点探测器构成，用会聚透镜采集待测场景经结构光照明后的漫反射光，并用单点探测器探测其强度值；
重构模块，用重构算法从探测到的强度值恢复待测场景的光谱立方体，实现单像素多光谱成像。
本发明还提供了另一种可选的基于宏像素分割的单像素多光谱成像装置，其包括：
结构光模块，由白光光源、阵列滤波片和空间光调制器构成，白光光源作为照明光源，用阵列滤波片对白光光源发射的入射光进行宏像素分割和波长-位置编码，再使用加载着预设二维编码的空间光调制器对入射光进行二维编码，生成能同时采集空间位置信息和光谱信息的结构光，同时对空间位置信息和光谱信息进行采集；
探测模块，由会聚透镜和单点探测器构成，用会聚透镜采集待测场景经结构光照明后的漫反射光，并用单点探测器探测其强度值；
重构模块，用重构算法从探测到的强度值恢复待测场景的光谱立方体，实现单像素多光谱成像。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像***，通过空间光调制器对照明光场进行二维编码，并利用阵列滤波片进行宏像素分割和波长-位置编码，用产生的新型结构光照明被测物体，并用单点探测器探测被测物体漫反射后的一维强度值。多次测量后，结合预设的二维编码、波长-位置编码和重构算法(压缩感知算法等)还原出被测物体的光谱立方体信息，从而实现基于宏像素分割和单像素探测器的多光谱成像***。本发明提出了宏像素分割、波长-位置编码的想法，能将一次三维光谱立方体采样过程转换为一次二维采样过程，在单次探测过程中对被测物体的三维光谱立方体完成了一次采样。和其他单像素多光谱成像***相比，具有光路较为简单、不受机械结构限制、采样效率较高、谱段可以拓展的优点。
附图说明
图1为对数据立方体进行三维采样示意图。
图2为本发明基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法步骤示意图。
图3为本发明实施例基于宏像素分割的单像素多光谱成像***示意图。
图4为本发明实施例中宏像素编码图案形成过程示意图。
图5为本发明实施例中用宏像素编码图案进行三维采样示意图。
图中标号：1-宽谱光源；2-LCOS芯片；3-偏振分光棱镜(PBS)；4-阵列滤波片；5-投影透镜；6-被测物体；7-会聚透镜；8-单点探测器；9-数据采集卡；10-电脑。
具体实施方式
以下通过具体实施例和相关附图对本发明作进一步详细说明。
作为一种新型成像技术，单像素成像技术能从单点探测器探测的一维强度测量值中重构出被测物体的二维强度信息。该技术无需使用面阵探测器，而是将二维编码和单点探测相结合，能极大地拓展成像波段范围。在单像素成像***中，预设了一系列二维编码图案对被测物体的二维空间信息进行多次采样，并耦合为一维强度信息进行探测，后续用重构算法还原。而在本发明基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法及装置中，需要同时探测被测物体的二维空间信息和光谱信息，也就是对被测物体的三维数据立方体信息进行探测。在此情况下，二维编码图案不足以对数据立方体信息进行采样。
因此，本发明提出了使用三维编码图案对数据立方体进行采样的想法。图1是对数据立方体进行三维采样示意图。三维采样过程可类比于单像素成像***中的二维采样过程，增加了光谱维度。在图1中，三维编码图案中的白色方块代表该坐标(x,y,λ)处数据立方体的信息被采集，三维编码图案中的黑色方块代表该坐标(x,y,λ)处数据立方体的信息未被采集。但在实际情况下，LCOS、DMD等光调制器件只能对二维图案进行调制，无法产生图1中的三维编码图案。因此，本发明基于宏像素分割、波长-位置编码的想法，设计了图1中所示的宏像素编码图案。该宏像素编码图案能近似代替三维编码图案，实现对被测物体数据立方体的三维采样。
图2是本发明基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法的具体流程图。如图2所示，本发明基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法主要包括以下步骤：
在步骤S201中，预设二维编码并将其加载到光调制器上，生成二维结构光。其中，预设的二维编码基于宏像素分割的理论进行设计。为最终实现多光谱单像素成像，预设的二维编码需与后续步骤中的光谱编码元件相匹配。在该二维编码中，每个宏像素区域内同一位置的编码构成了一个二维子编码，每一个二维子编码对应后续步骤中光谱编码元件的一个采样波段。所述二维子编码包括但不限于随机编码、哈达玛编码、条纹编码。在本实施例中，使用随机编码作为二维子编码，并将对应的二维编码图案加载到LCOS芯片上，生成二维结构光。
步骤S202中，对该二维结构光进行宏像素分割和波长-位置编码，产生一种能同时采集空间信息和光谱信息的新型结构光。在本实施例中，使用阵列滤波片对步骤S201中生成的二维结构光进行宏像素分割和波长-位置编码。在每个宏像素区域内，不同位置透过不同波长的光。因而步骤S202生成的新型结构光能同时采样空间位置信息和光谱信息。
在步骤S203中，用单点探测器对经被测场景作用后的光场强度值进行探测。在本实施例中，探测模块由会聚透镜和单点探测器构成，能将三维数据立方体被采样部分的信息耦合为一维强度测量值。
在步骤S204中，根据一维强度测量值，用重构算法对被测场景的二维空间信息、光谱信息进行重构，从而还原得到多光谱成像结果。所述重构算法包括压缩感知算法(含凸优化类算法、贪婪算法、组合算法、贝叶斯方法)、字典学习方法、深度学习算法等具有类似作用的算法。
本发明实施例提供了一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像***。具体***结构如图3所示，包括宽谱光源1、LCOS芯片2、偏振分光棱镜3、阵列滤波片4、投影透镜5、会聚透镜7、单点探测器8、数据采集卡9和电脑10。被测物体为图中的部件6。工作时，宽谱光源1发出的光经偏振分光棱镜3起偏后，入射到LCOS芯片2上，产生二维结构光。出射的二维结构光经偏振分光棱镜3后，照射到阵列滤波片4上，进行宏像素分割和波长-位置编码，形成一种能同时采样二维空间信息和光谱信息的新型结构光(即图1中所示的宏像素编码图案)。用投影透镜5将宏像素编码图案投影到被测物体6上，用会聚透镜7将漫反射光会聚到单点探测器8的靶面上，得到的测量值经由数据采集卡9转换后输入电脑10，完成单次探测。通过将一系列预设的二维编码加载到LCOS芯片2上，并控制单点探测器8多次探测，可以得到后续用于重构数据立方体信息的一维强度测量值。
图4具体描述了本发明实施例中宏像素编码图案形成过程。在本实施例中，选取λ11、λ12、λ13、λ21、λ22、λ23、λ31、λ32、λ33这9个作为被测波段。在图4中，预设二维编码示意图、阵列滤波片结构示意图和宏像素编码图案上，加粗灰色边框包围的一个方格为一个宏像素区域。在预设二维编码图案中，每个宏像素区域内同一位置的编码组成了一个二维子编码，本发明实施例以随机编码作为二维子编码。每个宏像素区域又被划分为3×3个小方格，分别用于采样被测物体该宏像素范围内9个波段的信息。为便于说明宏像素编码图案形成过程，本部分内容以图4左上角的黑色边框内的一个宏像素为例。对该宏像素范围内的分析过程也适用于其他未被加粗黑框标出的宏像素。LCOS芯片上加载的二维编码和阵列滤波片结构分别如图4所示。其中，预设二维编码示意图中加粗黑框范围内，白色小格、黑色小格分别表示该区域内的光能进入后续光学***、不能进入后续光学***。阵列滤波片结构示意图中加粗黑框范围内，9个小格标着不同的波段值，表示对应方格区域内仅允许所标波段的光通过。可以看出阵列滤波片对照明光场进行了宏像素区域划分，并且每个宏像素区域内的小格仅允许一个波段的光透过，即进行了波长-位置编码。因此，将阵列滤波片与LCOS芯片上加载的二维编码对准，从LCOS芯片出射的照明光场透过阵列滤波片，便可形成如图4中所示的宏像素编码图案，即一种新型结构光。图4中宏像素编码图案加粗黑框范围内，λ11、λ13、λ21、λ22和λ33波段的光存在于其对应的小格区域内，其余黑色区域均无光出射。所述的宏像素编码图案可近似代替三维编码图案对数据立方体进行三维采样，过程如图5所示。在此过程中，用对应波段在一个宏像素范围内局部区域的强度作为该波段在该宏像素范围内的平均强度。例如，图5宏像素编码图案加粗黑框范围内λ11对应的小格，对应着三维编码图案中该宏像素区域波段为λ11的位置，能近似采样数据立方体中该宏像素区域内λ11波段处的信息。
本发明也可以通过调整二维编码与波长-位置编码(宏像素分割)的顺序来实现，其同样能将一次三维光谱立方体采样过程转换为一次二维采样过程，并在单次探测过程中对被测物体的三维光谱立方体完成了一次采样。同样具有光路较为简单、不受机械结构限制、采样效率较高、谱段可以拓展的优点。例如，在本发明的一个可选的实施方案中，所述基于宏像素分割的单像素多光谱成像装置包括宽谱光源、阵列滤波片、LCOS芯片、偏振分光棱镜、投影透镜、会聚透镜、单点探测器、数据采集卡和电脑，其成像方法可以包括如下步骤：宽谱光源为***提供照明，用阵列滤波片对照明光场进行宏像素分割和波长-位置编码，经偏振分光棱镜起偏后，用加载着预设二维编码的LCOS芯片进行二维编码，将能对空间位置信息和光谱信息进行采集的宏像素编码结构光投射到被测物体上，用会聚透镜采集被测物体经结构光照明后的漫反射光，并用单点探测器探测其强度值，得到的测量值经由数据采集卡转换后输入电脑，完成单次探测。改变LCOS芯片上的二维编码图案，进行多次探测，从而得到后续用于重构数据立方体信息的一维强度测量值。
综上所述，本发明公开了一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法及装置。该方法和装置在单像素成像***的基础上，结合宏像素分割和波长-位置编码的方式，可以在一次二维采样过程中采样三维光谱立方体信息，并能从一维强度测量值恢复待测场景的数据立方体，从而实现多光谱成像。本发明具有光路较为简单、不受机械结构限制、采样效率较高、谱段可以拓展的优点，能广泛应用于农业、军事、医疗等领域。
实施例中仅选取了特定实验装置，用于具体说明本发明的思路和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、实验思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将预设的二维编码加载到光调制器上，光源发射的入射光经过光调制器产生二维结构光，对所述二维结构光进行宏像素分割和波长-位置编码，生成能同时采集空间位置信息和光谱信息的宏像素编码结构光；
2)用所述宏像素编码结构光和单点探测器将待测场景的二维空间信息和光谱信息耦合为一维强度测量值；
3)基于一维强度测量值用重构算法进行重构，还原出待测场景的二维空间信息和光谱信息，从而实现单像素多光谱成像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加载到空间光调制器上的预设的二维编码是基于宏像素分割设计的，每个宏像素区域包含多个子区域，每个子区域对应宏像素区域内的一个不同的位置，每个子区域被设定为允许光进入后续光学***或不允许光进入后续光学***，所有宏像素区域中位于同一位置的子区域编码组成一个二维子编码。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述二维结构光进行宏像素分割和波长-位置编码，具体为：
所有宏像素区域中位于同一位置的子区域编码组成一个二维子编码，一个二维子编码对应一个采样波段；
每个宏像素区域内的不同位置的子区域允许不同波长的光透过，宏像素区域内的各个不同子区域可以采样被测物体该宏像素范围内的多个波段的信息；从而所述结构光的一个宏像素可以采集该像素对应的多个光谱通道的信息；
所述宏像素分割和波长-位置编码采用阵列滤波片、光调制器表面镀膜、色散元件色散中的一种或多种实现。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重构算法为压缩感知算法、字典学习方法或深度学习算法。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述宏像素编码结构光可为主动照明结构光或被动照明结构光。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1)替换为：
对光源发射的入射光进行宏像素分割和波长-位置编码，然后用加载着预设二维编码的光调制器对入射光进行二维编码，生成能同时采集空间位置信息和光谱信息的宏像素编码结构光。
7.一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像装置，其特征在于，包括：
结构光模块，由白光光源、空间光调制器和阵列滤波片构成，白光光源作为照明光源，空间光调制器加载预设的二维编码，白光光源发射的入射光经过空间光调制器产生二维结构光，用阵列滤波片对所述二维结构光进行宏像素分割和波长-位置编码，生成能同时采集空间位置信息和光谱信息的结构光，同时对空间位置信息和光谱信息进行采集；
探测模块，由会聚透镜和单点探测器构成，用会聚透镜采集待测场景经结构光照明后的漫反射光，并用单点探测器探测其强度值；
重构模块，用重构算法从探测到的强度值恢复待测场景的光谱立方体，实现单像素多光谱成像。
8.一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像装置，其特征在于，包括：
结构光模块，由白光光源、阵列滤波片和空间光调制器构成，白光光源作为照明光源，用阵列滤波片对白光光源发射的入射光进行宏像素分割和波长-位置编码，再使用加载着预设二维编码的空间光调制器对入射光进行二维编码，生成能同时采集空间位置信息和光谱信息的结构光，同时对空间位置信息和光谱信息进行采集；
探测模块，由会聚透镜和单点探测器构成，用会聚透镜采集待测场景经结构光照明后的漫反射光，并用单点探测器探测其强度值；
重构模块，用重构算法从探测到的强度值恢复待测场景的光谱立方体，实现单像素多光谱成像。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述加载到空间光调制器上的预设的二维编码是基于宏像素分割设计的，每个宏像素区域包含多个子区域，每个子区域对应宏像素区域内的一个不同的位置，每个子区域被设定为允许光进入后续光学***或不允许光进入后续光学***，所有宏像素区域中位于同一位置的子区域编码组成一个二维子编码。
10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述阵列滤波片由宏像素单元排列构成，每个宏像素单元包含多个子区域，不同子区域允许不同波长的光透过；从而所述阵列滤波片的一个宏像素可以用于采集该像素对应的多个光谱通道的信息。
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