本發(fā)明涉及壓縮感知光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的信號(hào)采樣遵循奈奎斯特采樣定律，要求采樣系統(tǒng)至少以信號(hào)最高頻率的2倍進(jìn)行采樣，而在實(shí)際應(yīng)用中需要保證采樣頻率為最高頻率的5-10倍。隨著信息時(shí)代高速發(fā)展，測量系統(tǒng)一方面需要更高的采樣頻率，另一方面需要更復(fù)雜的硬件設(shè)備來處理采集的數(shù)據(jù)，這樣必然增加對硬件的難度要求，提高系統(tǒng)的復(fù)雜度和能量消耗。在很多領(lǐng)域中，需要使用多個(gè)波段或特殊波段對目標(biāo)進(jìn)行探測，如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究人員需要根據(jù)病變組織以及器官的大小選擇合適的波長進(jìn)行成像，這種方式有助于選擇有效的治療方法來提高醫(yī)學(xué)診斷的準(zhǔn)確率。在軍事領(lǐng)域，偵查衛(wèi)星、飛機(jī)觀察地面物體時(shí)需要幾十個(gè)甚至上百個(gè)波段上對可能的目標(biāo)物體進(jìn)行分析，從而可以獲取更加精確的信息，提高對自我的保護(hù)能力和對敵方的精確打擊能力。傳統(tǒng)的成像設(shè)備通常以ccd或cmos作為傳感器，但這類傳感器無法在非可見光和極弱光強(qiáng)等特殊條件下正常工作。

candès和donoho在2006年提出的壓縮感知理論成為了近年來研究的熱門，它改變了以奈奎斯特采樣定律為指導(dǎo)的采樣模式，具有采樣量少和對采集端硬件要求低等優(yōu)點(diǎn)，為采用少數(shù)傳感器即可獲得高分辨信號(hào)提供了新的方向和理論基礎(chǔ)。2008年rice大學(xué)的baraniuk教授提出了將壓縮感知應(yīng)用于光學(xué)成像的想法，隨后建立了實(shí)際的“單像素相機(jī)”成像系統(tǒng)并取得實(shí)驗(yàn)階段的成功，驗(yàn)證了壓縮感知理論在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。相比于現(xiàn)有的成像技術(shù)，壓縮感知成像減少了測量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，降低了系統(tǒng)在采樣端的硬件要求，但增加了測量次數(shù)和后續(xù)圖像重構(gòu)的時(shí)間。

壓縮感知成像是針對同一目標(biāo)物體進(jìn)行多次測量，并且要求在測量過程中目標(biāo)物體的信息不發(fā)生改變。然而，在壓縮感知成像的多次測量過程中目標(biāo)物體所受的光照強(qiáng)度難免發(fā)生改變，從而使得被測量對象在整體或局部上都存在明顯差異，也就是被測量對象不一致。這就導(dǎo)致了壓縮感知成像的重構(gòu)結(jié)果不精確，甚至在測量過程中因光強(qiáng)發(fā)生較大變化出現(xiàn)無法重構(gòu)出預(yù)期圖像結(jié)果的現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量方法及其系統(tǒng)，本發(fā)明可以通過檢測壓縮感知測量過程中目標(biāo)物體圖像的總光強(qiáng)的變化情況，利用該變化情況消除或降低壓縮感知測量過程中目標(biāo)物體圖像發(fā)生改變帶來的影響，從而在目標(biāo)物體圖像發(fā)生改變的情況下能夠準(zhǔn)確獲得目標(biāo)圖像的目的，本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明提出的一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量方法，對目標(biāo)物體圖像進(jìn)行壓縮感知測量的同時(shí)感知目標(biāo)物體圖像總光強(qiáng)變化情況，根據(jù)對目標(biāo)物體圖像的總光強(qiáng)測量結(jié)果確定一個(gè)目標(biāo)物體圖像的總光強(qiáng)常量，根據(jù)總光強(qiáng)常量來消除壓縮感知測量過程中測量對象的差異，從而實(shí)現(xiàn)壓縮感知成像。

作為本發(fā)明所述的一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，具體包括如下步驟：

步驟一、將目標(biāo)物體圖像分為無差異的兩幅圖像，對其中的一幅圖像進(jìn)行全局測量即直接測量目標(biāo)物體圖像的總光強(qiáng)，對另一幅圖像同時(shí)進(jìn)行壓縮感知測量；

步驟二、對步驟一中測量出的目標(biāo)物體圖像的總光強(qiáng)進(jìn)行處理，計(jì)算得到一個(gè)確定的常數(shù)，以此常數(shù)作為總光強(qiáng)常量；

步驟三、根據(jù)總光強(qiáng)常量對壓縮感知測量結(jié)果進(jìn)行處理以消除或降低測量對象存在差異帶來的影響；

步驟四、將處理過的壓縮感知測量結(jié)果和壓縮感知的測量矩陣作為已知條件，利用優(yōu)化算法重構(gòu)出目標(biāo)物體圖像。

作為本發(fā)明所述的一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，獲取總光強(qiáng)常量的方法是采用最小二乘法，使得全局測量結(jié)果與該總光強(qiáng)常量的殘差平方和最小。

基于上述的一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量方法的測量系統(tǒng)，包括分光鏡、第一成像透鏡、第一數(shù)字微鏡、第一聚焦透鏡、第一探測器模塊、第二成像透鏡、第二數(shù)字微鏡、第二聚焦透鏡、第二探測器模塊和處理器；其中，

分光鏡，用于將目標(biāo)物體圖像的入射光分為兩路：第一路入射光和第二路入射光，且這兩路的圖像信息是一致的；第一路入射光是從分光鏡的表面反射出去，第二路入射光是從分光鏡透射出去；

第一成像透鏡，用于將第一路入射光投影在第一數(shù)字微鏡的表面；

第一數(shù)字微鏡，用于將接收的第一路入射光全部反射至第一聚焦透鏡；

第一聚焦透鏡，用于將第一數(shù)字微鏡上的反射光匯聚在第一探測器模塊；

第一探測器模塊，用于將接收的匯聚后的反射光由光信號(hào)換成電信號(hào)，并將電信號(hào)數(shù)字化，輸出第一數(shù)字信號(hào)輸出至處理器；

第二成像透鏡，用于將第二路入射光投影在第二數(shù)字微鏡的表面；

第二數(shù)字微鏡，用于將接收的第二路入射光按加載的測量模式進(jìn)行空間調(diào)制，反射光輸出至第二聚焦透鏡；

第二聚焦透鏡，用于將第二數(shù)字微鏡上的反射光匯聚在第二探測器模塊；

第二探測器模塊，用于將接收的匯聚后的反射光由光信號(hào)換成電信號(hào)，并將電信號(hào)數(shù)字化，輸出第二數(shù)字信號(hào)至處理器；

處理器，用于控制第一數(shù)字微鏡、第二數(shù)字微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)以及第一探測器模塊、第二探測器模塊的數(shù)據(jù)采集，并對第一數(shù)字信號(hào)、第二數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理進(jìn)而優(yōu)化重構(gòu)出目標(biāo)物體圖像。

作為本發(fā)明所述的一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量方法的測量系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化方案，分光鏡與目標(biāo)物體圖像的入射光的光軸成45度角,且確保投影在第一數(shù)字微鏡、第二數(shù)字微鏡上的目標(biāo)物體圖像一致。

作為本發(fā)明所述的一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量方法的測量系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化方案，第一數(shù)字微鏡中所有反射鏡的翻轉(zhuǎn)角度一直都為+12°，且翻轉(zhuǎn)方向都相同；第二數(shù)字微鏡依次加載隨機(jī)二進(jìn)制矩陣的測量模式完成對圖像的壓縮感知測量。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明在傳統(tǒng)壓縮感知成像系統(tǒng)框架下通過分光鏡將物體的圖像信息分為無差異的兩部分，一部分采用傳統(tǒng)的壓縮感知測量方法，另一路用來探測場景在測量過程中的動(dòng)態(tài)變化；

(2)通過檢測測量過程中的場景的動(dòng)態(tài)變化，我們可以根據(jù)該變化情況來處理壓縮感知測量結(jié)果，以消除外界變化對壓縮感知測量造成的干擾，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確的壓縮感知成像。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)的壓縮感知成像系統(tǒng)裝置示意圖。

圖2是測量矩陣加載過程示意圖。

圖3是第二數(shù)字微鏡對物體入射光的調(diào)制示意圖。

圖4是本發(fā)明提出的一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量系統(tǒng)裝置圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示是傳統(tǒng)壓縮感知成像系統(tǒng)裝置示意圖，主要包括了透鏡、dmd、光電探測器(pd)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)。各部分功能如下：

成像透鏡，用于將場景圖像的入射光投影在dmd表面；

聚焦透鏡，用于將dmd上的反射光匯聚至探測器接收面；

dmd，用于將投影在dmd表面的物體圖像的入射光按加載的測量模式進(jìn)行空間調(diào)制；

光電探測器，用于將匯聚后的反射光由光信號(hào)換成電信號(hào)；

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬的電信號(hào)數(shù)字化，并發(fā)送采集值至計(jì)算機(jī)；

計(jì)算機(jī)，作為系統(tǒng)的控制和處理單元，控制了dmd的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)和探測器模塊數(shù)據(jù)采集，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和優(yōu)化重構(gòu)圖像。

如圖1所示的dmd，它是由數(shù)十萬甚至上百萬個(gè)尺寸在微米級(jí)別大小的微反射鏡組成，每個(gè)反射鏡可以獨(dú)立翻轉(zhuǎn)，并通過二進(jìn)制元素(0,1)來調(diào)制反射鏡的翻轉(zhuǎn)情況；初始的反射鏡翻轉(zhuǎn)角度為0度即水平方向，當(dāng)反射鏡的調(diào)制狀態(tài)為‘1’時(shí)，其翻轉(zhuǎn)角度為+12度即將入射光發(fā)射出來到聚焦透鏡，表現(xiàn)為dmd陣列上的白色區(qū)域；當(dāng)反射鏡的調(diào)制狀態(tài)為‘0’時(shí)，翻轉(zhuǎn)角度為-12度即入射光不反射出來，表現(xiàn)為dmd陣列上的黑色區(qū)域。

如圖2所示的測量矩陣加載過程示意圖，我們根據(jù)需求設(shè)計(jì)了測量矩陣φ，它包含了m×n個(gè)元素，m是測量次數(shù)，n是待測量圖像包含的像素個(gè)數(shù)。將測量矩陣的每一行調(diào)整為一個(gè)n×n(n＝n×n)的新矩陣，并依次加載到dmd以實(shí)現(xiàn)所有反射鏡不同的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。

如圖3所示的dmd對物體入射光的調(diào)制示意圖，每一個(gè)加載的測量模式對應(yīng)著dmd相同的狀態(tài)，因此物體入射光投影在dmd陣列的表面會(huì)受到dmd空間上的調(diào)制作用，也就是不同模式的測量。dmd陣列的白色區(qū)域會(huì)將對應(yīng)的物體入射光反射到下一個(gè)接收模塊，即光電探測器(pd)，而黑色區(qū)域吸收對應(yīng)區(qū)域的光強(qiáng)。最后，經(jīng)過dmd調(diào)制后的物體輸出光如圖3右圖所示即圖像的部分光強(qiáng)信息被后續(xù)采集。

如圖1所示的聚焦透鏡將經(jīng)dmd調(diào)制的物體輸出光聚焦在光電探測器(pd)表面，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換過程---光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓值。后續(xù)的數(shù)據(jù)采集電路將模擬的電壓信號(hào)數(shù)字化，并作為當(dāng)前測量模式下的測量值，發(fā)送給計(jì)算機(jī)處理單元。計(jì)算機(jī)利用所有的測量值和已知的測量矩陣優(yōu)化重構(gòu)出場景圖像。

如圖4所示是本發(fā)明提出的一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量系統(tǒng)裝置圖，其特征在于，包括分光鏡、第一成像透鏡、第一數(shù)字微鏡、第一聚焦透鏡、第一探測器模塊、第二成像透鏡、第二數(shù)字微鏡、第二聚焦透鏡、第二探測器模塊和處理器；其中，

分光鏡，用于將目標(biāo)物體圖像的入射光分為兩路：第一路入射光和第二路入射光，且這兩路的圖像信息是一致的；第一路入射光是從分光鏡的表面反射出去，第二路入射光是從分光鏡透射出去；

第一成像透鏡，用于將第一路入射光投影在第一數(shù)字微鏡的表面；

第一數(shù)字微鏡，用于將接收的第一路入射光全部反射至第一聚焦透鏡；

第一聚焦透鏡，用于將第一數(shù)字微鏡上的反射光匯聚在第一探測器模塊；

第一探測器模塊，用于將接收的匯聚后的反射光由光信號(hào)換成電信號(hào)，并將電信號(hào)數(shù)字化，輸出第一數(shù)字信號(hào)輸出至處理器；

第二成像透鏡，用于將第二路入射光投影在第二數(shù)字微鏡的表面；

第二數(shù)字微鏡，用于將接收的第二路入射光按加載的測量模式進(jìn)行空間調(diào)制，反射光輸出至第二聚焦透鏡；

第二聚焦透鏡，用于將第二數(shù)字微鏡上的反射光匯聚在第二探測器模塊；

第二探測器模塊，用于將接收的匯聚后的反射光由光信號(hào)換成電信號(hào)，并將電信號(hào)數(shù)字化，輸出第二數(shù)字信號(hào)至處理器；

處理器，用于控制第一數(shù)字微鏡、第二數(shù)字微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)以及第一探測器模塊、第二探測器模塊的數(shù)據(jù)采集，并對第一數(shù)字信號(hào)、第二數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理進(jìn)而優(yōu)化重構(gòu)出目標(biāo)物體圖像。

下面對本發(fā)明中的測量系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)作更進(jìn)一步說明：

在這個(gè)系統(tǒng)中第一成像透鏡、第二成像透鏡、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡完全一致，無任何光學(xué)性能差異。第一數(shù)字微鏡與第二數(shù)字微鏡具有相同的型號(hào)。第一探測器模塊和第二探測器模塊也是相同的。第一探測器模塊、第二探測器模塊均為光電探測器，處理器為計(jì)算機(jī)。

在目標(biāo)物體入射光光軸方向放置一個(gè)分光鏡，分光鏡與光軸成45°角，這樣可以使目標(biāo)物體的圖像信息分為兩部分：一部分從分光鏡透射出去，另一部分從分光鏡表面反射出去，但這兩部分圖像信息是一致的。透射的圖像信息采用傳統(tǒng)的壓縮感知成像方法進(jìn)行測量，而反射的圖像信息僅需要對圖像進(jìn)行全局測量，即測量圖像總光強(qiáng)。對于反射的圖像信息，經(jīng)過成像透鏡1投影在第一數(shù)字微鏡的表面。因?yàn)榈谝粩?shù)字微鏡加載的矩陣元素全為“1”，則所有反射鏡的翻轉(zhuǎn)角度都為+12°，翻轉(zhuǎn)方向相同，從而第一數(shù)字微鏡的陣列可看作一個(gè)獨(dú)立的平面(在效果上等同于反射鏡)，且在后續(xù)測量過程反射鏡的狀態(tài)不發(fā)生改變。因此，經(jīng)過聚焦透鏡1匯聚在第一探測器模塊表面的光強(qiáng)是圖像的總光強(qiáng)，后續(xù)的電路完成對該總光強(qiáng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集以及發(fā)送任務(wù)。對于透射的圖像信息，同樣經(jīng)過成像透鏡2投影在第二數(shù)字微鏡，而為第二數(shù)字微鏡依次加載隨機(jī)二進(jìn)制矩陣的測量模式完成對圖像的壓縮感知測量。對第二數(shù)字微鏡反射的部分圖像光強(qiáng)由第二聚焦透鏡匯聚到第二探測器模塊出，后續(xù)的數(shù)據(jù)采集電路完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。對透射的圖像信息和反射的圖像信息的測量是同步的，對應(yīng)了后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。在m次測量后，我們可以在透射端光路中獲得一個(gè)壓縮感知測量值向量y，在反射端光路中獲得總光強(qiáng)測量值向量y'，如式1所示。

由于y'是對目標(biāo)物體圖像總光強(qiáng)測量結(jié)果，它反映了外界光照改變對目標(biāo)物體圖像的影響；y則是目標(biāo)物體圖像因光照變化而發(fā)生改變情況下的壓縮感知測量結(jié)果。首先，利用目標(biāo)物體圖像的總光強(qiáng)y'，通過最小二乘法計(jì)算得到一個(gè)常量i，也就是找到一個(gè)常數(shù)i使得所有壓縮感知測量值的殘差平和最小。如式2所示，q為殘差平方和，ei為殘差，y'i為第i次壓縮感知測量結(jié)果。

我們將i作為假設(shè)情形下圖像不受光照影響時(shí)的圖像總光強(qiáng)度。因此，將y'轉(zhuǎn)換到i僅需要乘以一個(gè)系數(shù)矩陣a，如式3所示?！?是點(diǎn)乘符號(hào)，表示矩陣對應(yīng)位置元素相乘。

y＝y(tǒng).*a(4)

利用系數(shù)矩陣a將壓縮感知測量值向量y進(jìn)行處理得到新的測量值向量y，如式4所示。壓縮感知成像測量過程和測量值變換均是線性測量，y的線性變換可以消除測量過程中目標(biāo)物體圖像的差異。最后，利用壓縮感知優(yōu)化算法處理新的測量值向量y得到重構(gòu)圖像。

本發(fā)明提出的一種動(dòng)態(tài)場景下的壓縮感知測量系統(tǒng)及方法，在測量系統(tǒng)中增加了測量目標(biāo)物體圖像總光強(qiáng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以對目標(biāo)物體圖像進(jìn)行壓縮感知測量的同時(shí)感知目標(biāo)物體圖像總光強(qiáng)變化情況。根據(jù)對目標(biāo)物體圖像的總光強(qiáng)測量結(jié)果，可以確定一個(gè)目標(biāo)物體圖像的總光強(qiáng)常量，從而消除壓縮感知測量過程的差異，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確的壓縮感知成像。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替代，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。