本發(fā)明屬于圖像信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于壓縮感知的高光譜圖像采集成像系統(tǒng)與控制方法，可用于遙感領(lǐng)域的高光譜圖像獲取。

背景技術(shù)：

高光譜成像是一種新興的技術(shù)，也稱(chēng)為成像光譜儀，它能獲取大量的窄帶連續(xù)光譜圖像，能利用很多很窄的電磁波波段從感興趣的物體中獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息。相對(duì)于傳統(tǒng)的彩色圖像(3個(gè)光譜帶，分別覆蓋紅色，綠色和藍(lán)色波段)，以及傳統(tǒng)的多光譜圖像(通常為幾個(gè)光譜帶)，高光譜數(shù)據(jù)具有波段多、光譜分辨率高、數(shù)據(jù)量大、圖譜合一等顯著特點(diǎn)，其電磁頻譜從可見(jiàn)光延伸到紅外光區(qū)域。高光譜圖像立方體(由光譜成像儀獲得的空間域和光譜域數(shù)據(jù))提供了大量非常細(xì)致的光譜表征，有利于被檢對(duì)象的分類(lèi)、檢測(cè)和表征。與此同時(shí)，在數(shù)據(jù)獲取、傳輸、分析等過(guò)程中數(shù)據(jù)量的大幅增加也對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集壓縮等技術(shù)提出挑戰(zhàn)。

為了方便高光譜圖像立方體的采樣、傳輸和恢復(fù)，在不影響圖像性能前提下，我們通常采用各種圖像壓縮辦法，剔除大量冗余而保留關(guān)鍵信息，以盡量減少傳輸數(shù)據(jù)量。由此，我們可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的信息采集理論，一方面以高于信號(hào)2倍最高頻率進(jìn)行大量采樣，另一方面又通過(guò)壓縮算法剔除冗余信息。從這個(gè)意義上講，信號(hào)壓縮是一種嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。因?yàn)榇罅康娜哂鄶?shù)據(jù)在壓縮過(guò)程中被丟棄。那么，是否存在一種采樣理論，使得采樣數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)奈奎斯特采樣理論所需要的數(shù)據(jù)量，即信號(hào)在采樣的同時(shí)就得到壓縮。2006年d.donoho、e.candes等提出的基于信號(hào)稀疏性的壓縮感知理論(compressivesensing，cs)，成功實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采樣與壓縮的同時(shí)進(jìn)行。

壓縮感知理論的基本思想是信號(hào)在某個(gè)變換域滿(mǎn)足稀疏性情況下，利用一個(gè)與變換基不相關(guān)的矩陣對(duì)高維信號(hào)進(jìn)行采樣，得到采樣數(shù)據(jù)后通過(guò)求解一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題就可以重構(gòu)原始信號(hào)。該過(guò)程簡(jiǎn)要描述如下：

式(1)是對(duì)原始信號(hào)x進(jìn)行稀疏表示的。其中ψ是規(guī)范正交矩陣，s是原始信號(hào)在變換域的稀疏表示系數(shù)矩陣。

壓縮感知的低采樣是通過(guò)構(gòu)造非相關(guān)的觀測(cè)矩陣φ來(lái)實(shí)現(xiàn)，如式(2)所示。其中φ的大小是m×n,m＜＜n。

y＝φx＝φψs(2)

壓縮感知的重構(gòu)是通過(guò)求解式(3)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)壓縮感知理論，2006年美國(guó)rice大學(xué)最先基于壓縮感知理論設(shè)計(jì)了單像素相機(jī)作為采集系統(tǒng)。它是以dmd作為壓縮感知的采樣端，以光敏二極管為接收端的成像系統(tǒng)。單像素相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是只需要一個(gè)光電探測(cè)器，信號(hào)處理電路簡(jiǎn)單，但是所需的測(cè)量次數(shù)較多，導(dǎo)致采樣時(shí)間增加。mit的fergus等提出了隨機(jī)鏡頭相機(jī)模型，該相機(jī)鏡頭采用隨機(jī)反射鏡面，隨機(jī)反射鏡通過(guò)測(cè)量矩陣控制。該相機(jī)具有超分辨率和深度估計(jì)能力，但相機(jī)的鏡頭校準(zhǔn)復(fù)雜耗時(shí)，成像速度低。

在遙感領(lǐng)域，m.e.gehm等最先將壓縮傳感理論和光譜成像進(jìn)行結(jié)合，受編碼孔徑光譜儀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出編碼孔徑光譜成像系統(tǒng)。美國(guó)杜克大學(xué)研發(fā)的多光譜成像系統(tǒng)cassi，利用色散介質(zhì)和編碼孔徑的組合，通過(guò)色散介質(zhì)的調(diào)制和編碼孔徑進(jìn)行壓縮采樣。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。另外，一旦掩模制作完成，其編碼模式也就無(wú)法改變了。因此設(shè)計(jì)靈活、快速和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的前端圖像采集系統(tǒng)就變得尤為關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于上述技術(shù)問(wèn)題，提出了一種新的基于壓縮感知的高光譜圖像采集成像系統(tǒng)與控制方法。目的主要在于解決高光譜數(shù)據(jù)采集引起的傳輸壓力和大量冗余信息導(dǎo)致的資源浪費(fèi)等問(wèn)題。首先通過(guò)dmd對(duì)圖像信息進(jìn)行壓縮采樣，其次通過(guò)lctf控制可透過(guò)光波長(zhǎng)和光譜分辨率，然后通過(guò)ccd獲取光強(qiáng)信息，最后通過(guò)模擬加法器和adc轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)處理，并把處理后的數(shù)字量保存于存儲(chǔ)器。

基于壓縮感知的高光譜圖像采集系統(tǒng)：

本發(fā)明分為光路成像部分和電路控制部分。光路成像部分包括第一透鏡、dmd、lctf、第二透鏡和面陣ccd。

第一透鏡一側(cè)設(shè)有dmd，將成像目標(biāo)聚焦投影至dmd上；dmd對(duì)圖像信息進(jìn)行隨機(jī)采樣后反射至lctf；反射到lctf的光通過(guò)lctf調(diào)節(jié)，使對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光可通過(guò)。第二透鏡位于lctf的出射光路上；第二透鏡將dmd面成像到面陣ccd上。即成像目標(biāo)與dmd互為共軛面，dmd與ccd互為共軛面。

電路控制部分包括隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、fpga控制器、dmd、lctf、面陣ccd、ccd驅(qū)動(dòng)電路、模擬加法器、adc轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器。

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的信號(hào)輸出端與fpga控制器的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的信號(hào)輸入端連接，fpga控制器的ccd驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與ccd驅(qū)動(dòng)電路連接，fpga控制器的ccd控制信號(hào)輸出端與面陣ccd的控制信號(hào)輸入端連接，fpga控制器的lctf控制信號(hào)輸出端與lctf的控制信號(hào)輸入端連接，fpga控制器的dmd控制信號(hào)輸出端與dmd的控制信號(hào)輸入端連接，ccd驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與面陣ccd的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端連接，fpga控制器的模擬加法器控制信號(hào)輸出端、adc轉(zhuǎn)換器控制信號(hào)輸出端、存儲(chǔ)器控制信號(hào)輸出端依次與模擬加法器信號(hào)輸入端、adc轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入端、存儲(chǔ)器信號(hào)輸入端連接；面陣ccd的圖像模擬信號(hào)輸出端與模擬加法器的圖像模擬信號(hào)輸入端連接，模擬加法器信號(hào)輸出端與adc轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入端連接，adc轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸出端與存儲(chǔ)器的信號(hào)輸入端連接。

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的作用在于，產(chǎn)生大小為m×n的觀測(cè)矩陣φ，其中φ為二進(jìn)制0-1隨機(jī)矩陣。

fpga控制器的作用在于，產(chǎn)生dmd控制信號(hào)、lctf控制信號(hào)、ccd垂直時(shí)鐘信號(hào)、模擬加法器控制信號(hào)、adc轉(zhuǎn)換控制信號(hào)；

dmd的作用在于，對(duì)圖像信息進(jìn)行壓縮采樣。fpga控制器根據(jù)觀測(cè)矩陣φ對(duì)dmd上的微鏡鏡片轉(zhuǎn)向方向進(jìn)行控制，使dmd滿(mǎn)足觀測(cè)矩陣的要求。按照φ相應(yīng)元素值的大小設(shè)定dmd內(nèi)部鏡片的角度，當(dāng)φ中相應(yīng)的元素值為1時(shí)，將dmd中對(duì)應(yīng)位置的鏡片偏轉(zhuǎn)+12°；當(dāng)φ中相應(yīng)的元素為0時(shí)，將dmd中對(duì)應(yīng)位置的鏡片偏轉(zhuǎn)-12°。dmd內(nèi)部偏轉(zhuǎn)角度為-12°的鏡片將其上的入射光反射到吸收平面進(jìn)行入射光吸收，dmd內(nèi)部偏轉(zhuǎn)角度為+12°的鏡片將其上的入射光反射至lctf上，得到隨機(jī)采樣的光信號(hào)。

lctf的作用在于，控制可透過(guò)光波長(zhǎng)和光譜分辨率，只允許對(duì)應(yīng)某個(gè)波長(zhǎng)的光通過(guò)。通過(guò)fpga控制器對(duì)lctf的可透過(guò)光波長(zhǎng)進(jìn)行控制，使面陣ccd每次獲取的數(shù)據(jù)為單個(gè)光波長(zhǎng)的圖像信息。

面陣ccd的作用在于，其上的敏感單元通過(guò)感知目標(biāo)物體反射回來(lái)的光強(qiáng)信息，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

ccd驅(qū)動(dòng)電路的作用在于，將ccd垂直時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行緩沖和驅(qū)動(dòng)；

模擬加法器的作用在于，控制模擬像素完成壓縮計(jì)算；

adc轉(zhuǎn)換器的作用在于，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，保存于存儲(chǔ)器。

存儲(chǔ)器的作用在于，存儲(chǔ)adc轉(zhuǎn)換后的圖像信息。

dmd為數(shù)字微鏡器件，lctf為液晶可調(diào)諧濾波器，ccd為面陣電荷耦合器件，adc轉(zhuǎn)換器為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。

本發(fā)明還提供了一種基于壓縮感知的高光譜圖像采集的控制方法，通過(guò)下面的控制方法，可以實(shí)現(xiàn)高光譜圖像空間壓縮的功能。步驟如下：

步驟一：設(shè)定光譜采樣間隔為δ、測(cè)定波段數(shù)為z以及單波長(zhǎng)圖像大小為n×n；令j表示當(dāng)前波段序號(hào)，初始化j為1；

步驟二：通過(guò)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)m×n的二進(jìn)制0-1隨機(jī)矩陣，其中m＜＜n；啟動(dòng)fpga控制器讀取隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的φ矩陣；令i為1，其中i表示當(dāng)前壓縮測(cè)量次數(shù)；

步驟三：通過(guò)fpga產(chǎn)生控制dmd每行鏡片翻轉(zhuǎn)角度的周期時(shí)序信號(hào)，使dmd上的內(nèi)部鏡片按照隨機(jī)矩陣的第j行0-1排布進(jìn)行翻轉(zhuǎn)；

步驟四：通過(guò)fpga控制lctf，只允許單個(gè)波長(zhǎng)的光可以通過(guò)；

步驟五：通過(guò)面陣ccd獲取每行的模擬像素，并由模擬加法器對(duì)每行模擬像素值求和，得到n個(gè)觀測(cè)值，其中每行一個(gè)觀測(cè)值，共n行；

步驟六：通過(guò)adc轉(zhuǎn)換器將模擬像素值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，保存于存儲(chǔ)器。

步驟七：若i＜m，i增1，返回步驟三繼續(xù)執(zhí)行；否則j增1，若j≤z返回步驟二繼續(xù)執(zhí)行，否則停止循環(huán)。

所要采集的高光譜圖像為n×n×z的數(shù)據(jù)立方體，由于本發(fā)明是基于壓縮感知理論進(jìn)行圖像采集，故最終采集到的數(shù)據(jù)為n×m×z的數(shù)據(jù)立方體，壓縮比為m/n。后續(xù)利用壓縮感知重構(gòu)算法(如正交匹配追蹤算法、梯度投影算法)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，便可以得到n×n×z的數(shù)據(jù)立方體。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采樣與壓縮的同時(shí)進(jìn)行，使采樣數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)奈奎斯特采樣理論所需要的數(shù)據(jù)量。較好地解決了高光譜數(shù)據(jù)采集引起的傳輸壓力和大量冗余信息導(dǎo)致的資源浪費(fèi)等問(wèn)題。

2)與現(xiàn)有技術(shù)相比，不僅具有采用壓縮感知成像系統(tǒng)的通用性、加密性等，而且相比于美國(guó)rice大學(xué)的單像素相機(jī)，該結(jié)構(gòu)利用面陣ccd作為探測(cè)器，能夠有效縮短測(cè)量值的獲取時(shí)間。相比于美國(guó)杜克大學(xué)的壓縮感知多光譜成像器cassi，該結(jié)構(gòu)采用fpga控制器調(diào)節(jié)dmd的翻轉(zhuǎn)方式，較編碼孔徑的壓縮采樣更靈活，并且容易實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1是高光譜圖像采集的光路成像系統(tǒng)原理圖；

圖2是高光譜圖像采集的電路控制系統(tǒng)原理圖；

圖3是隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機(jī)矩陣示意圖；

圖4是空間域壓縮采樣的dmd翻轉(zhuǎn)方式示意圖；

圖5是高光譜圖像壓縮采樣流程圖。

具體實(shí)施方式

圖1是本發(fā)明的基于壓縮感知的高光譜圖像采集的光路成像系統(tǒng)原理圖，該成像系統(tǒng)包括：第一透鏡、dmd、lctf、第二透鏡和面陣ccd；

第一透鏡1一側(cè)有dmd2，將成像目標(biāo)0聚焦投影至dmd上；dmd對(duì)圖像信息進(jìn)行隨機(jī)采樣后反射至lctf3；反射到lctf的光通過(guò)lctf調(diào)節(jié)，使對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光可通過(guò)。第二透鏡4位于lctf的出射光路上；第二透鏡4將dmd面成像至面陣ccd上。即成像目標(biāo)0所在平面與dmd2面互為共軛面，dmd2面與ccd5面也互為共軛面。圖1中用星號(hào)表示互為共軛面的平面。

圖2是本發(fā)明的基于壓縮感知的高光譜圖像采集的電路控制系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)包括：電路控制部分包括隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、fpga控制器、dmd、lctf、面陣ccd、ccd驅(qū)動(dòng)電路、模擬加法器、adc轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器；

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的信號(hào)輸出端與fpga控制器的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的信號(hào)輸入端連接，fpga控制器的ccd驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與ccd驅(qū)動(dòng)電路連接，fpga控制器的ccd控制信號(hào)輸出端與面陣ccd的控制信號(hào)輸入端連接，fpga控制器的lctf控制信號(hào)輸出端與lctf的控制信號(hào)輸入端連接，fpga控制器的dmd控制信號(hào)輸出端與dmd的控制信號(hào)輸入端連接，ccd驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與面陣ccd的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端連接，fpga控制器的模擬加法器控制信號(hào)輸出端、adc轉(zhuǎn)換器控制信號(hào)輸出端、存儲(chǔ)器控制信號(hào)輸出端依次與模擬加法器信號(hào)輸入端、adc轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入端、存儲(chǔ)器信號(hào)輸入端連接；面陣ccd的圖像模擬信號(hào)輸出端與模擬加法器的圖像模擬信號(hào)輸入端連接，模擬加法器信號(hào)輸出端與adc轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入端連接，adc轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸出端與存儲(chǔ)器的信號(hào)輸入端連接。

其中隨機(jī)數(shù)發(fā)生器用于產(chǎn)生大小為m×n的觀測(cè)矩陣φ。fpga控制器用于產(chǎn)生dmd控制信號(hào)、lctf控制信號(hào)、ccd垂直時(shí)鐘信號(hào)、模擬加法器控制信號(hào)、adc轉(zhuǎn)換控制信號(hào)；dmd用于對(duì)圖像信息進(jìn)行壓縮采樣。fpga控制器根據(jù)觀測(cè)矩陣φ對(duì)dmd上的微鏡鏡片轉(zhuǎn)向方向進(jìn)行控制，使dmd滿(mǎn)足測(cè)量矩陣的要求。lctf用于控制可透過(guò)光波長(zhǎng)和光譜分辨率。通過(guò)fpga控制器對(duì)lctf的透過(guò)光波長(zhǎng)進(jìn)行控制，使面陣ccd每次獲取的數(shù)據(jù)為單個(gè)波長(zhǎng)的圖像信息。面陣ccd用于捕獲圖像信息。其上的敏感單元通過(guò)感知目標(biāo)物體反射回來(lái)的光強(qiáng)信息，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。ccd驅(qū)動(dòng)電路用于將ccd垂直時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行緩沖和驅(qū)動(dòng)；模擬加法器用于控制模擬像素完成壓縮計(jì)算；adc轉(zhuǎn)換器用于將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，保存于存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)adc轉(zhuǎn)換后的圖像信息。

圖3是隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機(jī)矩陣示意圖。圖4是空間域壓縮采樣的dmd翻轉(zhuǎn)方式示意圖。圖5是高光譜圖像壓縮采樣流程圖。下面將結(jié)合圖3、圖4、圖5，對(duì)壓縮采樣步驟作進(jìn)一步描述。

步驟一：設(shè)定光譜采樣間隔δ(波段寬)為5nm，測(cè)定范圍為350nm～1050nm，波段數(shù)z為140，單波長(zhǎng)圖像大小為1024×1024；令j表示波段序號(hào)，初始化j為1；

步驟二：由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)256×1024的二進(jìn)制0-1隨機(jī)矩陣。假設(shè)生成的隨機(jī)矩陣如圖3中的φ矩陣。啟動(dòng)fpga控制器讀取隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的φ矩陣；令i為1，其中i表示當(dāng)前壓縮測(cè)量次數(shù)；

步驟三：通過(guò)fpga產(chǎn)生控制dmd每行鏡片翻轉(zhuǎn)角度的周期時(shí)序信號(hào)，使dmd上的每行鏡片按照φ矩陣的第一行0-1分布進(jìn)行翻轉(zhuǎn)(如圖4中dmd陣列的第一次翻轉(zhuǎn))；

步驟四：令波長(zhǎng)λ＝(350+5*j)nm。通過(guò)fpga控制lctf，只允許波長(zhǎng)為λ的光可以通過(guò)；

步驟五：fpga控制器產(chǎn)生讀取ccd圖像傳感器像素的周期時(shí)序信號(hào)，則ccd圖像傳感器開(kāi)始串行輸出模擬像素；通過(guò)模擬加法器，實(shí)現(xiàn)每行模擬像素值求和，得到1024個(gè)觀測(cè)值(每行一個(gè)觀測(cè)值，共1024行)；

步驟六：通過(guò)adc轉(zhuǎn)換器將模擬像素值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，保存于存儲(chǔ)器。

步驟七：若i＜256，i增1，返回步驟三繼續(xù)執(zhí)行；否則j增1，若j≤140返回步驟二繼續(xù)執(zhí)行，否則停止循環(huán)。

所要采集的高光譜圖像為1024×1024×140的數(shù)據(jù)立方體，由于本發(fā)明是基于壓縮感知理論進(jìn)行圖像采集，故最終采集到的數(shù)據(jù)為1024×256×140的數(shù)據(jù)立方體，壓縮比為1/4。后續(xù)利用壓縮感知重構(gòu)算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，便可以得到1024×1024×140的數(shù)據(jù)立方體。