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CN110213467B - 一种多尺度调制压缩感知成像系统及其成像方法 - Google Patents

一种多尺度调制压缩感知成像系统及其成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多尺度调制压缩感知成像系统，所述系统包括光学单元(I)和电学单元(II)；光学单元(I)包括成像镜头(1)、多尺度相位调制部件(2)、强度调制部件(3)；电学单元(II)包括阵列探测器(4)、控制模块(5)和存储计算模块(6)；成像镜头(1)将待成像目标成像到阵列探测器(4)上；多尺度相位调制部件(2)对光信号进行相位调制，强度调制部件(3)对光信号进行强度调制；阵列探测器(4)将光强度分布发送到存储计算模块(6)；存储计算模块(6)计算阵列探测器(4)发送的光强度分布与待成像目标图像的对应关系，利用压缩感知算法进行图像重建，获得待成像目标的重建图像。

Description

一种多尺度调制压缩感知成像系统及其成像方法
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及一种多尺度调制压缩感知成像系统及其成像方法。
背景技术
压缩感知成像是一种计算成像方式，其理论基础为数学上提出的压缩感知采样理论。2004年Candès,Donoho和Tao等数学家提出压缩感知采样理论，指出可以对信号进行一系列线性采样，再通过最优化算法精确恢复出原始信号。并且压缩感知采样具有亚采样能力，即测量次数可以少于信号数量。2008年Baraniuk等人实现了压缩感知成像，通过对目标图像进行随机空间调制，再利用点探测器对调制图像的总强度进行压缩感知重建，便可以获得目标图像。压缩感知成像的主要优点在于能够利用单点探测器即可实现二维成像，减小了成像系统对探测器的要求。这一优势在单光子成像、THz成像等探测器规模受制约的领域具有重要意义，因此近年来压缩感知成像得到广泛的研究。
然而，压缩感知成像在降低探测器要求的同时，也带来了增加采样时间的问题。传统的压缩感知成像利用单点探测器测量，但需要对目标进行多次随机调制及对应测量，与普通光学成像相比成像时间大大增加，降低了压缩感知成像的实际应用价值。为解决压缩感知成像速度问题，有研究人员提出了单次曝光压缩感知成像的方案，通过在普通成像系统中加入随机相位调制，使目标图像与探测器像素间形成一定的线性关系，利用小规模阵列探测器进行单次曝光采样，再通过压缩感知重建恢复出高分辨率图像。单次曝光成像仅需要一次采样，解决了传统压缩感知成像速度慢的问题，并且利用低分辨率探测器重建高分辨率图像，一定程度上保持了压缩感知成像降低对探测器要求的优势，因此具有重要的应用价值。
现有的单次曝光压缩感知成像系统中，仅对图像进行相位调制，没有进行强度调制，并且相位调制在整个调制平面内具有相同的统计特征，现有研究表明，这种模式下的单次曝光压缩感知成像在成像质量上有所欠缺，无法达到应用要求。由于压缩感知重建的效果与调制矩阵密切相关，因此，对相位调制进行优化设计，并与强度调制相结合，有望改善调制矩阵性能，提高单次曝光压缩感知成像质量。
综上所述，目前在单次曝光压缩感知成像方面存在成像质量上的不足，亟需研究新型的单次曝光压缩感知成像系统及成像方法，提高压缩感知成像性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的单次曝光压缩感知成像系统在成像质量上的不足，从而提供一种成像质量更高的多尺度调制单次曝光压缩感知成像及其成像方法。
为了实现上述目的，本发明提出了一种多尺度调制压缩感知成像系统，所述系统包括光学单元和电学单元；所述光学单元包括成像镜头、多尺度相位调制部件、强度调制部件；所述电学单元包括阵列探测器、控制模块以及存储计算模块；
所述成像镜头将待成像目标成像到阵列探测器上；在光信号传输到阵列探测器过程中，所述多尺度相位调制部件对光信号进行相位调制，所述强度调制部件对光信号进行强度调制；所述阵列探测器将光强度分布发送到存储计算模块；所述存储计算模块利用相位调制矩阵和强度调制矩阵计算光强度分布与待成像目标图像的对应关系，利用压缩感知算法进行图像重建，获得待成像目标的重建图像；
所述控制模块用于向多尺度相位调制部件和强度调制部件分别发送相位调制矩阵和强度调制矩阵，使所述多尺度相位调制部件和强度调制部件按照预定方式进行光信号调节，并将发出的相位调制矩阵和强度调制矩阵传输至所述存储计算模块。
作为上述系统的一种改进，所述成像镜头为望远镜头、显微镜头、单个透镜或透镜组。
作为上述系统的一种改进，所述多尺度相位调制部件采用液晶空间光调制器或毛玻璃在内的具有光相位调节能力的器件。
作为上述系统的一种改进，所述多尺度相位调制部件位于成像镜头表面或成像镜头的焦平面上。
作为上述系统的一种改进，所述强度调制部件采用液晶空间光调制器、微反射镜阵列或掩膜板在内的具有光强度调节能力的器件。
作为上述系统的一种改进，所述强度调制部件位于阵列探测器表面。
作为上述系统的一种改进，所述阵列探测器为电荷耦合器件、增强型电荷耦合器件、电子倍增电荷耦合器件或光电二极管阵列。
作为上述系统的一种改进，所述相位调制矩阵的多个不同区域具有不同的统计分布，或具有不同的相干长度；所述区域根据矩阵元素与矩阵中心距离的不同进行划分得到。
作为上述系统的一种改进，所述强度调制矩阵具有下列任意一种统计分布性质：0-1伯努利分布，±1伯努利分布，均匀分布，高斯分布或泊松分布。
作为上述系统的一种改进，所述压缩感知算法为：匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、非定域TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l0重建算法、l1重建算法或l2重建算法。
本发明还提供了一种多尺度调制压缩感知成像方法，基于上述的多尺度调制压缩感知成像系统实现，包括：
步骤1)相位调制和强度调制的步骤：
所述控制模块向多尺度相位调制部件和强度调制部件分别发送相位调制矩阵和强度调制矩阵，以实现预定的相位调制和强度调制方式；并将发出的相位调制矩阵和强度调制矩阵传输至所述存储计算模块；
步骤2)光信号获取的步骤：
所述成像镜头将待成像目标成像到所述阵列探测器上；在光信号传输到所述阵列探测器过程中，所述多尺度相位调制部件根据相位调制矩阵对光信号进行相位调制，所述强度调制部件根据强度调制矩阵对光信号进行强度调制；所述阵列探测器将光强度分布发送到存储计算模块；
步骤3)压缩感知图像恢复的步骤；
所述存储计算模块计算成像目标每一像素点通过相位调制后在强度调制部件平面上的强度分布，将该强度分布与强度调制矩阵进行矩阵点乘，得到成像目标每一像素点与阵列探测器记录的光强度分布之间的对应关系，利用压缩感知算法进行图像重建，获得待成像目标的重建图像。
本发明的优点在于：
1、本发明综合使用相位调制和强度调制方法实现单次曝光压缩感知成像，与现有单次曝光压缩感知成像仅使用相位调制相比，能够提高成像质量，解决现有单次曝光压缩感知成像质量差的问题；
2、本发明在相位调制中采用多尺度相位调制，与现有技术使用单一尺度相位调制相比，能够提高成像质量，解决现有单次曝光压缩感知成像质量差的问题；
3、本发现中的多尺度调制压缩感知成像系统可以实现以低分辨率探测器实现高分辨率成像，因此在单光子成像、红外成像、THz成像领域具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明的多尺度调制压缩感知成像系统的结构示意图；
图2是本发明中多尺度相位调制的示意图；其中，R1,R2,R3,R4为根据相位调制矩阵中各元素与矩阵中心距离不同而划分的不同区域。
附图标识：
I光学单元
1、成像镜头 2、多尺度相位调制部件
3、强度调制部件
II电学单元
4、阵列探测器 5、控制模块
6、存储计算模块
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明的多尺度调制压缩感知成像系统利用了压缩感知(Compressive Sensing，简称CS)原理，所述的压缩感知原理是由Donoho、Tao和Candès等人提出的一个全新数学理论。按照压缩感知，通过对信号进行随机采样的方式，可以利用远低于奈奎斯特/香农采样定理要求的采样数实现对信号信息的采样，并通过数学算法完美地恢复原始信号，且具有很高的鲁棒性。压缩感知主要分为三步骤：压缩采样、稀疏变换与算法重建；其中，压缩采样，是指以少于信号数量的测量数对信号进行采样的过程y＝Ax，其中x为待测信号，A为测量矩阵，y为测量值。同时对信号的线性随机采样可以对探测维度进行压缩，只需要低于原始信号维度探测器即可获取信号的线性叠加信息。所述的稀疏变换是选取适当的稀疏基Ψ，使得x经Ψ作用所得值x’是稀疏的，即x在Ψ框架下可稀疏表达；所述的算法重建是在已知测量值y、测量矩阵A和稀疏基Ψ的条件下求解y＝AΨx'+e的过程，最后再由
Figure BDA0002073349650000041
反演出x。
实施例1
参考图1，本发明的实施例1提供了一种多尺度调制压缩感知成像系统，该系统包括光学单元I和电学单元II；其中，光学单元I包括成像镜头1、多尺度相位调制部件2、强度调制部件3；电学单元II包括阵列探测器4、控制模块5以及存储计算模块6。
成像镜头1将待成像目标成像到阵列探测器4上；在光信号传输到阵列探测器4过程中，多尺度相位调制部件2对光信号进行相位调制，强度调制部件3对光信号进行强度调制；阵列探测器4将光强度空间分布发送至存储计算模块6；存储计算模块6负责存储控制模块5发送的相位调制矩阵和强度调制矩阵，以及阵列探测器4记录的光强度空间分布，并利用压缩感知算法进行图像重建，获得待成像目标的重建图像；所述控制模块5用于向多尺度相位调制部件2和强度调制部件3分别发送相位调制矩阵和强度调制矩阵，使所述多尺度相位调制部件2和强度调制部件3按照预定方式进行光信号调节，并将发出的相位调制矩阵和强度调制矩阵传输至所述存储计算模块6。
以上是对本发明的多尺度调制压缩感知成像系统的总体结构的描述，下面对多尺度调制压缩感知成像系统中各个部件的具体实现做进一步的描述。
成像镜头1由望远镜头、显微镜头、单个透镜或透镜组实现。
多尺度相位调制部件2采用包括液晶空间光调制器、毛玻璃在内的具有光相位调节能力的器件实现。
多尺度相位调制部件2位于成像镜头1表面或成像镜头1的焦平面。
强度调制部件3采用包括液晶空间光调制器、微反射镜阵列、掩膜板在内的具有光强度调节能力的器件实现。
强度调制部件3位于阵列探测器4表面。
阵列探测器4由电荷耦合器件、增强型电荷耦合器件、电子倍增电荷耦合器件或光电二极管阵列实现。
控制模块5向多尺度相位调制部件2和强度调制部件3发出调制矩阵的指令，确保多尺度相位调制部件2和强度调制部件3按照预定方式进行光信号调节，并将发出的相位调制矩阵和强度调制矩阵传输至存储计算模块。
控制模块5向多尺度相位调制部件2发出的相位调制矩阵具有多尺度特征，如图2所示，相位调制矩阵根据与矩阵中心的距离不同分为多个区域，图中以4区域为例，实际应用中可分为≥2的任意数量区域。不同区域的相位调制矩阵具有不同的统计分布，或具有不同的相干长度。
控制模块5向强度调制部件3发出的强度调制矩阵为具有下列任意一种统计分布性质：0-1伯努利分布，±1伯努利分布，均匀分布，高斯分布，泊松分布。
利用存储计算模块6存储的相位调制矩阵和强度调制矩阵，以及阵列探测器4记录的光强度空间分布，并采用下列算法中的任意一种实现压缩感知重建：匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、非定域TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l0重建算法、l1重建算法、l2重建算法。
实施例2
以上是对本发明的多尺度调制压缩感知成像系统的结构说明。下面对该多尺度调制压缩感知成像系统的工作过程进行描述。
本发明的实施例2提供了一种多尺度调制压缩感知成像方法，该方法包括：
步骤1)相位调制和强度调制的步骤：
控制模块5向多尺度相位调制部件2和强度调制部件3分别发送相位调制矩阵和强度调制矩阵，以实现预定的相位调制和强度调制方式；并将发出的相位调制矩阵和强度调制矩阵传输至所述存储计算模块6；
步骤2)光信号获取的步骤：
成像镜头1将待成像目标成像到阵列探测器4上；在光信号传输到阵列探测器4过程中，多尺度相位调制部件2对光信号进行相位调制，强度调制部件3对光信号进行强度调制；
步骤3)压缩感知图像恢复的步骤；
存储计算模块6通过傅里叶光学方法计算成像目标每一像素点通过相位调制后在强度调制部件3平面上的强度分布，将该强度分布与强度调制矩阵进行矩阵点乘，得到成像目标每一像素点与阵列探测器4记录的光强度分布之间的对应关系，利用压缩感知算法进行图像重建，获得待成像目标的重建图像。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种多尺度调制压缩感知成像系统，其特征在于，所述系统包括光学单元(I)和电学单元(II)；所述光学单元(I)包括成像镜头(1)、多尺度相位调制部件(2)、强度调制部件(3)；所述电学单元(II)包括阵列探测器(4)、控制模块(5)以及存储计算模块(6)；
所述成像镜头(1)将待成像目标成像到阵列探测器(4)上；在光信号传输到阵列探测器(4)过程中，所述多尺度相位调制部件(2)对光信号进行相位调制，所述强度调制部件(3)对光信号进行强度调制；所述阵列探测器(4)将光强度分布发送到存储计算模块(6)；所述存储计算模块(6)利用相位调制矩阵和强度调制矩阵计算光强度分布与待成像目标图像的对应关系，利用压缩感知算法进行图像重建，获得待成像目标的重建图像；
所述控制模块(5)用于向多尺度相位调制部件(2)和强度调制部件(3)分别发送相位调制矩阵和强度调制矩阵，使所述多尺度相位调制部件(2)和强度调制部件(3)按照预定方式进行光信号调节，并将发出的相位调制矩阵和强度调制矩阵传输至所述存储计算模块(6)；
所述相位调制矩阵的多个不同区域具有不同的统计分布，或具有不同的相干长度；所述区域根据矩阵元素与矩阵中心距离的不同进行划分得到。
2.根据权利要求1所述的多尺度调制压缩感知成像系统，其特征在于，所述成像镜头(1)为望远镜头、显微镜头、单个透镜或透镜组。
3.根据权利要求1所述的多尺度调制压缩感知成像系统，其特征在于，所述多尺度相位调制部件(2)采用液晶空间光调制器或毛玻璃在内的具有光相位调节能力的器件。
4.根据权利要求1或3所述的多尺度调制压缩感知成像系统，其特征在于，所述多尺度相位调制部件(2)位于成像镜头(1)表面或成像镜头(1)的焦平面上。
5.根据权利要求1所述的多尺度调制压缩感知成像系统，其特征在于，所述强度调制部件(3)采用液晶空间光调制器、微反射镜阵列或掩膜板在内的具有光强度调节能力的器件。
6.根据权利要求1或5所述的多尺度调制压缩感知成像系统，其特征在于，所述强度调制部件(3)位于阵列探测器(4)表面。
7.根据权利要求1所述的多尺度调制压缩感知成像系统，其特征在于，所述阵列探测器(4)为电荷耦合器件、增强型电荷耦合器件、电子倍增电荷耦合器件或光电二极管阵列。
8.根据权利要求1所述的多尺度调制压缩感知成像系统，其特征在于，所述强度调制矩阵具有下列任意一种统计分布性质：0-1伯努利分布，±1伯努利分布，均匀分布，高斯分布或泊松分布。
9.根据权利要求1所述的多尺度调制压缩感知成像系统，其特征在于，所述压缩感知算法为：匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、非定域TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l0重建算法、l1重建算法或l2重建算法。
10.一种多尺度调制压缩感知成像方法，基于权利要求1-9之一所述的多尺度调制压缩感知成像系统实现，包括：
步骤1)相位调制和强度调制的步骤：
所述控制模块(5)向多尺度相位调制部件(2)和强度调制部件(3)分别发送相位调制矩阵和强度调制矩阵，以实现预定的相位调制和强度调制方式；并将发出的相位调制矩阵和强度调制矩阵传输至所述存储计算模块(6)；
所述相位调制矩阵的多个不同区域具有不同的统计分布，或具有不同的相干长度；所述区域根据矩阵元素与矩阵中心距离的不同进行划分得到；
步骤2)光信号获取的步骤：
所述成像镜头(1)将待成像目标成像到所述阵列探测器(4)上；在光信号传输到所述阵列探测器(4)过程中，所述多尺度相位调制部件(2)根据相位调制矩阵对光信号进行相位调制，所述强度调制部件(3)根据强度调制矩阵对光信号进行强度调制；所述阵列探测器(4)将光强度分布发送到存储计算模块(6)；
步骤3)压缩感知图像恢复的步骤；
所述存储计算模块(6)计算成像目标每一像素点通过相位调制后在强度调制部件(3)平面上的强度分布，将该强度分布与强度调制矩阵进行矩阵点乘，得到成像目标每一像素点与阵列探测器(4)记录的光强度分布之间的对应关系，利用压缩感知算法进行图像重建，获得待成像目标的重建图像。
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