本發明屬于光譜成像技術領域,尤其涉及一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置與測量方法。
背景技術:
光譜成像技術是一種將成像技術和光譜技術結合為一體的技術,能夠同時獲取目標場景的圖像信息和光譜信息,在研究地物空間結構的同時,能夠獲取其物理特性,便于地物的探測、識別。在高光譜成像中,不僅需要獲得目標場景高分辨率的二維空間信息,同時也要獲得高分辨率的光譜信息,因此高光譜數據的數據量巨大,為存儲、傳輸及數據處理帶來了很大的壓力。如何對高光譜數據進行高效的壓縮,降低數據維數成為高光譜數據處理的重要研究內容。
壓縮感知理論的提出,為快速獲取高光譜數據提供了理論基礎。使得成像系統在數據采集過程中可以明顯減少數據量,并利用自然圖像的稀疏性進行重構。其基本原理如下:如果長度為N的信號x在某個變換基Ψ下是稀疏的(即系數中只有少量的非零元素),若把其投影到另一個與變換基Ψ不相關的觀測矩陣Φ上,得到觀測信號y:M×1,通過求解優化問題:
在M<<N的情況下,信號x可由觀測信號y高概率重構。該問題的求解方法主要有基追蹤法、梯度投影法和迭代閾值收縮法等。正交匹配追蹤算法是一種典型的基追蹤法,其基本思路是從過完備原子庫中,選擇一個與信號最匹配的原子構建一個稀疏逼近,并求出信號殘差,然后繼續選擇與信號殘差最匹配的原子,反復迭代,信號可以由這些原子來線性和,再加上最后的殘差值來表示。
在現有的高光譜成像及數據處理中,高光譜圖像的降維通常是在獲取到數據之后進行的,即在已經采集到的大量數據中挑選出能夠用于后續處理的有效數據,拋棄掉大量冗余數據,這樣必然會造成探測器性能和數據采集時間的浪費。
傳統的光譜成像系統以棱鏡或光柵作為分光元件,想要獲得全部場景的光譜信息需要通過掃描,而且通常使用線陣探測器再進行拼接才能得到,成像系統由于配備了光機掃描的運動部件,其穩定性難以保證,且體積大,不便于攜帶。
技術實現要素:
為解決上述問題,本發明提供一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量儀。該測量儀基于三維編碼,對物體的三維光譜數據,包括二維空間信息及一維光譜信息在隨機編碼信息下進行投影測量,在數據采集階段即可對高光譜數據進行降維,得到選定中心波長的壓縮高光譜數據。
一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置,包括前置透鏡2、波段選擇與分光模塊3、空間編碼模塊4、準直透鏡5、面陣探測器6、數據存儲模塊7、計算重構模塊8;
所述前置透鏡2將目標場景1的光線會聚;
所述波段選擇與分光模塊3接收前置透鏡2的透射光,并使透射光中的選定的一系列中心波長的光通過,完成光譜維的編碼;
由于在目標場景1中相鄰波段間有著較高的相關性和冗余性,并非所有中心波長的光都對圖像的處理都有同樣重要的作用,所以需要通過某種波段選擇算法,從目標場景1中選取出所需的最優中心波長去完成目標場景1高光譜圖像空間的重構。最優中心波長的選取不僅減少了目標場景1中的數據維數,而且保留了感興趣的場景目標信息。
因此所述選定的一系列中心波長的光滿足如下條件:
1)包含目標場景1信息量最大;
2)使目標場景1的可區分性最好;
3)彼此間相關性最弱;
4)使目標場景1的光譜特征差異性最大;
所述空間編碼模塊4接收通過波段選擇與分光模塊3的出射光;在空間編碼模塊4通過0/1調制模板對入射光實現二維空間信息的調制,其中,0/1調制模板是互不相關的二維隨機矩陣,且隨著每次調制的入射光中心波長不同,二維隨機矩陣也不同;且每一個矩陣元的取值為0或1,服從高斯隨機分布;同時,當矩陣元為0時,該矩陣元處的入射光不能透射;當矩陣元為1時,該矩陣元處的入射光能透射;
所述準直透鏡5將調制后的包含二維空間信息的光線進行縮束和準直,得到平行光束;
所述面陣探測器6接收準直透鏡5輸出的包含二維空間信息的平行光束,并將二維空間信息轉換為調制圖像;
所述數據存儲模塊7將面陣探測器6的輸出的調制圖像進行采集存儲;
所述計算重構模塊8接收數據存儲模塊7存儲的調制圖像,并通過調制圖像計算得到目標場景1中選定中心波長的光的圖像信息和光譜信息,完成選定中心波長的高光譜計算成像。
所述波段選擇與分光模塊3包括液晶可調濾光器31和液晶可調濾光器控制器32,其中液晶可調濾光器控制器32通過改變加載在液晶可調濾光器31上的控制電壓來改變通過波段選擇與分光模塊3的入射光的中心波長。
所述空間編碼模塊4采用透射式編碼模塊,其中透射式編碼模塊包括透射式液晶空間光調制器41和空間光調制器控制器42;其中空間光調制器控制器42控制透射式液晶空間光調制器41上加載的二維隨機矩陣,對入射光進行二維空間信息的調制。
所述空間編碼模塊4采用反射式編碼模塊,其中反射式編碼模塊包括反射式空間光調制器43和空間光調制器控制器42;其中空間光調制器控制器42控制反射式空間光調制器43上加載的二維隨機矩陣,對入射光進行二維空間信息的調制。
反射式空間光調制器43為反射式硅上液晶器件LCOS或者反射式數字微鏡器件DMD。
一種基于三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置的測量方法,包括以下步驟:
步驟1:目標場景1的空間光密度為f0(x,y,λ),其中x,y表示目標場景1在二維空間中的坐標,λ表示目標場景1光譜維的波長;目標場景f0(x,y,λ)通過前置透鏡2入射到波段選擇與分光模塊3,波段選擇與分光模塊3上加載控制電壓使得通過該模塊的入射光為特定中心波長的準單色光,且該特定中心波長處的透過率函數為T1(λ);經過波段選擇與分光模塊3后,入射光光強分布f1(x,y,λ)為:
f1(x,y,λ)=T1(λ)f0(x,y,λ);
步驟2:空間編碼模塊4上加載的0/1調制模板對通過波段選擇與分光模塊3的入射光的光強分布進行調制,得到二維空間信息;其中,空間編碼模塊4的透過率函數為T2(x,y),經過空間編碼模塊4后,入射光強度f2(x,y,λ)為:
f2(x,y,λ)=∫∫f1(x',y',λ)T2(x',y')×h(x-x',y-y')dx'dy'
其中h(x-x',y-y')表示成像測量裝置的脈沖響應函數;
步驟3:準直透鏡5將調制后的包含二維空間信息的入射光進行縮束、準直,得到平行光束;
步驟4:面陣探測器6接收接收準直透鏡5輸出的包含二維空間信息的平行光束,并將其轉換為調制圖像;其中,面陣探測器6上的光強分布g(x,y)為:
g(x,y)=∫∫∫T(x',y',λ)f0(x',y',λ)×h(x-x',y-y')dx'dy'dλ
其中,T(x,y,λ)=T1(λ)T2(x,y);
步驟5:數據存儲模塊7采集并存儲面陣探測器6的調制圖像;
步驟6:改變加載在波段選擇與分光模塊3上的控制電壓,將進入空間編碼模塊4的入射光的中心波長調節至選定的下一個中心波長,重復步驟1到步驟5,直至完成全部選定中心波長的光的采集;
步驟7:計算重構模塊8利用數據存儲模塊7的調制圖像,并通過調制圖像計算得到目標場景1中選定中心波長的光的圖像信息和光譜信息,完成選定中心波長的高光譜計算成像。
有益效果:
1、本發明提出了一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置,該測量裝置基于三維編碼,對物體的三維光譜數據,包括二維空間信息及一維光譜信息在隨機編碼信息下進行投影測量,在數據采集階段即可對高光譜數據進行降維,得到選定中心波長的壓縮高光譜數據。與傳統的高光譜成像系統相比,本發明不僅在空間上實現了壓縮采樣,同時在數據采集階段進行光譜選擇,實現數據降維,避免了數據冗余,減少了數據量,提高了信息利用率,便于后端傳輸、存儲。
2、該測量裝置的波段選擇與分光模塊,利用液晶可調濾光器在數據采集階段即可進行波段選擇,實現了高光譜圖像的降維,避免了數據采集時間的浪費。
3、該測量裝置的空間編碼模塊對目標場景進行空間維的編碼,在空間上實現了壓縮采樣,大大減少了數據量,提高了面陣探測器的利用率。
4、該測量裝置采用液晶可調濾光器對透過光波段進行精確選取,從而得到入射光輻射某一中心波長的準單色光能量,通過改變加載電壓,可快速實現透過中心波長的連續可調諧。與傳統的棱鏡、光柵作為分光元件相比,具有體積小、重量輕、便攜帶、無色散等優勢。
5、該測量裝置采用液晶可調濾光器和面陣探測器相結合的方式獲取數據,一次采集得到目標場景的整個視場內的信息,無需進行掃描拼接即可得到的圖像,因此成像裝置中沒有運動部件,提高了成像裝置的穩定性和可靠性,減小了體積。
附圖說明
圖1為本發明一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置具體實施例1的結構框圖。
圖2為本發明一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置具體實施例2的結構框圖。
1-目標場景,2-前置透鏡,3-波段選擇與分光模塊,31-液晶可調濾光器,32-液晶可調濾光器控制器,4-空間編碼模塊,41-透射式空間光調制器,42-空間光調制器控制器,43-反射式空間光調制器,5-準直透鏡,6-面陣探測器,7-數據存儲模塊,8-計算重構模塊。
具體實施方式
下面將結合具體實施例對本發明進一步詳細說明。
圖1為本發明一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置具體實施例1的結構框圖。一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置,包括前置透鏡2、波段選擇與分光模塊3、空間編碼模塊4、準直透鏡5、面陣探測器6、數據存儲模塊7、計算重構模塊8;
所述前置透鏡2將目標場景1的光線會聚;
所述波段選擇與分光模塊3接收前置透鏡2的透射光,并使透射光中的選定的一系列中心波長的光通過,完成光譜維的編碼;
由于在目標場景1中相鄰波段間有著較高的相關性和冗余性,并非所有中心波長的光都對圖像的處理都有同樣重要的作用,所以需要通過某種波段選擇算法,從目標場景1中選取出所需的最優中心波長去完成目標場景1高光譜圖像空間的重構。最優中心波長的選取不僅減少了目標場景1中的數據維數,而且保留了感興趣的場景目標信息。
因此所述選定的一系列中心波長的光滿足如下條件:
1)包含目標場景1信息量最大;
2)使目標場景1的可區分性最好;
3)彼此間相關性最弱;
4)使目標場景1的光譜特征差異性最大;
所述空間編碼模塊4接收通過波段選擇與分光模塊3的出射光;在空間編碼模塊4通過0/1調制模板對入射光實現二維空間信息的調制,其中,0/1調制模板是互不相關的二維隨機矩陣,且隨著每次調制的入射光中心波長不同,二維隨機矩陣也不同;且每一個矩陣元的取值為0或1,服從高斯隨機分布;同時,當矩陣元為0時,該矩陣元處的入射光不能透射;當矩陣元為1時,該矩陣元處的入射光能透射;
所述準直透鏡5將調制后的包含二維空間信息的光線進行縮束和準直,得到平行光束;
所述面陣探測器6接收準直透鏡5輸出的包含二維空間信息的平行光束,并將二維空間信息轉換為調制圖像;
所述數據存儲模塊7將面陣探測器6的輸出的調制圖像進行采集存儲;
所述計算重構模塊8接收數據存儲模塊7存儲的調制圖像,并通過調制圖像計算得到目標場景1中選定中心波長的光的圖像信息和光譜信息,完成選定中心波長的高光譜計算成像。
所述波段選擇與分光模塊3包括液晶可調濾光器31和液晶可調濾光器控制器32,其中液晶可調濾光器控制器32通過改變加載在液晶可調濾光器31上的控制電壓來改變通過波段選擇與分光模塊3的入射光的中心波長。
所述空間編碼模塊4采用透射式編碼模塊,其中透射式編碼模塊包括透射式液晶空間光調制器41和空間光調制器控制器42;其中空間光調制器控制器42控制透射式液晶空間光調制器41上加載的二維隨機矩陣,對入射光進行二維空間信息的調制。
所述空間編碼模塊4采用反射式編碼模塊,其中反射式編碼模塊包括反射式空間光調制器43和空間光調制器控制器42;其中空間光調制器控制器42控制反射式空間光調制器43上加載的二維隨機矩陣,對入射光進行二維空間信息的調制。
反射式空間光調制器43為反射式硅上液晶器件LCOS或者反射式數字微鏡器件DMD。
一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置的具體測試方法如下:
步驟1:目標場景1的空間光密度為f0(x,y,λ),其中x,y表示目標場景1在二維空間中的坐標,λ表示目標場景1光譜維的波長;目標場景f0(x,y,λ)通過前置透鏡2進入波段選擇與分光模塊3,波段選擇與分光模塊3上加載控制電壓使得透過該模塊的光為特定中心波長的準單色光;液晶可調濾光器31在該特定中心波長處的透過率為T1(λ),經過波段選擇與分光模塊3后,光強分布f1(x,y,λ)為:
f1(x,y,λ)=T1(λ)f0(x,y,λ);
步驟2:空間編碼模塊4上加載的二維隨機編碼信息對經過液晶可調濾光器31的準單色光目標場景1的光強分布圖像進行調制;空間編碼模塊4的透過率函數為T2(x,y),經過空間編碼模塊4后,光譜強度f2(x,y,λ)為:
f2(x,y,λ)=∫∫f1(x',y',λ)T2(x',y')×h(x-x',y-y')dx'dy'
其中h(x-x',y-y')表示整個成像測量裝置的脈沖響應函數;
步驟3:準直透鏡5將調制后的包含二維空間信息的入射光進行縮束和準直,得到平行光束;
步驟4:面陣探測器6接收接收準直透鏡5輸出的包含二維空間信息的平行光束,并將其轉換為調制圖像;其中,面陣探測器6上的光強分布g(x,y)為:
g(x,y)=∫∫∫T(x',y',λ)f0(x',y',λ)×h(x-x',y-y')dx'dy'dλ
其中,T(x,y,λ)=T1(λ)T2(x,y);
步驟5:數據存儲模塊7采集并存儲面陣探測器6壓縮的調制圖像;
步驟6:改變加載在波段選擇與分光模塊3上的控制電壓,將進入空間編碼模塊4的透過光的中心波長調節至選定的下一個中心波長,重復步驟1到步驟5,直至完成全部選定中心波長的光的采集;
步驟7:計算重構模塊8利用光譜維與空間維的編碼信息以及數據存儲模塊7的調制圖像,通過正交匹配追蹤算法進行重構,計算得到目標場景1中選定的中心波長的高光譜數據。
圖2為本發明一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置具體實施例2的結構框圖,對應的成像過程與圖1類似。差別在于,在圖2中,透射式空間光調制器41為反射式空間光調制器43,得到具體實施例2,系統光路在空間光調制器之后發生了反射,改變了光路方向。
當然,本發明還可有其他多種實施例,在不背離本發明精神及其實質的情況下,熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形,但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。