專利名稱：基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像系統及成像方法
技術領域：
本發明屬于圖像處理及成像技術領域，涉及光學系統和圖像重建，主要用于光學超分辨率成像。
背景技術：
傳統的光學成像方法通過前端光學系統和后端電荷耦合器件CCD采集數據，采樣頻率符合奈奎斯特采樣定理，即反映為CCD像元的空間間隔應不大于所關心的細節尺寸的一半。由于采集的數據量龐大，故一般需要對采集到的數據壓縮，以便于存儲、傳輸。這種傳統成像方法存在兩點不足一是由于采樣率高，所以對CCD的分辨率要求比較高。而在其它參數確定的前提下，高分辨率的CCD比低分辨率的CCD昂貴。而且，CCD分辨率的提高會導致像元尺寸的減小，從而導致成像性能，如動態范圍、感光度的降低。二是先采集大量數據，然后再壓縮數據是一種資源上的浪費。近年，壓縮感知CS理論表明，在信號是稀疏的或可壓縮的前提下，可以以遠低于奈奎斯特采樣頻率的采樣頻率對信號進行采樣而不損失信號的細節。這樣，就可以減少CCD 的分辨率而不影響成像質量。極端情況下，可以用只有一個像元的CCD來成像。Rice大學的單像素相機做了這方面的嘗試，參見《Single pixel imaging viacompressive sampling》 (Marco F. Duarte 等，IEEE Signal Processing Magazine)。該方法在短時間內將數控微鏡陣列快速隨機變化，從而將拍攝場景偽隨機投影為順序的單測量值，并用單像素CCD將之接收。將采集到的測量值重建之后，即可得到相應的場景。但這種方法的局限性在于它對于一個場景的采集需要比較長的時間。因此，若場景時時變換，則該方法得到的效果將很差。
發明內容
本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出了一種基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像系統及成像方法，以實現利用較小分辨率的CCD獲得較高分辨率的圖像。實現本發明的目的的技術思路是采用編碼孔徑代替傳統成像系統中的多邊形或圓形孔徑光闌，由相干或非相干光源照明成像，在焦平面陣列上獲得低分辨率編碼圖像， 并將其傳輸至主控計算機中，通過對低分辨率編碼圖像超分辨率解碼重建并對重建結果去噪，可獲得較高質量的高分辨率圖像。其技術方案描述如下一 .本發明基 于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像系統，包括光源、物鏡、孔徑光闌、 快門和焦平面陣列，孔徑光闌設在組成物鏡的透鏡組中間，光源發出的光依次經過場景、物鏡和孔徑光闌，并通過快門控制曝光時間，使得場景在焦平面陣列上成像，其特征在于孔徑光闌，采用一塊隨機開孔且開孔率為50%的編碼孔徑模板，使在焦平面陣列上成的像為壓縮編碼后的圖像；壓縮編碼后的圖像傳輸至主控計算機，通過主控計算機對其進行超分辨率解碼重建后獲得高分辨率的圖像；
所述主控計算機，設有圖像處理模塊，該圖像處理模塊包括解碼模塊，用于將所得的壓縮編碼圖像解碼重建而得到高分辨率的圖像；去噪模塊，用于去除解碼后高分辨率圖像中的人工痕跡。二 .本發明基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像方法，給出如下兩種技術方案技術方案1，包括如下步驟1)設計編碼孔徑所對應的卷積模板H la)由期望的高分辨率圖像的分辨率確定孔徑模板H的大小，即若高分辨率圖像的分辨率為η X n，則卷積模板矩陣H設為η X η維；lb)根據卷積模板矩陣H的大小，設計Ii2Xn2維的觀測矩陣R Ibl)將R的第一行行向量巧的元素值設計為滿足高斯分布，高斯分布的均值為0， 均方差為1 ；lb2)將第一行行向量巧中的元素分為m份，其中，！！為巧中元素數的開方， m = ^ = ，即每一份為IXn維的行向量，記作(rn，r12，···，、)，其中 為巧中的第 (i-l)Xn+l到第i Xn個元素，對于每一個rn，構造成nXn維的循環矩陣Rli，i = 1，...， η ；lb3)將循環矩陣(Rn，R12，...，Rln)整體循環偏移η次，得到觀測矩陣R，其形式如下所示
權利要求
1.一種基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像系統，包括光源(1)、物鏡(4)、孔徑光闌 (5)、快門(6)和焦平面陣列(7)，孔徑光闌(5)設在組成物鏡(4)的透鏡組中間，光源(1) 發出的光依次經過場景(2)、物鏡(4)和孔徑光闌(5)，并通過快門(6)控制曝光時間，使得場景(2)在焦平面陣列(7)上成像，其特征在于孔徑光闌(5)，采用一塊隨機開孔且開孔率為50%的編碼孔徑模板，使在焦平面陣列 (7)上成的像為壓縮編碼后的圖像；壓縮編碼后的圖像傳輸至主控計算機(8)，通過主控計算機(8)對其進行超分辨率解碼重建后獲得高分辨率的圖像；所述主控計算機(8)，設有圖像處理模塊，該圖像處理模塊包括 解碼模塊，用于將所得的壓縮編碼圖像解碼重建而得到高分辨率的圖像； 去噪模塊，用于去除解碼后高分辨率圖像中的人工痕跡。
2.根據權利要求1所述的成像系統，其特征在于，編碼孔徑模板開孔的分布采用計算機輔助設計，使得編碼孔徑模板對應的矩陣為符合等距限制特性RIP的隨機模板。
3.根據權利要求1所述的成像系統，其特征在于，光源(1)采用相干光源或者非相干光源。
4.根據權利要求1所述的成像系統，其特征在于，焦平面陣列(7)采用CCD或CMOS，其分辨率大小可為傳統成像系統所使用的焦平面陣列分辨率的1/4或更小。
5.一種基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像方法，包括如下步驟 1)設計編碼孔徑所對應的卷積模板H:la)由期望的高分辨率圖像的分辨率確定孔徑模板H的大小，即若高分辨率圖像的分辨率為η X n，則卷積模板矩陣H設為η X η維；lb)根據卷積模板矩陣H的大小，設計Ii2Xn2維的觀測矩陣R Ibl)將R的第一行行向量Α的元素值設計為滿足高斯分布，高斯分布的均值為0，均方差為1;lb2)將第一行行向量。中的元素分為m份，其中，中元素數的開方， m = ^ = ，即每一份為IXn維的行向量，記作(rn，r12，···，、)，其中 為巧中的第 (i-l)Xn+l到第i Xn個元素，對于每一個rn，構造成nXn維的循環矩陣Rli，i = 1，...， η ；lb3)將循環矩陣(Rn，R12，...，Rln)整體循環偏移η次，得到觀測矩陣R，其形式如下所示
6. 一種基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像方法，包括如下步驟 (1)設計編碼孔徑所對應的卷積模板H:(Ia)由期望的高分辨率圖像的分辨率確定孔徑模板H的大小，即若高分辨率圖像的分辨率為η X n，則卷積模板矩陣H設為η X η維；(lb)根據卷積模板矩陣H的大小，設計Ii2Xn2維的觀測矩陣R，R的第一行行向量巧的元素值滿足高斯分布，高斯分布的均值為0，均方差為1 ；(Ic)將第一行行向量A中的元素分為m份，其中，m為Γι中元素數的開方， m = ^ = ，即每一份為IXn維的行向量，記作(rn，r12，···，、)，其中 為巧中的第 (i-l)Xn+l到第i Xn個元素，對于每一個rn，構造成nXn維的循環矩陣Rli，i = 1，...， η ；(Id)利用構造的η個循環矩陣(Rn，R12，...，Rln)，用如下的公式計算過渡矩陣Mi, Mi = FRliF-1, i = 1,…，η 其中，F為一維傅里葉變換矩陣，F—1為其逆矩陣；(Ie)利用過渡矩陣Mi,用如下的公式計算對角矩陣Ci, i = 1，. . .，η
7.根據權利要求6所述的成像方法，其中步驟(2)所述的根據光源是否相干調整編碼孔徑的小孔分布，按如下步驟進行(2a)設編碼孔徑對應的矩陣為P，在相干光源下，P由下式獲得
8.根據權利要求6所述的成像方法，其中步驟(3)所述的光學成像的像差要求，是指選取合適的光闌位置以校正像散，根據光闌移動方程，計算出使得成像系統像散最小時孔徑光闌的位置。
9.根據權利要求6所述的成像方法，其中步驟(6)所述的通過自適應TV去噪方法去除重建引入的人工痕跡，是指利用優化算法，通過優化下式以濾除圖像中的人工痕跡，并根據圖像內容中細節的多少來自動調節優化式的終止條件
全文摘要
本發明公開了基于壓縮編碼孔徑的超分辨率成像系統及成像方法，主要解決現有技術成像代價昂貴的問題。其實現步驟為設計卷積模板，并根據光源的相干性來制作編碼孔徑；將制作好的編碼孔徑置于光學系統中孔徑光闌的位置并按下快門成像，獲得低分辨率編碼圖像；將此編碼圖像傳輸至主控計算機中，并將其超分辨率解碼重建成高分辨率圖像，再使用去噪算法去除高分辨率圖像中的人工痕跡。本發明的特點在于突破奈奎斯特準則的限制，對場景低頻采樣并通過超分辨率重建獲得高分辨圖像，克服了傳統成像系統先采樣后壓縮而導致的數據浪費，在采樣時壓縮數據量，降低了成像成本，壓縮成本和傳輸成本，可用于紅外成像和遙感成像技術中。
文檔編號H04N7/26GK102438102SQ20111032986
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者喬琳, 侯謹妍, 盧光旭, 徐大雍, 范華, 邵曉鵬, 鐘宬, 靳振華, 饒存存, 馬菁汀, 黃遠輝 申請人:西安電子科技大學