專利名稱：基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維信息獲取領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取裝置和方法。
背景技術(shù)：
三維信息的獲取如今已經(jīng)廣泛用于三維建模，目標(biāo)探測等領(lǐng)域，并且已經(jīng)發(fā)展出來各種各樣的方法，各有其優(yōu)缺點及使用范圍。如今比較流行的有:基于計算機(jī)視覺的方法，可以從二維的圖形獲取三維信息，可以實現(xiàn)對大視場三維信息的獲取；利用飛行時間法·，在一定范圍內(nèi)對目標(biāo)物體進(jìn)行掃描，在獲取二維信息的同時得到探測脈沖的飛行時間，從而獲取目標(biāo)物體的深度信息，其圖像獲取速度和分辨率受限于掃描速度和掃描點數(shù)；使用結(jié)構(gòu)光對于目標(biāo)物體進(jìn)行主動式的測量，掃描速度快，測量精度高，比較適用于室內(nèi)物體表面反射情況比較好的場合；在遠(yuǎn)距離三維信息獲取上主要采用切片法，對回波信號切片后分別計算不同距離的二維信息，通過多次計算完成三維重構(gòu)?；谟嬎銠C(jī)視覺的方法、結(jié)構(gòu)光法都不適用于遠(yuǎn)距離三維信息的獲取，飛行時間法受限于掃描速度和掃描點數(shù)，并且容易受到傳播過程中環(huán)境的影響，遠(yuǎn)距離三維信息的獲取結(jié)果不理想，而切片法需要根據(jù)切片次數(shù)多次進(jìn)行壓縮感知計算，計算速度慢且繁瑣。壓縮感知理論是關(guān)于信號采樣和數(shù)據(jù)處理的一門新興的理論，它指出在一定的條件下，用遠(yuǎn)低于Nyquist采樣定理要求的采樣次數(shù)對信號進(jìn)行采樣時，也能很好的恢復(fù)出原始信號，它可以將圖像的壓縮采集和壓縮過程合二為一。通過M次的測量可以還原N維的信號(M<N)。壓縮感知理論的核心內(nèi)容有兩點:目標(biāo)信號的稀疏表達(dá)和測量的非相干性。
對于有長度為N的實數(shù)信號x(n)，可以進(jìn)行稀疏變換x( ) = ；￡外OrW或者X = Ψ Θ。Ψ
>=1 ，
為相應(yīng)的稀疏基矩陣。壓縮感知并不直接對信號X(η)進(jìn)行測量，而是通過一個隨機(jī)投影矩陣Φ進(jìn)行測量y= Φχ0 Φ是一個MXN維的矩陣，每一行是一個基向量1，表示對信號X (η)進(jìn)行一次線性的測量。M表示測量次數(shù)，并且滿足Μ〈Ν。由于X可以在Ψ域進(jìn)行稀疏表示，所以上式也可以表示為y = ΦΧ = ΦΨΤ Θ。求解此方程的問題可以表示為求最小I
范數(shù)的優(yōu)化問題:mjnlPII!γ=Φχ = ΦΨτθ = Θθ可用的算法有基追蹤算法，
ΛJ^O
貪婪追蹤算法，凸松弛法，組合算法，TV算法等。目前還沒有將壓縮感知理論應(yīng)用于空間三維編碼調(diào)制的三維信息獲取領(lǐng)域的文獻(xiàn)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于壓縮感知使用一個空間光調(diào)制器對圖像二維編碼調(diào)制并利用一維隨機(jī)調(diào)制向量對不同距離總光強(qiáng)進(jìn)行編碼調(diào)制，最后通過一次壓縮感知算法實現(xiàn)三維信息獲取。一種基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取裝置，包括:脈沖激光模塊、圖像生成加載模塊、成像系統(tǒng)、空間光調(diào)制器、會聚透鏡、單點探測器、高速數(shù)據(jù)采集模塊和計算存儲模塊；所述脈沖激光模塊發(fā)出脈沖激光并投射到目標(biāo)景物上；所述圖像生成加載模塊生成多次測量加載的二維隨機(jī)調(diào)制圖像，并將二維隨機(jī)調(diào)制圖像傳遞給所述空間光調(diào)制器；所述成像系統(tǒng)用于收集所述目標(biāo)景物的漫反射光，并將目標(biāo)景物成像到空間光調(diào)制器上；所述空間光調(diào)制器根據(jù)加載其上的二維隨機(jī)調(diào)制圖像對得到的目標(biāo)景物的圖像進(jìn)行編碼調(diào)制；所述會聚透鏡將目標(biāo)景物圖像調(diào)制后的光強(qiáng)會聚得到調(diào)制后的不同距離回波的總光強(qiáng)；所述單點探測器用于探測所述會聚透鏡會聚得到不同距離回波的總光強(qiáng)；所述高速數(shù)據(jù)采集模塊用于采集單點探測器多次探測得到的不同距離回波的總光強(qiáng);所述計算存儲模塊根據(jù)多次探測得到的不同距離回波的總光強(qiáng)，利用壓縮感知算法完成二維/[目息獲取。所述空間光調(diào)制器為透射型空間光調(diào)制器或反射型空間光調(diào)制器。反射型空間光調(diào)制器可以為反射型的硅上液晶器件(LCOS)或者反射型的數(shù)字微鏡器件(DMD)等，優(yōu)選為反射型的數(shù)字微鏡器件(DMD)。所述成像系統(tǒng)為望遠(yuǎn)系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)或照相系統(tǒng)。成像系統(tǒng)用于采集目標(biāo)景物的漫反射光，并將目標(biāo)景物成像在空間光調(diào)制器上。所述圖像生成加載模塊內(nèi)設(shè)有同步模塊，實現(xiàn)每切換一張圖像脈沖激光模塊發(fā)一個脈沖激光，由于需要多次采樣，同步模塊實現(xiàn)圖像生成加載模塊和脈沖激光的同步。所述高速數(shù)據(jù)采集模塊和脈沖激光模塊之間連接有同步探測模塊。高速數(shù)據(jù)采集模塊為兩路信號同時采集，同步探測模塊實現(xiàn)脈沖激光模塊每發(fā)一個脈沖光后兩路同步采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)，所述同步探測模塊包括探測器和收集透鏡或透鏡組。所述脈沖激光模塊包括脈沖激光光源、擴(kuò)束鏡和分光棱鏡。本發(fā)明還提供了一種基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取方法，包括以下步驟:( I)脈沖激光光源發(fā)出脈沖激光照射目標(biāo)景物；(2)目標(biāo)景物經(jīng)成像系統(tǒng)成像到空間光調(diào)制器上，空間光調(diào)制器根據(jù)加載其上的二維隨機(jī)調(diào)制圖像對得到的目標(biāo)景物的圖像進(jìn)行編碼調(diào)制；(3)將目標(biāo)景物調(diào)制后圖像的光強(qiáng)會聚后得到調(diào)制后的不同距離回波的總光強(qiáng)，并由單點探測器接收；(4)利用高速數(shù)據(jù)采集模塊采集單點探測器探測的不同距離回波的總光強(qiáng)；(5)重 復(fù)步驟(I) (4)對目標(biāo)景物進(jìn)行M次測量，得到M次測量的回波總光強(qiáng)，最后利用壓縮感知算法完成目標(biāo)景物三維信息的獲取。
在步驟(4)中，需要對高速數(shù)據(jù)采集模塊每次采集的不同距離回波的總光強(qiáng)進(jìn)行一維隨機(jī)編碼調(diào)制，其中，一維隨機(jī)調(diào)制向量為B=lXr，r為一維隨機(jī)調(diào)制向量元素數(shù)。所述M為小于二維隨機(jī)調(diào)制圖像總像素數(shù)和一維隨機(jī)調(diào)制向量元素數(shù)的乘積的自然數(shù)。在步驟(5)中，利用壓縮感知算法完成目標(biāo)景物三維信息獲取的具體方法為:(I)設(shè)定二維隨機(jī)調(diào)制圖像總像素數(shù)A=pXq，p為二維隨機(jī)調(diào)制圖像的橫向分辨率，q為二維隨機(jī)調(diào)制圖像的縱向分辨率；一維隨機(jī)調(diào)制向量B=IXr,目標(biāo)景物的測量次數(shù)為M，生成一個MXA維的矩陣O1和一個MXB維的矩陣Φ2，利用矩陣O1生成M幅二維隨機(jī)調(diào)制圖像O1G),利用矩陣Φ2生成M個一維隨機(jī)調(diào)制向量Φ2α)，其中i，j=l，2，3,4-M ；
權(quán)利要求
1.一種基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取裝置，其特征在于，包括:脈沖激光模塊、圖像生成加載模塊(6)、成像系統(tǒng)(2)、空間光調(diào)制器(3)、會聚透鏡(4)、單點探測器(5)、高速數(shù)據(jù)采集模塊(7)和計算存儲模塊(8)； 所述脈沖激光模塊發(fā)出脈沖激光并投射到目標(biāo)景物上； 所述圖像生成加載模塊(6)生成多次測量加載的二維隨機(jī)調(diào)制圖像，并將二維隨機(jī)調(diào)制圖像傳遞給所述空間光調(diào)制器(3)； 所述成像系統(tǒng)(2)用于收集所述目標(biāo)景物的漫反射光，并將目標(biāo)景物成像到空間光調(diào)制器(3)上； 所述空間光調(diào)制器(3)根據(jù)加載其上的二維隨機(jī)調(diào)制圖像對得到的目標(biāo)景物的圖像進(jìn)行編碼調(diào)制； 所述會聚透鏡(4)將目標(biāo)景物圖像調(diào)制后的光強(qiáng)會聚得到調(diào)制后的不同距離回波的總光強(qiáng); 所述單點探測器(5)用于探測所述會聚透鏡(4)會聚得到不同距離回波的總光強(qiáng)； 所述高速數(shù)據(jù)采集模塊(7)用 于采集單點探測器(5)多次探測得到的不同距離回波的總光強(qiáng)； 所述計算存儲模塊(8)通過對多次探測得到的不同距離回波的總光強(qiáng)進(jìn)行一維編碼調(diào)制，利用壓縮感知算法完成三維信息獲取。
2.如權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取裝置，其特征在于，所述空間光調(diào)制器(3)為透射型空間光調(diào)制器或反射型空間光調(diào)制器。
3.如權(quán)利要求2所述的基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取裝置，其特征在于，所述的成像系統(tǒng)(2)為望遠(yuǎn)系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)或照相系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求3所述的基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取裝置，其特征在于，所述圖像生成加載模塊(6)內(nèi)設(shè)有同步模塊，實現(xiàn)每切換一張圖像所述脈沖激光模塊發(fā)一個脈沖激光。
5.如權(quán)利要求4所述的基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取裝置，其特征在于，所述高速數(shù)據(jù)采集模塊(7 )和脈沖激光模塊之間連接有同步探測模塊(9 )。
6.如權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取裝置，其特征在于，所述脈沖激光模塊包括脈沖激光光源(I )、擴(kuò)束鏡和分光棱鏡(10)。
7.一種基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)脈沖激光光源發(fā)出脈沖激光照射目標(biāo)景物； (2)目標(biāo)景物經(jīng)成像系統(tǒng)成像到空間光調(diào)制器上，空間光調(diào)制器根據(jù)加載其上的二維隨機(jī)調(diào)制圖像對得到的目標(biāo)景物的圖像進(jìn)行編碼調(diào)制； (3)將目標(biāo)景物調(diào)制后圖像的光強(qiáng)會聚后得到調(diào)制后的不同距離回波的總光強(qiáng)，并由單點探測器接收； (4)利用高速數(shù)據(jù)采集模塊采集單點探測器探測的不同距離回波的總光強(qiáng)； (5)重復(fù)步驟(I) (4)對目標(biāo)景物進(jìn)行M次測量，得到M次測量的回波總光強(qiáng)，最后利用壓縮感知算法完成目標(biāo)景物三維信息的獲取。
8.如權(quán)利要求7所述的基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取方法，其特征在于，在步驟(4)中，需要對高速數(shù)據(jù)采集模塊每次采集的不同距離回波的總光強(qiáng)進(jìn)行一維隨機(jī)編碼調(diào)制，其中，一維隨機(jī)調(diào)制向量為B=lXr，r為一維隨機(jī)調(diào)制向量元素數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取方法，其特征在于，所述M為小于二維隨機(jī)調(diào)制圖像總像素數(shù)和一維隨機(jī)調(diào)制向量元素數(shù)的乘積的自然數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取方法，其特征在于，在步驟(5)中，利用壓縮感知算法完成目標(biāo)景物三維信息獲取的具體方法為: (1)設(shè)定二維隨機(jī)調(diào)制圖像總像素數(shù)A=pXq，P為二維隨機(jī)調(diào)制圖像的橫向分辨率，q為二維隨機(jī)調(diào)制圖像的縱向分辨率；一維隨機(jī)調(diào)制向量B=IXr,目標(biāo)景物的測量次數(shù)為M，生成一個MXA維的矩陣O1和一個MXB維的矩陣Φ2，利用矩陣O1生成M幅二維隨機(jī)調(diào)制圖像O1 (i)，利用矩陣Φ2生成M個一維隨機(jī)調(diào)制向量Φ2 (j)，其中i，j=l，2，3，4…Μ;
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取方法，包括脈沖激光光源發(fā)出脈沖激光照射目標(biāo)景物并成像到空間光調(diào)制器上，然后根據(jù)加載其上的二維隨機(jī)調(diào)制圖像對目標(biāo)景物圖像進(jìn)行編碼調(diào)制；并將調(diào)制后圖像的光強(qiáng)會聚后得到調(diào)制后的不同距離回波的總光強(qiáng)，并由單點探測器接收；利用高速數(shù)據(jù)采集模塊采集單點探測器探測的不同距離回波的總光強(qiáng)；再用一維隨機(jī)調(diào)制矩陣調(diào)制不同距離回波的總光強(qiáng)并求和，得到兩次調(diào)制后的所有距離回波的總光強(qiáng)，重復(fù)上述步驟對目標(biāo)景物進(jìn)行多次測量，得到多次測量的回波總光強(qiáng)，最后利用壓縮感知算法進(jìn)行一次計算完成目標(biāo)景物三維信息的獲取。本發(fā)明還公開了一種基于壓縮感知脈沖編碼調(diào)制的三維信息獲取裝置。
文檔編號G01B11/24GK103234479SQ20131012556
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者劉旭, 李 東, 李海峰, 夏新星, 王金成, 劉向東 申請人:浙江大學(xué)