本發(fā)明涉及高光譜圖像處理技術領域，具體涉及一種基于LCTF(Liquid Crystal Tunable Filter，液晶可調(diào)濾光片)高光譜成像系統(tǒng)的圖像壓縮與重構(gòu)方法。

背景技術：

近年來，Gehm M、John R等人將CS(compressive sensing)理論應用于光譜成像系統(tǒng)中，提出了一種編碼孔徑快照光譜成像儀(Coded Aperture Snapshot Spectral Imager，CASSI)。CASSI系統(tǒng)由光掩膜組、光學色散元件(如棱鏡)和CCD探測器構(gòu)成，在三維圖譜數(shù)據(jù)立方體和探測器測量值之間提供了一個隨機映射。首先，通過編碼孔徑和色散部件對目標場景的光場進行調(diào)制，再用CCD探測器獲取一個二維的、對三維數(shù)據(jù)立方體的混疊投影，從而實現(xiàn)了對目標場景的圖譜數(shù)據(jù)立方體的壓縮編碼。CASSI系統(tǒng)采用光掩膜組來實現(xiàn)CS測量模板，這種靜態(tài)模板的應用極大地限制了CASSI系統(tǒng)的靈活性。如果想用一個不同的模板來實現(xiàn)CS的測量過程，就必須制造一個新的光掩膜組并且整個光譜成像系統(tǒng)需要重新排列搭建。后來，有研究者將數(shù)字微鏡陣列(Digital Micromirror Arrays,DMD)應用于成像系統(tǒng)設計中，提出了一種基于DMD的編碼孔徑快照光譜成像儀，應用DMD動態(tài)地產(chǎn)生不同的編碼模板來實現(xiàn)CS測量過程，大大加強了成像系統(tǒng)的靈活性。

目前的CASSI系統(tǒng)是利用編碼孔徑、光學色散元件(如棱鏡)和CCD探測器在三維圖譜數(shù)據(jù)立方體和探測器測量值之間搭建了一個隨機映射。它先采用編碼孔徑和色散部件對目標場景的光場進行調(diào)制，再用CCD探測器獲取三維數(shù)據(jù)體的二維投影，從而實現(xiàn)了對目標場景的圖譜數(shù)據(jù)立方體的壓縮編碼，然后在解碼端選用適當?shù)闹貥?gòu)算法從二維觀測數(shù)據(jù)中復原出圖像的原始圖譜信息，實現(xiàn)了通過低分辨率的觀測值來復原重構(gòu)出高分辨率的原始圖像。

然而由于編碼孔徑的像素邊長Δ_c通常與探測器的的像素邊長Δ_d不同，無法實現(xiàn)編碼孔徑與探測器像素間的一一對應，重構(gòu)圖像的空間分辨率會因此降低。對此，有人提出了計算合成編碼孔徑的方法來解決編碼孔徑與探測器的像素尺寸的不匹配問題，提高重構(gòu)圖像的空間分辨率，適用于編碼孔徑的像素邊長Δ_c比探測器的像素邊長Δ_d大的情況。通常做法是分別在編碼孔徑和探測器中選取若干個像素組成一個超級像素，其中滿足ε₁Δ_d＝ε₂Δ_c，ε₁、ε₂均為正整數(shù)且ε₁≠ε₂≠1，ε₁<ε₂，通過編碼孔徑與探測器之間的超級像素的一一對應關系進行運算，得到合成編碼孔徑。但通常建立的CASSI系統(tǒng)模型認為經(jīng)過編碼孔徑后的體素在通過光學色散元件后仍然是一個立方體，即假設所有譜段的偏移為線性的，再投射到探測器中相應的像素上以簡化模型，減少運算量。但事實上CASSI系統(tǒng)中用到的光學色散元件(如棱鏡)存在非線性色散，通過光學色散元件后的體素會在水平方向上被拉伸成一個平行六面體，拉伸程度隨著波長的變化而變化，使得在同一時間內(nèi)投射到探測器中相應的像素上時，探測器中某一像素對應不同光譜段的編碼孔徑像素的權(quán)重難以確定，而且光學色散元件的非線性色散與波長有關，短波波長的色散比長波波長的色散顯著，使得短波波長的光譜分辨率比長波波長的光譜分辨率高，直接影響光譜帶寬的配準精度，難以進行準確校正。因此通過這種方法獲得的壓縮圖像，由于非線性色散的存在，光譜分辨率會顯著降低，重構(gòu)圖像的光譜分辨率與空間分辨率受非線性色散影響也會降低。

為避免以上問題，如果將非線性色散考慮在內(nèi)，建立與事實更相符的模型，模型將計算復雜且不易分析；再加上分光方式使能量分散，通常需要犧牲空間分辨率來獲取較高的光譜分辨率，所以這種方式并不可行。

總結(jié)起來，由于CASSI系統(tǒng)理論模型中假設只有線性色散，而CASSI系統(tǒng)中用到的光學色散元件非線性色散是事實存在的，因此重構(gòu)圖像的精度必然會降低。并且光學色散元件的非線性色散將導致CASSI系統(tǒng)的設計結(jié)果與實驗結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差，給器件的設計和參數(shù)的標定工作帶來困難。

另外，在CASSI系統(tǒng)中，光譜維數(shù)(光譜波段數(shù))決定光譜信息量的準確度，在經(jīng)過光學色散元件進行色散之后成像波段范圍分的波段數(shù)越多、分得越細，光譜分辨率就越高。當CASSI系統(tǒng)探測的波長范圍一定時，可分成的譜段數(shù)與編碼孔徑和探測器的像素大小有關。假設編碼孔徑和探測器的像素尺寸都為Δ時，可分成的譜段數(shù)表示為L＝α((λ₂-λ₁)/Δ)，其中(λ₂-λ₁)表示系統(tǒng)的成像光譜范圍，α表示光學色散元件的色散系數(shù)，當光學色散元件確定之后α的值也就確定了。當CASSI系統(tǒng)探測的波長范圍一定時，編碼孔徑和探測器的像素尺寸越大，得到的譜段數(shù)越少，重構(gòu)圖像的光譜分辨率越低，因此CASSI系統(tǒng)中光譜分辨率的大小與編碼孔徑和探測器像素大小有關，對編碼孔徑和探測器像素大小有所限制。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提出了一種基于液晶可調(diào)濾光片(Liquid Crystal Tunable Filter,一般簡稱LCTF)高光譜成像系統(tǒng)的圖像壓縮與重構(gòu)方法，避免在重構(gòu)圖像過程中由于原有CASSI系統(tǒng)存在的非線性色散而影響重構(gòu)圖像精度，并通過計算合成編碼孔徑的方法來解決編碼孔徑與探測器的像素尺寸的不匹配問題，提高重構(gòu)圖像的空間分辨率。

本發(fā)明的技術解決方案是：

步驟1，獲得目標光譜圖像序列：采用基于LCTF的高光譜相機對目標進行拍照，設定基于LCTF的高光譜成像系統(tǒng)的波長步長；按照設定的波長步長將LCTF的中心波長按順序依次轉(zhuǎn)換，高光譜成像系統(tǒng)輸出各個波長下的經(jīng)過編碼孔徑調(diào)制的目標光譜圖像，組成光譜間隔相同的目標光譜圖像序列；

步驟2，獲得混合后的圖像：按波長從長到短的順序，將步驟1獲得的目標光譜圖像序列排序，然后將其中第k張光譜圖像在水平方向上平移(k-1)個編碼孔徑像素的距離，k為光譜圖像所在的光譜段，k＝1,2,...,L，L表示通過基于LCTF的高光譜相機得到的目標光譜圖像序列的數(shù)目；將平移后的圖像序列按順序依次疊加在一起，得到混合后的圖像即壓縮編碼圖像；

步驟3，基于步驟2所得到的壓縮編碼圖像，計算一個探測器像素所對應的壓縮編碼圖像的合成編碼孔徑；

步驟4，利用步驟3得到的合成編碼孔徑，結(jié)合重構(gòu)算法，重構(gòu)出原始圖像。

其中，編碼孔徑的像素邊長Δ_c比探測器的像素邊長Δ_d大，當3Δ_d＝2Δ_c時，合成編碼孔徑的像素尺寸采用下式計算：

其中，(m,n)為探測器像素坐標，根據(jù)3Δ_d＝2Δ_c，從探測器左上角開始每3×3個探測器像素組成一個超級像素，該超級像素剛好覆蓋2×2個編碼孔徑像素，T_ξ,η，T_ξ,η+1，T_ξ+1,η，T_ξ+1,η+1為該探測器像素所屬的超級像素所覆蓋到的編碼孔徑像素，(ξ,η)、(ξ,η+1)、(ξ+1,η)、(ξ+1,η+1)分別為該探測器像素所屬的超級像素所覆蓋到的編碼孔徑像素的坐標，(ξ,η)與(m,n)之間的關系為下式：

其中γ為編碼孔徑的像素邊長Δ_c和探測器的像素邊長Δ_d之比；

μ、ν分別定義為

其中，

有益效果：

基于LCTF的高光譜成像系統(tǒng)成像輸出的光譜圖，其光譜分辨率與液晶盒的結(jié)構(gòu)有關，與編碼孔徑和探測器的像素大小無關，且LCTF高光譜成像系統(tǒng)波長切換快速、光譜范圍適用域?qū)?、成像光譜分辨率高，系統(tǒng)所涉及的工作波段、光譜通道甚至光譜分辨率等均可調(diào)；

基于LCTF高光譜成像系統(tǒng)得到一系列相同光譜間隔的目標光譜圖像序列，然后人為添加位移量模擬線性色散，避免原有CASSI系統(tǒng)中存在的非線性色散影響重構(gòu)圖像精度的問題，有利于準確地分析編碼孔徑像素與探測器像素之間的對應關系，從而提高高光譜圖像的重構(gòu)精度；

在編碼孔徑和探測器中選取若干個像素組成一個超級像素，避免了編碼孔徑與探測器的的像素尺寸存在的不匹配問題；

利用合成編碼孔徑的方法進一步提高重構(gòu)圖像的空間分辨率；

高光譜成像系統(tǒng)中最小像素尺寸為探測器的像素尺寸，利用本發(fā)明避免了色散原件的非線性色散，更準確地對高光譜成像系統(tǒng)中的最小像素尺寸即探測器的像素尺寸所對應的合成編碼孔徑大小進行分析，從而提高重構(gòu)圖像的空間分辨率，提高重構(gòu)精度。

附圖說明

圖1為基于LCTF的高光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為通過基于LCTF的高光譜系統(tǒng)后得到的一系列相同光譜間隔不同波長的目標光譜圖像序列的示意圖；

圖3為平移后的圖像序列進行疊加，得到混合圖像的過程示意圖；

圖4為在編碼孔徑和探測器中選取對應的若干像素組成相同大小的超級像素的示例圖，其中3Δ_d＝2Δ_c；

圖5為在超級像素中計算一個探測器像素大小的合成編碼孔徑的具體分析示意圖；

其中1-高光譜數(shù)據(jù)，2-成像物鏡，3-LCTF，4-LCTF控制模塊，5-編碼孔徑，6-準直透鏡，7-面陣探測器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

本發(fā)明中的液晶可調(diào)濾光片(LCTF)是由一系列雙折射液晶片和偏振片疊放在一起構(gòu)成的，它利用液晶材料的電控雙折射效應進行波長調(diào)諧，分別得到不同波長下的目標場景圖像，它的光譜分辨率只與自身結(jié)構(gòu)(雙折射液晶片和偏振片)有關，與編碼孔徑和探測器的像素大小無關。選用高雙折射率的液晶材料，利用液晶材料的電控雙折射效應進行光譜連續(xù)調(diào)諧，實現(xiàn)液晶可調(diào)濾光片，獲得波長變換。將液晶盒驅(qū)動信號的幅度增加到足夠大，近似認為液晶盒由單軸晶體完全轉(zhuǎn)化為各向同性晶體，此時液晶材料本身的雙折射率色散可忽略，并且在調(diào)諧過程中LCTF幾乎不存在像移，對成像質(zhì)量的影響小。

本發(fā)明的高光譜成像系統(tǒng)中最小像素尺寸為探測器的像素尺寸，通過LCTF高光譜成像系統(tǒng)得到目標光譜圖像序列；再對目標光譜圖像序列中的單幅圖像在水平方向上人為添加位移量，并將平移后的圖像序列按順序依次疊加在一起，得到混合后的圖像。這一過程相當于模擬CASSI系統(tǒng)中光譜數(shù)據(jù)通過光學色散元件的色散過程。光的色散與波長有關，波長越短，色散程度越大。在CASSI系統(tǒng)理論模型中，對于一個大小為N×M×L的三維數(shù)據(jù)立方體(其中N和M為原始光譜數(shù)據(jù)立方體在空間維度上的長度和寬度，L為光譜數(shù)據(jù)立方體的譜段數(shù))，假設所有譜段的偏移為線性時，在波長從長到短的方向上第k個譜段即第k張光譜圖像在水平方向上偏移了(k-1)個編碼孔徑像素的距離，其中k＝1,2,...,L。因此本發(fā)明在通過基于LCTF的高光譜相機后得到的一系列相同光譜間隔的目標光譜圖像序列后，按照波長從長到短的方向第k張光譜圖像也在水平方向上平移(k-1)個編碼孔徑像素的距離。采用本發(fā)明的方法，因為后一幅圖像在水平方向上的位移與前一幅圖像相差一個編碼孔徑像素的距離，所以相當于實現(xiàn)了線性色散，有利于分析編碼孔徑像素與探測器像素的對應關系，避免CASSI系統(tǒng)中因光學色散元件的非線性色散存在而使系統(tǒng)分析計算變得復雜、非線性色散校正困難等問題。

本發(fā)明包括下列步驟：

步驟1，獲得目標光譜圖像序列：采用基于LCTF的高光譜相機對目標進行拍照，設定基于LCTF的高光譜成像系統(tǒng)的波長步長；按照設定的波長步長將LCTF的中心波長按順序依次轉(zhuǎn)換，高光譜成像系統(tǒng)輸出各個波長下的經(jīng)過編碼孔徑調(diào)制的目標光譜圖像，組成光譜間隔相同的目標光譜圖像序列；

步驟2，獲得混合后的圖像：按波長從長到短的順序，將步驟1獲得的目標光譜圖像序列排序，然后將其中第k張光譜圖像在水平方向上平移(k-1)個編碼孔徑像素的距離，k為光譜圖像所在的光譜段，k＝1,2,...,L，L表示通過基于LCTF的高光譜相機得到的目標光譜圖像序列的數(shù)目；將平移后的圖像序列按順序依次疊加在一起，得到混合后的圖像即壓縮編碼圖像；

步驟3，基于步驟2所得到的壓縮編碼圖像，計算一個探測器像素所對應的壓縮編碼圖像的合成編碼孔徑；

步驟4，利用步驟3得到的合成編碼孔徑，結(jié)合重構(gòu)算法，重構(gòu)出原始圖像。

如圖1、圖2所示，一個大小為N×M×L的三維數(shù)據(jù)立方體(其中N和M為原始光譜數(shù)據(jù)立方體在空間維度上的長度和寬度，L為光譜數(shù)據(jù)立方體的譜段數(shù))，通過基于LCTF的高光譜相機得到數(shù)量為L的相同光譜間隔的目標光譜圖像序列。

對已獲得的數(shù)量為L的目標光譜圖像序列進行模擬線性色散的過程。如圖3所示，在波長從長到短的方向上，第k張光譜圖像在水平方向上平移(k-1)個編碼孔徑像素的距離，使得后一幅圖像在水平方向上的位移與前一幅圖像相差一個編碼孔徑像素的距離，得到一系列水平方向上前后兩張錯開一列編碼孔徑像素大小的圖像序列。將平移后的圖像序列按順序依次疊加在一起，得到大小為(N+L-1)×M的混合后的圖像，這一過程相當于實現(xiàn)了線性色散。傳統(tǒng)的CASSI理論分析模型是建立在色散是線性的基礎上，可實際上色散是非線性的，在使用該模型時需要進行非線性色散校正，建立線性色散模型只是為了便于對編碼孔徑與探測器之間的像素對應關系進行分析。而本實施例通過對每一張光譜圖像人為添加位移量可以真正實現(xiàn)線性色散，使實際情況更符合理論分析，有利于準確地分析編碼孔徑像素與探測器像素之間的對應關系，從而提高高光譜圖像的重構(gòu)精度。

由于編碼孔徑的像素邊長Δ_c通常與探測器的的像素邊長Δ_d大小不同，無法實現(xiàn)編碼孔徑與探測器像素間的一一對應，需要確定混合圖像中一個探測器像素大小對應的合成編碼孔徑，即某個探測器像素在相應的編碼孔徑像素中所占的比例，才能保證高光譜圖像的重構(gòu)精度。對此，傳統(tǒng)的CASSI系統(tǒng)與本發(fā)明的實施例建立了同樣的線性色散模型，可是傳統(tǒng)的CASSI系統(tǒng)僅僅是一個理論上的分析，它是建立在假設進行線性色散的基礎上，線性色散使得探測器中某一像素所占的不同譜段對應的編碼孔徑像素的比例是相同的，因此可以更準確地分析混合圖像中一個探測器像素大小對應的合成編碼孔徑，提高重構(gòu)圖像的空間分辨率。但實際上光學色散元件(如棱鏡)存在非線性色散，光學色散元件的非線性色散與波長有關，短波波長的色散比長波波長的色散顯著，使得短波波長的光譜分辨率比長波波長的光譜分辨率高，直接影響光譜帶寬的配準精度，難以進行準確校正。本實施例通過對每一張光譜圖像人為添加位移量實現(xiàn)真正的線性色散，避免了以上問題。

下面對混合圖像中一個探測器像素大小對應的合成編碼孔徑進行舉例分析。如圖4所示，定義編碼孔徑的像素邊長Δ_c和探測器的像素邊長Δ_d之比為本實施例中γ＝1.5。在傳統(tǒng)的CASSI系統(tǒng)中，由于光學色散元件(如棱鏡)存在非線性色散，通過光學色散元件后的體素會在水平方向上被拉伸成一個平行六面體，拉伸程度隨著波長的變化而變化，使得在同一時間內(nèi)投射到探測器時，探測器中某一像素具體受到不同光譜段中多少個編碼孔徑像素的影響及每個編碼孔徑像素的影響權(quán)重難以確定。而在本實施例中因為實現(xiàn)了線性色散，使得探測器中某一像素所占的不同譜段對應的編碼孔徑像素的比例是相同的，而且可以明確探測器中某一像素具體受到不同光譜段中多少個編碼孔徑像素的影響。當編碼孔徑的像素邊長Δ_c和探測器的像素邊長Δ_d之比γ＝1.5時，探測器一個像素的合成編碼孔徑在任意一個光譜段中只與四個編碼孔徑像素有關，具體關系分析如圖5所示。圖4、圖5中探測器像素的坐標表示為(m,n)，n為進行線性色散的方向即每張光譜圖像進行平移的方向。對于位于坐標(m,n)的探測器像素，根據(jù)3Δ_d＝2Δ_c，從探測器左上角開始每3×3個探測器像素組成一個超級像素，該超級像素剛好覆蓋2×2個編碼孔徑像素，T_ξ,η，T_ξ,η+1，T_ξ+1,η，T_ξ+1,η+1為該探測器像素所屬的超級像素所覆蓋到的編碼孔徑像素，(ξ,η)、(ξ,η+1)、(ξ+1,η)、(ξ+1,η+1)分別為該探測器像素所屬的超級像素所覆蓋到的編碼孔徑像素的坐標，由幾何關系分析(ξ,η)與(m,n)之間的關系滿足

其中k表示在波長從長到短的方向上的第k張光譜圖像。在傳統(tǒng)的CASSI系統(tǒng)中，由于非線性色散的存在以上關系只是理論上符合，實際上還要經(jīng)過復雜的非線性色散校正。而在本實施例中因為實現(xiàn)了線性色散，所以編碼孔徑像素(ξ,η)與探測器像素(m,n)之間的關系完全符合上式，因此可以更準確地分析出混合圖像中一個探測器像素大小對應的合成編碼孔徑，從而提高高光譜圖像的重構(gòu)精度。合成編碼孔徑可以表示為

通過參數(shù)μ、ν表示某一光譜段中合成編碼孔徑的像素尺寸在與它相關的四個編碼孔徑像素中所占的比例，μ、ν分別定義為

其中U、V由探測器像素坐標(m,n)、所在的光譜段(即第k張光譜圖像)與編碼孔徑的像素邊長Δ_c和探測器的像素邊長Δ_d之比γ決定：

當0＜μ,ν＜1時，表示編碼孔徑中的某個像素(ξ,η)部分投影到其對應于探測器的相應像素(m,n)上；若μ,ν＝1，表示編碼孔徑中像素(ξ,η)的尺寸與探測器像素(m,n)的尺寸相同。

利用本發(fā)明對每一張光譜圖像人為添加位移量實現(xiàn)線性色散后，可以更準確地對高光譜成像系統(tǒng)中的最小像素尺寸進行分析。在本實施例中編碼孔徑的像素邊長Δ_c大于探測器的像素邊長Δ_d，所以最小像素尺寸即探測器的像素尺寸。線性色散可以使得探測器中某一像素所占的不同譜段對應的編碼孔徑像素的比例是相同的，因此可以確定探測器中某一像素具體受到不同光譜段中多少個編碼孔徑像素的影響，更準確地分析出混合圖像中一個探測器像素大小對應的合成編碼孔徑，從而提高重構(gòu)圖像的空間分辨率，提高重構(gòu)精度。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。