本發(fā)明涉及壓縮感知光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的信號采樣遵循奈奎斯特采樣定律，要求采樣系統(tǒng)至少以信號最高頻率的2倍進行采樣，而在實際應(yīng)用中需要保證采樣頻率為最高頻率的5-10倍。隨著信息時代高速發(fā)展，測量系統(tǒng)一方面需要更高的采樣頻率，另一方面需要更復(fù)雜的硬件設(shè)備來處理采集的數(shù)據(jù)，這樣必然增加對硬件的難度要求，提高系統(tǒng)的復(fù)雜度和能量消耗。在很多領(lǐng)域中，需要使用多個波段或特殊波段對目標進行探測，如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究人員需要根據(jù)病變組織以及器官的大小選擇合適的波長進行成像，這種方式有助于選擇有效的治療方法來提高醫(yī)學(xué)診斷的準確率。在軍事領(lǐng)域，偵查衛(wèi)星、飛機觀察地面物體時需要幾十個甚至上百個波段上對可能的目標物體進行分析，從而可以獲取更加精確的信息，提高對自我的保護能力和對敵方的精確打擊能力。傳統(tǒng)的成像設(shè)備通常以ccd或cmos作為傳感器，但這類傳感器無法在非可見光和極弱光強等特殊條件下正常工作。

candès和donoho在2006年提出的壓縮感知理論成為了近年來研究的熱門，它改變了以奈奎斯特采樣定律為指導(dǎo)的采樣模式，具有采樣量少和對采集端硬件要求低等優(yōu)點，為采用少數(shù)傳感器即可獲得高分辨信號提供了新的方向和理論基礎(chǔ)。2008年rice大學(xué)的baraniuk教授提出了將壓縮感知應(yīng)用于光學(xué)成像的想法，隨后建立了實際的“單像素相機”成像系統(tǒng)并取得實驗階段的成功，驗證了壓縮感知理論在實際應(yīng)用中的可行性。相比于現(xiàn)有的成像技術(shù)，壓縮感知成像減少了測量數(shù)據(jù)個數(shù)和數(shù)據(jù)存儲空間，降低了系統(tǒng)在采樣端的硬件要求，但增加了測量次數(shù)和后續(xù)圖像重構(gòu)的時間。

壓縮感知成像是針對同一目標物體進行多次測量，并且要求在測量過程中目標物體的信息不發(fā)生改變。然而，在壓縮感知成像的多次測量過程中目標物體所受的光照強度難免發(fā)生改變，從而使得被測量對象在整體或局部上都存在明顯差異，也就是被測量對象不一致。這就導(dǎo)致了壓縮感知成像的重構(gòu)結(jié)果不精確，甚至在測量過程中因光強發(fā)生較大變化出現(xiàn)無法重構(gòu)出預(yù)期圖像結(jié)果的現(xiàn)象。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量方法及其系統(tǒng)，本發(fā)明可以通過檢測壓縮感知測量過程中目標物體圖像的總光強的變化情況，利用該變化情況消除或降低壓縮感知測量過程中目標物體圖像發(fā)生改變帶來的影響，從而在目標物體圖像發(fā)生改變的情況下能夠準確獲得目標圖像的目的，本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明提出的一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量方法，對目標物體圖像進行壓縮感知測量的同時感知目標物體圖像總光強變化情況，根據(jù)對目標物體圖像的總光強測量結(jié)果確定一個目標物體圖像的總光強常量，根據(jù)總光強常量來消除壓縮感知測量過程中測量對象的差異，從而實現(xiàn)壓縮感知成像。

作為本發(fā)明所述的一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量方法進一步優(yōu)化方案，具體包括如下步驟：

步驟一、將目標物體圖像分為無差異的兩幅圖像，對其中的一幅圖像進行全局測量即直接測量目標物體圖像的總光強，對另一幅圖像同時進行壓縮感知測量；

步驟二、對步驟一中測量出的目標物體圖像的總光強進行處理，計算得到一個確定的常數(shù)，以此常數(shù)作為總光強常量；

步驟三、根據(jù)總光強常量對壓縮感知測量結(jié)果進行處理以消除或降低測量對象存在差異帶來的影響；

步驟四、將處理過的壓縮感知測量結(jié)果和壓縮感知的測量矩陣作為已知條件，利用優(yōu)化算法重構(gòu)出目標物體圖像。

作為本發(fā)明所述的一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量方法進一步優(yōu)化方案，獲取總光強常量的方法是采用最小二乘法，使得全局測量結(jié)果與該總光強常量的殘差平方和最小。

基于上述的一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量方法的測量系統(tǒng)，包括分光鏡、第一成像透鏡、第一數(shù)字微鏡、第一聚焦透鏡、第一探測器模塊、第二成像透鏡、第二數(shù)字微鏡、第二聚焦透鏡、第二探測器模塊和處理器；其中，

分光鏡，用于將目標物體圖像的入射光分為兩路：第一路入射光和第二路入射光，且這兩路的圖像信息是一致的；第一路入射光是從分光鏡的表面反射出去，第二路入射光是從分光鏡透射出去；

第一成像透鏡，用于將第一路入射光投影在第一數(shù)字微鏡的表面；

第一數(shù)字微鏡，用于將接收的第一路入射光全部反射至第一聚焦透鏡；

第一聚焦透鏡，用于將第一數(shù)字微鏡上的反射光匯聚在第一探測器模塊；

第一探測器模塊，用于將接收的匯聚后的反射光由光信號換成電信號，并將電信號數(shù)字化，輸出第一數(shù)字信號輸出至處理器；

第二成像透鏡，用于將第二路入射光投影在第二數(shù)字微鏡的表面；

第二數(shù)字微鏡，用于將接收的第二路入射光按加載的測量模式進行空間調(diào)制，反射光輸出至第二聚焦透鏡；

第二聚焦透鏡，用于將第二數(shù)字微鏡上的反射光匯聚在第二探測器模塊；

第二探測器模塊，用于將接收的匯聚后的反射光由光信號換成電信號，并將電信號數(shù)字化，輸出第二數(shù)字信號至處理器；

處理器，用于控制第一數(shù)字微鏡、第二數(shù)字微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)以及第一探測器模塊、第二探測器模塊的數(shù)據(jù)采集，并對第一數(shù)字信號、第二數(shù)字信號進行處理進而優(yōu)化重構(gòu)出目標物體圖像。

作為本發(fā)明所述的一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量方法的測量系統(tǒng)進一步優(yōu)化方案，分光鏡與目標物體圖像的入射光的光軸成45度角,且確保投影在第一數(shù)字微鏡、第二數(shù)字微鏡上的目標物體圖像一致。

作為本發(fā)明所述的一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量方法的測量系統(tǒng)進一步優(yōu)化方案，第一數(shù)字微鏡中所有反射鏡的翻轉(zhuǎn)角度一直都為+12°，且翻轉(zhuǎn)方向都相同；第二數(shù)字微鏡依次加載隨機二進制矩陣的測量模式完成對圖像的壓縮感知測量。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明在傳統(tǒng)壓縮感知成像系統(tǒng)框架下通過分光鏡將物體的圖像信息分為無差異的兩部分，一部分采用傳統(tǒng)的壓縮感知測量方法，另一路用來探測場景在測量過程中的動態(tài)變化；

(2)通過檢測測量過程中的場景的動態(tài)變化，我們可以根據(jù)該變化情況來處理壓縮感知測量結(jié)果，以消除外界變化對壓縮感知測量造成的干擾，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、精確的壓縮感知成像。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)的壓縮感知成像系統(tǒng)裝置示意圖。

圖2是測量矩陣加載過程示意圖。

圖3是第二數(shù)字微鏡對物體入射光的調(diào)制示意圖。

圖4是本發(fā)明提出的一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量系統(tǒng)裝置圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示是傳統(tǒng)壓縮感知成像系統(tǒng)裝置示意圖，主要包括了透鏡、dmd、光電探測器(pd)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計算機。各部分功能如下：

成像透鏡，用于將場景圖像的入射光投影在dmd表面；

聚焦透鏡，用于將dmd上的反射光匯聚至探測器接收面；

dmd，用于將投影在dmd表面的物體圖像的入射光按加載的測量模式進行空間調(diào)制；

光電探測器，用于將匯聚后的反射光由光信號換成電信號；

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬的電信號數(shù)字化，并發(fā)送采集值至計算機；

計算機，作為系統(tǒng)的控制和處理單元，控制了dmd的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)和探測器模塊數(shù)據(jù)采集，對采集的數(shù)據(jù)進行處理和優(yōu)化重構(gòu)圖像。

如圖1所示的dmd，它是由數(shù)十萬甚至上百萬個尺寸在微米級別大小的微反射鏡組成，每個反射鏡可以獨立翻轉(zhuǎn)，并通過二進制元素(0,1)來調(diào)制反射鏡的翻轉(zhuǎn)情況；初始的反射鏡翻轉(zhuǎn)角度為0度即水平方向，當反射鏡的調(diào)制狀態(tài)為‘1’時，其翻轉(zhuǎn)角度為+12度即將入射光發(fā)射出來到聚焦透鏡，表現(xiàn)為dmd陣列上的白色區(qū)域；當反射鏡的調(diào)制狀態(tài)為‘0’時，翻轉(zhuǎn)角度為-12度即入射光不反射出來，表現(xiàn)為dmd陣列上的黑色區(qū)域。

如圖2所示的測量矩陣加載過程示意圖，我們根據(jù)需求設(shè)計了測量矩陣φ，它包含了m×n個元素，m是測量次數(shù)，n是待測量圖像包含的像素個數(shù)。將測量矩陣的每一行調(diào)整為一個n×n(n＝n×n)的新矩陣，并依次加載到dmd以實現(xiàn)所有反射鏡不同的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。

如圖3所示的dmd對物體入射光的調(diào)制示意圖，每一個加載的測量模式對應(yīng)著dmd相同的狀態(tài)，因此物體入射光投影在dmd陣列的表面會受到dmd空間上的調(diào)制作用，也就是不同模式的測量。dmd陣列的白色區(qū)域會將對應(yīng)的物體入射光反射到下一個接收模塊，即光電探測器(pd)，而黑色區(qū)域吸收對應(yīng)區(qū)域的光強。最后，經(jīng)過dmd調(diào)制后的物體輸出光如圖3右圖所示即圖像的部分光強信息被后續(xù)采集。

如圖1所示的聚焦透鏡將經(jīng)dmd調(diào)制的物體輸出光聚焦在光電探測器(pd)表面，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換過程---光強轉(zhuǎn)換為電壓值。后續(xù)的數(shù)據(jù)采集電路將模擬的電壓信號數(shù)字化，并作為當前測量模式下的測量值，發(fā)送給計算機處理單元。計算機利用所有的測量值和已知的測量矩陣優(yōu)化重構(gòu)出場景圖像。

如圖4所示是本發(fā)明提出的一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量系統(tǒng)裝置圖，其特征在于，包括分光鏡、第一成像透鏡、第一數(shù)字微鏡、第一聚焦透鏡、第一探測器模塊、第二成像透鏡、第二數(shù)字微鏡、第二聚焦透鏡、第二探測器模塊和處理器；其中，

分光鏡，用于將目標物體圖像的入射光分為兩路：第一路入射光和第二路入射光，且這兩路的圖像信息是一致的；第一路入射光是從分光鏡的表面反射出去，第二路入射光是從分光鏡透射出去；

第一成像透鏡，用于將第一路入射光投影在第一數(shù)字微鏡的表面；

第一數(shù)字微鏡，用于將接收的第一路入射光全部反射至第一聚焦透鏡；

第一聚焦透鏡，用于將第一數(shù)字微鏡上的反射光匯聚在第一探測器模塊；

第一探測器模塊，用于將接收的匯聚后的反射光由光信號換成電信號，并將電信號數(shù)字化，輸出第一數(shù)字信號輸出至處理器；

第二成像透鏡，用于將第二路入射光投影在第二數(shù)字微鏡的表面；

第二數(shù)字微鏡，用于將接收的第二路入射光按加載的測量模式進行空間調(diào)制，反射光輸出至第二聚焦透鏡；

第二聚焦透鏡，用于將第二數(shù)字微鏡上的反射光匯聚在第二探測器模塊；

第二探測器模塊，用于將接收的匯聚后的反射光由光信號換成電信號，并將電信號數(shù)字化，輸出第二數(shù)字信號至處理器；

處理器，用于控制第一數(shù)字微鏡、第二數(shù)字微鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)以及第一探測器模塊、第二探測器模塊的數(shù)據(jù)采集，并對第一數(shù)字信號、第二數(shù)字信號進行處理進而優(yōu)化重構(gòu)出目標物體圖像。

下面對本發(fā)明中的測量系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)作更進一步說明：

在這個系統(tǒng)中第一成像透鏡、第二成像透鏡、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡完全一致，無任何光學(xué)性能差異。第一數(shù)字微鏡與第二數(shù)字微鏡具有相同的型號。第一探測器模塊和第二探測器模塊也是相同的。第一探測器模塊、第二探測器模塊均為光電探測器，處理器為計算機。

在目標物體入射光光軸方向放置一個分光鏡，分光鏡與光軸成45°角，這樣可以使目標物體的圖像信息分為兩部分：一部分從分光鏡透射出去，另一部分從分光鏡表面反射出去，但這兩部分圖像信息是一致的。透射的圖像信息采用傳統(tǒng)的壓縮感知成像方法進行測量，而反射的圖像信息僅需要對圖像進行全局測量，即測量圖像總光強。對于反射的圖像信息，經(jīng)過成像透鏡1投影在第一數(shù)字微鏡的表面。因為第一數(shù)字微鏡加載的矩陣元素全為“1”，則所有反射鏡的翻轉(zhuǎn)角度都為+12°，翻轉(zhuǎn)方向相同，從而第一數(shù)字微鏡的陣列可看作一個獨立的平面(在效果上等同于反射鏡)，且在后續(xù)測量過程反射鏡的狀態(tài)不發(fā)生改變。因此，經(jīng)過聚焦透鏡1匯聚在第一探測器模塊表面的光強是圖像的總光強，后續(xù)的電路完成對該總光強進行數(shù)據(jù)的采集以及發(fā)送任務(wù)。對于透射的圖像信息，同樣經(jīng)過成像透鏡2投影在第二數(shù)字微鏡，而為第二數(shù)字微鏡依次加載隨機二進制矩陣的測量模式完成對圖像的壓縮感知測量。對第二數(shù)字微鏡反射的部分圖像光強由第二聚焦透鏡匯聚到第二探測器模塊出，后續(xù)的數(shù)據(jù)采集電路完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。對透射的圖像信息和反射的圖像信息的測量是同步的，對應(yīng)了后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。在m次測量后，我們可以在透射端光路中獲得一個壓縮感知測量值向量y，在反射端光路中獲得總光強測量值向量y'，如式1所示。

由于y'是對目標物體圖像總光強測量結(jié)果，它反映了外界光照改變對目標物體圖像的影響；y則是目標物體圖像因光照變化而發(fā)生改變情況下的壓縮感知測量結(jié)果。首先，利用目標物體圖像的總光強y'，通過最小二乘法計算得到一個常量i，也就是找到一個常數(shù)i使得所有壓縮感知測量值的殘差平和最小。如式2所示，q為殘差平方和，ei為殘差，y'i為第i次壓縮感知測量結(jié)果。

我們將i作為假設(shè)情形下圖像不受光照影響時的圖像總光強度。因此，將y'轉(zhuǎn)換到i僅需要乘以一個系數(shù)矩陣a，如式3所示?！?是點乘符號，表示矩陣對應(yīng)位置元素相乘。

y＝y(tǒng).*a(4)

利用系數(shù)矩陣a將壓縮感知測量值向量y進行處理得到新的測量值向量y，如式4所示。壓縮感知成像測量過程和測量值變換均是線性測量，y的線性變換可以消除測量過程中目標物體圖像的差異。最后，利用壓縮感知優(yōu)化算法處理新的測量值向量y得到重構(gòu)圖像。

本發(fā)明提出的一種動態(tài)場景下的壓縮感知測量系統(tǒng)及方法，在測量系統(tǒng)中增加了測量目標物體圖像總光強的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以對目標物體圖像進行壓縮感知測量的同時感知目標物體圖像總光強變化情況。根據(jù)對目標物體圖像的總光強測量結(jié)果，可以確定一個目標物體圖像的總光強常量，從而消除壓縮感知測量過程的差異，實現(xiàn)穩(wěn)定、精確的壓縮感知成像。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替代，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。