[发明专利]基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维信息获取领域，尤其涉及一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置和方法。

背景技术

三维信息的获取如今已经广泛用于三维建模，目标探测等领域，并且已经发展出来各种各样的方法，各有其优缺点及使用范围。如今比较流行的有：

基于计算机视觉的方法，可以从二维的图形获取三维信息，可以实现对大视场三维信息的获取；利用飞行时间法，在一定范围内对目标物体进行扫描，在获取二维信息的同时得到探测脉冲的飞行时间，从而获取目标物体的深度信息，其图像获取速度和分辨率受限于扫描速度和扫描点数；使用结构光对于目标物体进行主动式的测量，扫描速度快，测量精度高，比较适用于室内物体表面反射情况比较好的场合；在远距离三维信息获取上主要采用切片法，对回波信号切片后分别计算不同距离的二维信息，通过多次计算完成三维重构。

基于计算机视觉的方法、结构光法都不适用于远距离三维信息的获取，飞行时间法受限于扫描速度和扫描点数，并且容易受到传播过程中环境的影响，远距离三维信息的获取结果不理想，而切片法需要根据切片次数多次进行压缩感知计算，计算速度慢且繁琐。

压缩感知理论是关于信号采样和数据处理的一门新兴的理论，它指出在一定的条件下，用远低于Nyquist采样定理要求的采样次数对信号进行采样时，也能很好的恢复出原始信号，它可以将图像的压缩采集和压缩过程合二为一。通过M次的测量可以还原N维的信号(M＜N)。压缩感知理论的核心内容有两点：目标信号的稀疏表达和测量的非相干性。对于有长度为N的实数信号x(n)，可以进行稀疏变换或者x＝Ψθ。Ψ为相应的稀疏基矩阵。压缩感知并不直接对信号x(n)进行测量，而是通过一个随机投影矩阵Φ进行测量y＝Φx。Φ是一个M×N维的矩阵，每一行是一个基向量表示对信号x(n)进行一次线性的测量。M表示测量次数，并且满足M<N。由于x可以在Ψ域进行稀疏表示，所以上式也可以表示为y＝Φx＝ΦΨ^Tθ。求解此方程的问题可以表示为求最小1范数的优化问题：约束条件为可用的算法有基追踪算法，贪婪追踪算法，凸松弛法，组合算法，TV算法等。

目前还没有将压缩感知理论应用于空间三维编码调制的三维信息获取领域的文献报道。

发明内容

本发明基于压缩感知使用一个空间光调制器对图像二维编码调制并利用一维随机调制向量对不同距离总光强进行编码调制，最后通过一次压缩感知算法实现三维信息获取。

一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，包括：脉冲激光模块、图像生成加载模块、成像系统、空间光调制器、会聚透镜、单点探测器、高速数据采集模块和计算存储模块；

所述脉冲激光模块发出脉冲激光并投射到目标景物上；

所述图像生成加载模块生成多次测量加载的二维随机调制图像，并将二维随机调制图像传递给所述空间光调制器；

所述成像系统用于收集所述目标景物的漫反射光，并将目标景物成像到空间光调制器上；

所述空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行编码调制；

所述会聚透镜将目标景物图像调制后的光强会聚得到调制后的不同距离回波的总光强；

所述单点探测器用于探测所述会聚透镜会聚得到不同距离回波的总光强；

所述高速数据采集模块用于采集单点探测器多次探测得到的不同距离回波的总光强；

所述计算存储模块根据多次探测得到的不同距离回波的总光强，利用压缩感知算法完成三维信息获取。

所述空间光调制器为透射型空间光调制器或反射型空间光调制器。反射型空间光调制器可以为反射型的硅上液晶器件（LCOS）或者反射型的数字微镜器件(DMD)等，优选为反射型的数字微镜器件(DMD)。

所述成像系统为望远系统、显微系统或照相系统。成像系统用于采集目标景物的漫反射光，并将目标景物成像在空间光调制器上。

所述图像生成加载模块内设有同步模块，实现每切换一张图像脉冲激光模块发一个脉冲激光，由于需要多次采样，同步模块实现图像生成加载模块和脉冲激光的同步。

所述高速数据采集模块和脉冲激光模块之间连接有同步探测模块。

高速数据采集模块为两路信号同时采集，同步探测模块实现脉冲激光模块每发一个脉冲光后两路同步采集光强数据，所述同步探测模块包括探测器和收集透镜或透镜组。

所述脉冲激光模块包括脉冲激光光源、扩束镜和分光棱镜。