[发明专利]基于压缩感知理论的单像素相机视频成像系统

说明书

本发明提供了一种基于光电探测器的单像素相机视频成像系统，主要由光源模块、DMD光调制模块、信号采集模块以及算法恢复模块组成。具体来说，本发明以传统单像素相机为基础，采用多光谱光源照射目标物体，将目标物体反射的光汇聚到DMD上，通过DMD对光信号的调制后，通过准直透镜和光纤将光汇聚到探测器的感光面上，再通过A/D转换为光强数值，将其搭配观测矩阵一起导入TVAL3算法即可成像；由于受到仪器性能参数和软件算法的限制，传统的单像素相机成像速度慢，无法达到视频成像的要求。本发明的单像素相机视频成像系统通过对采集卡参数调教和DAQ的深层优化，不仅提高了成像质量，还可以实现多光谱范围视频成像。

技术领域

本发明属于光学成像系统以及图像处理领域，尤其涉及一种单像素相机系统。

背景技术

在科技迅速发展的今天，人们所需要获取的信息数据量成指数增长的同时，对传统的数据获取技术也提出了很大的挑战。在成像技术方面，比如MRI、数码相机，数码相机上COMOS阵列传感器收集了大量的数据，然后再经过压缩丢弃掉90％的数据，这种处理数据方式造成了资源存储空间的浪费，如果在数据采集的过程中收集大量的数据只是为了随后的删除，那么为什么不一开始就丢弃占比很大的冗余信息，只采集很少一部分数据并且可以从这些少量数据中就可以解压出大量与原始相关的信息。

2006年由Candes、Romberg、Tao和Donoho等人(参考非专利文献1：Donoho DL.Compressed sensing.IEEE Transactions onInformation Theory，2006，52(4)：1289-1306)提出一种新型原始信号或者图像进行精确重构的理论一压缩感知理论，是一种通过对信号的高度不完备线性测量的高精确的重建技术。2006年，由美国RICE大学科研组将压缩感知理论应用于成像，并且设计出单像素相机模型，利用数字微镜阵列(DMD)的实时翻转和单元光电探测器分别对光路进行调制以及测量光强值，在PC端将经过A/D转换的电压值与数字微镜翻转对应的测量矩阵导入重构算法恢复出场景图。

单像素相机最大的优点就在于只需要更换一个特定波长，灵敏度更高的探测器即可将这个系统应用于非可见光领域的应用，很大程度上降低系统复杂度以及成本。由于国内半导体工艺技术受限，特定波长的探测器阵列成本昂贵，实现非可见光下大面积阵列传感器的成像存在很多困难，此时，单像素成像系统提供了一个新的解决思路。

发明人团队在传统单像素相机的基础上，对其结构光路进行了优化改进，提出了具有更好信噪比，简化实验装置的基于多模光纤的单像素相机模型。只需要在DMD到探测器之间的回路加上光纤，再经过转接件连接到单元探测器的感光面内，就可以同时避免环境光对实验带来的干扰以及省去了将DMD反射光调入感光面的步骤(参见专利文献1：中国专利申请号CN201710582132.3)。但是，该方案并未涉及采样方式。如采用传统的采样方式，由于其是一个集成化的采集助手，相关的算法结构繁琐，每次采样都需要进行反馈，这大大增加了连续采样的周期，降低了采样速率，最高只能达到正确采样的10帧每秒。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明提供了一种在传统单像素相机的基础上，对其传统的采样方式进行了优化改进，提出了具有极高采样速率，能在多光谱范围内视频成像的单像素相机系统。这种单像素相机系统的信号采集模块采用同步脉冲的高电平进行采样，低电平停止采样的新采样方案，该采样方案可以实现采样速率最高3000帧每秒，达到了DMD翻转速率的极限，能够充分满足视频成像的要求。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：