[发明专利]一种基于频域编码的光谱重建方法

说明书

本发明公开了一种基于频域编码的光谱重建方法。该方法的步骤包括：首先，光谱成像系统利用掩膜采集场景的光谱信息，掩膜对场景图像进行光谱维度和空间维度的调制；然后通过将光谱信息的曲线投影到宽带基底来调制光谱变化，获得调制图像，再将调制图像映射到傅立叶域进行复用；最终利用传感器收集在光谱和空间上压缩的编码图像，通过对光谱维度的解码重建出光谱信息。本发明的方法，不仅可以提高空间分辨率，而且采集和重建数据过程简化了光谱编码和解码过程，避免了复杂的计算负荷，实现了在短时间内高精度捕获高光谱数据。

技术领域

本发明涉及计算摄像学领域，尤其涉及一种基于打印机制作的频域编码掩膜的光谱重建方法。

背景技术

光谱成像旨在捕捉自然场景光谱的细节。它在科学研究和工程应用中发挥着重要作用，如军事安全，环境监测，生物科学，医学诊断，科学观察和许多其他领域。

由于只有一维和二维商业成像传感器可用，原始光谱成像在空间或光谱维度上以扫描模式实现。虽然阵列检测器的高像素数和高灵敏度提高了空间和光谱分辨率，但是基于扫描的高光谱成像系统，其稳定扫描的要求限制了光谱成像的速度和稳健性。因此，研究动态样品的光谱成像，如燃烧过程或用于生物和生物医学成像的荧光探针和快照高光谱成像，是该领域的主要研究重点之一。

编码孔径快照光谱成像仪(CASSI)是第一个利用压缩感知理论恢复超光谱的成像仪，但是这种方法需要仔细校准和繁重的计算负荷，限制了其应用在线重建的场景。棱镜-掩模调制式(PMIS)光谱视频相机利用简单的装置和标定可以直接采集多光谱视频信息，然而其空间分辨率受到RGB相机的限制导致其通光量和信噪比较低。基于滤波片阵列分光的多光谱相机可以通过旋转滤光片轮实现多光谱成像，虽然可以提高信噪比但是牺牲了时间分辨率且受到滤波片波长的限制。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于频域编码的光谱重建方法。该方法不需要复杂的校准工作，标定简单。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于频域编码的光谱重建方法，其特征在于，首先，光谱成像系统利用掩膜采集场景的光谱信息，所述掩膜对场景图像进行光谱维度和空间维度的调制；然后通过将光谱信息的曲线投影到宽带基底来调制光谱变化，获得调制图像，再将所述调制图像映射到傅立叶域进行复用；最终利用传感器收集在光谱和空间上压缩的编码图像，通过对光谱维度的解码重建出光谱信息。

所述光谱重建方法具体包括如下步骤：

步骤1，利用打印机选取光谱透射曲线相关性较弱的几种颜色制作掩膜，将掩膜直接覆盖在传感器上来采集目标场景的光谱信息，或者通过透镜、掩膜、中继镜和传感器来采集目标场景的光谱信息；所述掩膜对目标场景进行光谱滤波，得到相关性较弱的几个正交的光谱曲线；

步骤2，将光谱曲线投影到几个宽带基底来调制光谱变化，获得调制图像；

步骤3，将调制图像映射到傅里叶域复用进行频域编码；

步骤4，对光谱和空间上编码的图像合成去噪并解码；

步骤41，针对解码过程，为了重建光谱数据S，建立目标函数E：

为保真项，即为用激光标定辐射值；β_p表示权重系数，为平滑项；表示光谱数据的空间梯度信息；λ_p为正则化参数；防止目标函数过拟合；||E_p||₁＝||P-P_proj(S)||₁，其中，P_proj(S)为光谱图像在傅里叶域中的投影；E_p为辅助变量，表示为光谱信息投影的约束项，对求取结果进行质量控制；