[发明专利]一种双波段时域压缩感知高速成像方法及装置

说明书

本发明提出了一种双波段时域压缩感知高速成像方法及装置。针对高速运动目标，利用数字微镜器件翻转的特性，同时将其两个方向上的光能分别用于可见光和红外两个波段上成像，结合时域压缩感知成像方法，同时获得高速运动目标双波段上的细节信息，使用基于压缩感知的视频重构算法，将拍摄得到的双波段低速视频重构出双波段目标高速视频。本发明方法能够在不增加成像相机的数据转换带宽的同时，获得更多细节信息的高速运动目标视频，解决了高速成像对相机高感光度和超高的数据带宽的严苛要求。同时，利用数字微镜器件光调制器的特性，可以实现在不增加额外器件的情况下，同时获得可见光和红外两路高速成像光路，充分利用了光能量，提升能量的利用率。

技术领域

本发明涉及一种双波段时域压缩感知高速成像方法及装置，特别涉及一种采用数字微镜器件和低速响应相机同时获得高速运动目标在两个波段成像信息的方法及装置，属于成像技术领域。

背景技术

随着科学的发展和进步，在人眼的视觉享受、科学研究、工业应用、国防监测等领域，对成像相机的空间分辨率和时间分辨率的要求越来越高。高速相机因为能够提供丰富的过程图像和完整的细节信息，被广泛地运用。受到读取速度和传输数据带宽的限制，高速相机往往为达到高帧频的要求，牺牲了相机的空间分辨率，导致目标的细节信息损失严重。然而，一个具有高空间分辨率而低帧频的相机拍摄高速运动目标时，又会出现运动模糊现象。在许多实际运用中，在追求高帧频的同时也要求高分辨率成像，以便能够观看、记录到更多的细节信息。

现有的高速相机产品，采集速度从每秒上百帧到上万帧，曝光时间最短可达纳秒(ns)级，可以满足绝大多数高速应用的需求。但是，这些传统高速相机因为需要高感光度和超高的数据传输带宽，制造成本十分昂贵。在某些领域(如红外成像领域)，受制程工艺的限制，在保证一定空间分辨率的同时做到高帧频是一件十分困难的事情。因此，研究同时获得高空间分辨率和高帧频的成像技术，具有十分重要的意义和使用价值。

近年来，压缩感知理论被应用于压缩成像领域，有着非常卓越的表现。单像素相机的出现，使压缩感知成像技术被成功运用于静态目标成像上，可以使用低空间分辨率的相机采集压缩成像，最后得到高分辨率的目标图像。压缩感知成像技术不仅可以用于静态目标成像，还可将高速运动目标在时间域压缩成像，达到不损失空间分辨率的情况下提高时间分辨率的效果，大大降低了器件的成本和技术难点的限制，该技术被称为时域压缩感知成像技术。其只需要低速响应相机和高帧频变化的空间光调制器，就可以完成高速成像的效果，而低速相机和高帧频变化的空间光调制器在成本上远没有一个很高帧频的摄像机耗费高，所以时域压缩感知成像方法大大降低了硬件的成本，并且降低了数据采集输出带宽的限制。

目前，有多位研究学者在用于视频重构的时域压缩感知成像技术领域开展了研究。2011年，Dikpal Reddy等人提出了一种可编程压缩编码相机(P2C2)，可以使用一个25fps帧频的相机拍摄重构出200fps的时域超分辨率视频。2013年，P.Llull等人提出了时域压缩编码孔径成像技术(CACTI)，并运用该技术搭建了硬件平台，实现了编码、解压缩重构过程。后续，又有学者基于这些工作做出了一些拓展性研究。目前，常用的空间光调制器有硅上液晶(LCOS)和数字微镜器件(DMD)。根据空间光调制器的透射和反射两种调制方式，可以将时域压缩感知成像技术的成像光路分为如图1、2两种，其成像过程大致如下：高速运动的目标，经过透镜组，成像在空间光调制器上。空间光调制器对动态目标进行连续调制。调制后的目标信号，透过空间光调制器或被空间光调制器反射后，在时间上累积成像在相机感光元件上，然后将得到压缩后的高速目标信息，使用视频压缩感知重构算法进行重构。

尽管在时域压缩成像上已经开展了上述工作，但是，目前的技术均运用在可见光波段，并未见有针对同时获得两个波段的高速成像技术的研究。使用单一波段的图像传感器实现对某些复杂背景下目标的探测、识别和跟踪存在一定的困难。