【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及計(jì)算光學(xué)中的壓縮成像領(lǐng)域，特別是涉及一種多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法。
技術(shù)介紹
1、光譜成像能夠提供圖像豐富的空間和光譜信息，是一種新興的科學(xué)和工程應(yīng)用工具，在眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的光譜成像模式依賴于空間掃描或光譜掃描，掃描機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。例如，擺掃式光譜成像系統(tǒng)每次對(duì)一行或小區(qū)域進(jìn)行成像，光譜信息通過分光組件獲取，全視場(chǎng)信息需通過掃描組件和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)獲得，并且需要視場(chǎng)拼接。掃描式光譜成像可以達(dá)到較高的空間和光譜分辨率，但時(shí)間分辨率較低，不適用于對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求的場(chǎng)景。多孔徑光譜成像系統(tǒng)的每個(gè)子孔徑對(duì)特定波段單獨(dú)成像，空間和時(shí)間分辨率很高，但是波段數(shù)有限。
2、為了解決上述空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率之間的制約問題，計(jì)算光譜成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這種技術(shù)采用特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)景的多光譜圖像信息進(jìn)行編碼和壓縮，并由寬譜段探測(cè)器接收，然后通過圖像重建算法從二維調(diào)制圖像重構(gòu)三維光譜圖像。這樣以來，對(duì)成像系統(tǒng)硬件的要求較多地轉(zhuǎn)化為對(duì)算法的要求，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的輕量化和小型化，也降低了圖像存儲(chǔ)和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。
3、如何設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)對(duì)三維空間-光譜信息進(jìn)行調(diào)制是實(shí)現(xiàn)計(jì)算光譜成像的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，多光譜信息調(diào)制主要通過三種途徑實(shí)現(xiàn)，分別是像面編碼、光譜編碼和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)工程(郭家騏,范本軒,劉鑫,等.計(jì)算光譜成像:光場(chǎng)編碼與算法解碼[j].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2024,61(16).)。像面編碼是將待測(cè)物成像至中間像面，對(duì)中間像進(jìn)行壓縮編碼得到壓縮圖像，編碼函數(shù)一般
4、相比像面編碼只基于理想的幾何光學(xué)進(jìn)行分析，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需要根據(jù)像差校準(zhǔn)重建算法，psf編碼中psf導(dǎo)致的像差尤其是色差可以直接成為光譜圖像重建的依據(jù)；相比光譜響應(yīng)方法，雖然光譜響應(yīng)方法編碼器件sfa也很輕薄，但其制造難度較大，psf編碼器件doe元件的設(shè)計(jì)制造則更為成熟可靠。因此，psf編碼的優(yōu)勢(shì)突出，不需要實(shí)現(xiàn)顯式編碼的光學(xué)元件，光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、輕量化，甚至可以直接將現(xiàn)有日常使用的成像設(shè)備改造為光譜成像設(shè)備。本專利技術(shù)正是對(duì)psf編碼進(jìn)行的相關(guān)技術(shù)研究。
5、對(duì)于多光譜壓縮成像系統(tǒng)，重構(gòu)圖像的質(zhì)量直接影響應(yīng)用效果，但是目前重構(gòu)效果與直接采集的質(zhì)量還是存在差距，這已成為制約其進(jìn)一步應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵。重構(gòu)圖像質(zhì)量與壓縮成像過程中的測(cè)量矩陣息息相關(guān)，好的測(cè)量矩陣能夠在采樣重構(gòu)過程中傳遞更多的信息通量，從而擁有更高的重構(gòu)圖像質(zhì)量。測(cè)量矩陣對(duì)應(yīng)在psf編碼中，就是編碼器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前大多為基于壓縮感知(compressed?sensing，cs)理論隨機(jī)生成的，或是人工設(shè)計(jì)的。測(cè)量矩陣可以分為確定性測(cè)量矩陣和隨機(jī)測(cè)量矩陣(佟岐.紅外壓縮成像關(guān)鍵技術(shù)研究[d].哈爾濱工程大學(xué)[2023-11-06].)。確定性測(cè)量矩陣產(chǎn)生方法主要有多項(xiàng)式測(cè)量矩陣、分塊多項(xiàng)式測(cè)量矩陣、代數(shù)曲線測(cè)量矩陣等。其優(yōu)點(diǎn)在于可以通過設(shè)計(jì)節(jié)省存儲(chǔ)空間，也可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的重構(gòu)算法以提高重構(gòu)的速度精度；缺點(diǎn)在于只能針對(duì)某些特定場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)與信號(hào)的稀疏度要求較高，對(duì)于像自然界中景物這種高復(fù)雜度信號(hào)的設(shè)計(jì)極為困難，相應(yīng)的重構(gòu)成功率也很低。與之相對(duì)地，隨機(jī)測(cè)量矩陣的優(yōu)點(diǎn)就在于對(duì)目標(biāo)信號(hào)稀疏度要求不高，對(duì)各種自然場(chǎng)景的適應(yīng)性更強(qiáng)。通常直接構(gòu)造的測(cè)量矩陣往往不是最優(yōu)的，因此對(duì)隨機(jī)測(cè)量矩陣的優(yōu)化從而實(shí)現(xiàn)對(duì)psf的優(yōu)化對(duì)于提高重建質(zhì)量十分必要，這一優(yōu)化過程又稱psf工程(jia?s,vaughan?j?c,zhuang?x.isotropic?3d?super-resolution?imagingwith?a?self-bending?point?spread?function[j].nature?photonics,2014,8(4):302-306.doi:10.1038/nphoton.2014.13.)。
6、目前psf工程常用優(yōu)化算法主要有遺傳算法、蟻群算法等(shechtman?y,sahl?sj,backer?as,et?al.optimal?point?spread?function?design?for?3d?imaging.[j].physical?review?letters,2014,113(13):133902.)、(conkey?d?b,brown?a?n,caravaca-aguirre?a?m,et?al.genetic?algorithm?optimization?for?focusingthrough?turbid?media?in?noisy?environments[j].optics?express,2012,20(5):4840-4849.),優(yōu)化目標(biāo)則需要針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，通常是針對(duì)光斑的均勻性、清晰度等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化(feng,fan,yang,et?al.multi-objective?optimizationgenetic?algorithm?for?multi-point?light?focusing?in?wavefront?shaping.[j].optics?express,2019,27(25):36459-36473.)，而對(duì)于在多光譜壓縮成像系統(tǒng)的測(cè)量矩陣優(yōu)化的應(yīng)用領(lǐng)域，psf工程的優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化算法都需要根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，本專利技術(shù)便集中在多光譜壓縮成像的psf工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本專利技術(shù)目的在于提供一種多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，即通過優(yōu)化算法對(duì)壓縮采樣矩陣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)psf的優(yōu)化，使得光學(xué)傳遞信息通量最大且多譜段間相關(guān)性最小，同時(shí)增大成像空間分辨率和光譜分辨率，從而提高重構(gòu)精度。
2、為了實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)的目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
3、一種多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟：
4、(1)生成n個(gè)初始隨機(jī)掩模作為初始種群，計(jì)算每個(gè)掩模的目標(biāo)函數(shù)(f1，f2)；其中，第一個(gè)指標(biāo)f1為調(diào)制傳遞函數(shù)在頻域空間內(nèi)的二重本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(1)中，f1計(jì)算公式為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(1)中，f2計(jì)算公式為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述目標(biāo)函數(shù)(f1，f2)公式為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(2)中，選擇、交叉、變異的操作具體為：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，利用NSGAII算法對(duì)所述多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其中，主體框架采用GA遺傳算法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，每一個(gè)相位模板maski對(duì)應(yīng)一個(gè)體元素xi，為使每個(gè)目標(biāo)函數(shù)對(duì)擁擠距離具有等效的影響力，在計(jì)算的過程中分別對(duì)f1和f2進(jìn)行歸一化處理
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述相位模板的類型包括超像素隨機(jī)模板、高斯噪聲模板；相應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)為超像素模板像素值、高斯噪聲模板的高斯均值方差。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述多光譜壓縮成像系統(tǒng)由平行光管作為短波紅外目標(biāo)源，通過更換分劃板、波羅板作為不同的目標(biāo)物，出射的平行光通過焦距f的第一成像透鏡組聚焦在第一光闌的物面，形成物面目標(biāo)源，進(jìn)入4f系統(tǒng)，4f系統(tǒng)中首先經(jīng)過偏光鏡和濾光輪的起偏和濾光，得到選定波段的偏振光，準(zhǔn)直鏡頭作為4f系統(tǒng)的第一透鏡，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的傅里葉頻域變換，通過分束鏡被空間光調(diào)制器上的隨機(jī)相位實(shí)現(xiàn)頻域的調(diào)制，一對(duì)正交的柱透鏡組作為4f系統(tǒng)的第二透鏡，實(shí)現(xiàn)傅里葉反變換，最后得到的調(diào)制像被像面處的相機(jī)捕獲。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述多光譜壓縮成像系統(tǒng)的多光譜壓縮成像過程包括點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)標(biāo)定和多光譜成像；
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(1)中，f1計(jì)算公式為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(1)中，f2計(jì)算公式為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述目標(biāo)函數(shù)(f1，f2)公式為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(2)中，選擇、交叉、變異的操作具體為：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，利用nsgaii算法對(duì)所述多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其中，主體框架采用ga遺傳算法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜壓縮成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，每一個(gè)相位模板maski對(duì)應(yīng)一個(gè)體元素xi，為使每個(gè)目標(biāo)函數(shù)對(duì)擁擠距離具有等效的影響力，在計(jì)算...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫瑩瑩，高穹，魏乃科，何欣，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：之江實(shí)驗(yàn)室，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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