【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于光學(xué)成像單像素成像領(lǐng)域，具體涉及一種彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)及其對重建圖像的顏色校準(zhǔn)方法。
技術(shù)介紹
1、單像素成像技術(shù)在光譜成像、近紅外成像以及太赫茲成像等非可見光波段的應(yīng)用中具有廣泛的前景，尤其在安防監(jiān)控、醫(yī)學(xué)成像、遙感檢測和食品安全檢測等領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。
2、單像素成像技術(shù)作為一種新興的成像方式，通過使用空間光調(diào)制器對入射光進(jìn)行光場調(diào)制，結(jié)合單像素探測器采集的光強(qiáng)信息，最終通過重構(gòu)算法還原出目標(biāo)物體的圖像。相比傳統(tǒng)的面陣成像，單像素成像技術(shù)能夠在較低成本下實(shí)現(xiàn)多波段成像，特別是在近紅外、太赫茲等非可見光波段表現(xiàn)出優(yōu)勢。
3、彩色成像和近紅外成像作為現(xiàn)代成像技術(shù)的兩個(gè)重要領(lǐng)域，在眾多應(yīng)用場景中扮演著關(guān)鍵角色。彩色成像主要用于可見光譜范圍內(nèi)的信息捕捉，廣泛應(yīng)用于日常的視覺設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)和遙感等領(lǐng)域。而近紅外成像則對人眼不可見的近紅外光譜敏感，適用于夜視、醫(yī)療診斷和農(nóng)業(yè)監(jiān)測等特定應(yīng)用。
4、然而，傳統(tǒng)成像系統(tǒng)中，彩色成像與近紅外成像往往需要獨(dú)立的硬件系統(tǒng)，增加了設(shè)備的復(fù)雜性與成本。
5、彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)：首先，現(xiàn)有系統(tǒng)多采用分散光路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺乏緊湊性，難以適應(yīng)對設(shè)備便攜性有較高要求的應(yīng)用場景。其次，現(xiàn)有的分光方案能量利用率不高，特別是在多波段成像時(shí)，系統(tǒng)能量利用率低下，影響成像質(zhì)量和系統(tǒng)效率。綜上，目前技術(shù)難以在高緊湊性的一體化的系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)彩色與近紅外單像素成像。
6、文本-行人檢索技術(shù)廣泛應(yīng)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)及其對重建圖像的顏色校準(zhǔn)方法，能夠在保證彩色圖像質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)彩色與近紅外的單像素成像，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
2、所述彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)由光源、相機(jī)鏡頭、空間光調(diào)制器dmd、平面反射鏡、分光模塊、單像素探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和計(jì)算機(jī)組成。
3、所述平面反射鏡包括第一平面反射鏡和第二平面反射鏡；所述分光模塊包括第一分光模塊和第二分光模塊；所述單像素探測器包括第一單像素光電探測器，第二單像素光電探測器，第三單像素光電探測器和第四單像素光電探測器；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括第一ad轉(zhuǎn)換器，第二ad轉(zhuǎn)換器，第三ad轉(zhuǎn)換器和第四ad轉(zhuǎn)換器；
4、光源發(fā)射的光束，對準(zhǔn)待測物體；通過相機(jī)鏡頭將待測物體反射的光束匯聚到dmd；計(jì)算機(jī)與dmd及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接，用于生成哈達(dá)瑪掩膜圖案發(fā)送至dmd；
5、dmd作為空間光調(diào)制器，由成像模塊、空間光調(diào)制模塊和探測模塊組成；成像模塊將光源照射下的物體成像于dmd表面，保證物象關(guān)系；空間光調(diào)制模塊將物體所成像在空間域調(diào)制編碼，基于空間域分光方案在光譜域上進(jìn)行分離；探測模塊負(fù)責(zé)同步采集經(jīng)由調(diào)制的r、g、b與近紅外四路光的空間信息與光譜信息，隨之傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行全彩單像素成像的圖像重建，旨在實(shí)現(xiàn)彩色與近紅外的同步成像；
6、具體為：
7、dmd采用數(shù)字微鏡陣列進(jìn)行空間光調(diào)制，將哈達(dá)瑪掩膜圖案通過控制微鏡翻轉(zhuǎn)對光束進(jìn)行調(diào)制，將入射光分別以±12°角反射，提供兩個(gè)光路分別入射到第一平面反射鏡和第二平面反射鏡；
8、第一平面反射鏡將光束引導(dǎo)至第一光束收集透鏡，將反射光束垂直匯聚到第一分光模塊的光軸面上，第一分光模塊包括第一二向色鏡與第一濾光片，光束經(jīng)過第一二向色鏡后同時(shí)反射和透射光束，其中反射光束為紅光波段，發(fā)送到第二單像素光電探測器，透射光束經(jīng)第一濾光片后透過藍(lán)光波段，發(fā)送到第一單像素光電探測器；
9、第一單像素光電探測器采集藍(lán)光的光強(qiáng)信號，通過第一ad轉(zhuǎn)換通道將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再發(fā)送至計(jì)算機(jī)；第二單像素光電探測器采集紅光的光強(qiáng)信號，通過第二ad轉(zhuǎn)換通道將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再發(fā)送至計(jì)算機(jī)。
10、第二平面反射鏡將光束引導(dǎo)至第二光束收集透鏡，將反射光束匯聚到第二分光模塊的光軸面上，第二分光模塊包括第二二向色鏡；光束經(jīng)過第二二向色鏡后同時(shí)反射和透射光束，反射光束為綠光波段發(fā)送到第三單像素光電探測器，透射近紅外波段光束發(fā)送到第四像素光電探測器；第三單像素光電探測器采集綠光的光強(qiáng)信號，通過第三ad轉(zhuǎn)換通道將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，發(fā)送至計(jì)算機(jī)，第四單像素光電探測器采集近紅外光的光強(qiáng)信號，通過第四ad轉(zhuǎn)換通道將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再發(fā)送至計(jì)算機(jī)。
11、最后，計(jì)算機(jī)將模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的所有數(shù)字信號與哈達(dá)瑪掩膜圖像進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，對待測物體進(jìn)行圖像恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)彩色與近紅外的同步成像；
12、所述同步成的圖像i由下式進(jìn)行重建：
13、i＝pt×s＝p-1×s＝p-1×p×o＝o
14、dmd投影的掩膜圖案數(shù)量為m，p為空間光調(diào)制器上加載的m個(gè)掩膜圖案構(gòu)成的調(diào)制矩陣p＝[p1,p2,…,pi,…,pm]t；s為測量矩陣：s＝[s1,s2,…,si,…,sm]t，對于每次測量，單點(diǎn)探測器接收到的光強(qiáng)信號si表示為：si＝pi×o；
15、pi為掩膜圖案：pi＝[pi1,pi2,…,pin]，其中每個(gè)元素對應(yīng)掩膜圖案各點(diǎn)的強(qiáng)度。
16、重建圖像的像素大小為n，對應(yīng)著每個(gè)掩膜圖案的矩陣大小；o為包含n個(gè)元素的向量o＝[o1,o2,…,on]t，每個(gè)元素反映目標(biāo)物體在相應(yīng)空間位置上的對應(yīng)像素值。
17、所述彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)對重建圖像的顏色校準(zhǔn)方法，具體步驟如下：
18、步驟一、光源發(fā)射光束照射黑色卡，通過相機(jī)鏡頭匯聚于dmd，獲取第一恢復(fù)rgb的灰度值和第一紅外圖像的灰度值；
19、計(jì)算公式為：
20、
21、
22、其中，sr1i表示光源發(fā)射的光束照射黑色卡，第i次測量時(shí)紅光波段對應(yīng)的探測器探測到的測量矩陣；sb1i表示光源發(fā)射的光束照射黑色卡，第i次測量時(shí)藍(lán)光波段對應(yīng)的探測器探測到的測量矩陣；sg1i表示光源發(fā)射的光束照射黑色卡，第i次測量時(shí)綠光波段對應(yīng)的探測器探測到的測量矩陣；sir1i表示光源發(fā)射的光束照射黑色卡，第i次測量時(shí)紅外波段對應(yīng)的探測器探測到的測量矩陣；hi表示在光源發(fā)射的光束照射色卡通過相機(jī)鏡頭匯聚于dmd時(shí)，dmd顯示第i個(gè)哈達(dá)瑪圖案過程中計(jì)算機(jī)從單像素光電探測器獲得的數(shù)字信號，lr1、lg1、lb1分別為第一恢復(fù)r、g、b的灰度值；lir1為第一紅外圖像的灰度值；
23、步驟二、光源發(fā)射光束照射白色卡，通過相機(jī)鏡頭匯聚于dmd，獲取第二恢復(fù)rgb的灰度值；
24、計(jì)算公式為：
25、
26、
27、其中，lr2、、lg2?lb2分別為第二恢復(fù)r、g、b的灰度值；sr2i表示光源發(fā)射的光束照射白色卡，第i次測量時(shí)紅光波段對應(yīng)的探測本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)，其特征在于，具體包括：光源、相機(jī)鏡頭、空間光調(diào)制器DMD、平面反射鏡、分光模塊、單像素探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和計(jì)算機(jī)組成；
2.如權(quán)利要求1所述的一種彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)，其特征在于，所述DMD作為空間光調(diào)制器，由成像模塊、空間光調(diào)制模塊和探測模塊組成；成像模塊將光源照射下的物體成像于DMD表面，保證物象關(guān)系；空間光調(diào)制模塊將物體所成像在空間域調(diào)制編碼，基于空間域分光方案在光譜域上進(jìn)行分離；探測模塊負(fù)責(zé)同步采集經(jīng)由調(diào)制的R、G、B與近紅外四路光的空間信息與光譜信息，隨之傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行全彩單像素成像的圖像重建，旨在實(shí)現(xiàn)彩色與近紅外的同步成像。
3.如權(quán)利要求1所述的一種彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)，其特征在于，所述DMD采用數(shù)字微鏡陣列進(jìn)行空間光調(diào)制，將哈達(dá)瑪掩膜圖案通過控制微鏡翻轉(zhuǎn)對光束進(jìn)行調(diào)制，將入射光分別以±12°角反射，提供兩個(gè)光路分別入射到第一平面反射鏡和第二平面反射鏡；
4.如權(quán)利要求3所述的一種彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)，其特征在于，所述同步成的圖像I由下式進(jìn)行重建：
5.應(yīng)用權(quán)利
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)，其特征在于，具體包括：光源、相機(jī)鏡頭、空間光調(diào)制器dmd、平面反射鏡、分光模塊、單像素探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和計(jì)算機(jī)組成；
2.如權(quán)利要求1所述的一種彩色與近紅外單像素成像系統(tǒng)，其特征在于，所述dmd作為空間光調(diào)制器，由成像模塊、空間光調(diào)制模塊和探測模塊組成；成像模塊將光源照射下的物體成像于dmd表面，保證物象關(guān)系；空間光調(diào)制模塊將物體所成像在空間域調(diào)制編碼，基于空間域分光方案在光譜域上進(jìn)行分離；探測模塊負(fù)責(zé)同步采集經(jīng)由調(diào)制的r、g、b與近紅外四路光的空間信息與光譜信息，隨之傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行全...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫鳴捷，洪小玲，宋來亮，
申請(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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