快速大圖像單像素成像裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種快速大圖像單像素成像裝置和方法，包括前端成像裝置、列調(diào)制裝置、探測(cè)裝置、中央控制裝置和并行計(jì)算裝置；所述前端成像裝置將帶有被測(cè)目標(biāo)信息的信號(hào)成像于列調(diào)制裝置所在平面；由列調(diào)制裝置使用短編碼序列進(jìn)行空間編碼；所述探測(cè)裝置檢測(cè)空間編碼后的累加強(qiáng)度信號(hào)，并將其送入中央控制裝置處理；所述中央控制裝置控制空間編碼序列的更換，并將獲得的信號(hào)分配至并行計(jì)算裝置進(jìn)行圖像重構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：克服了單像素成像技術(shù)在大圖像處理時(shí)編碼序列、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)資源需求和圖像重構(gòu)時(shí)間均十分巨大的困難，通過并行計(jì)算模式提升了計(jì)算機(jī)的使用效率，解決了單像素成像技術(shù)無法應(yīng)用于快速大圖像成像場(chǎng)合的難題。
【專利說明】快速大圖像單像素成像裝置和方法
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種快速大圖像單像素成像裝置和方法，屬于成像【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]成像技術(shù)在各行各業(yè)中無處不在，例如可見光的照相機(jī)和攝像機(jī)、物質(zhì)分析中的光譜成像、地球探測(cè)中的遙感成像、醫(yī)學(xué)中的X射線成像、雷達(dá)成像、紅外波段的熱成像、安檢安防中的毫米波和太赫茲成像等。根據(jù)成像系統(tǒng)中探測(cè)器的數(shù)量，成像技術(shù)可以分為單像素(單探測(cè)器)技術(shù)和陣列(多探測(cè)器)技術(shù)兩種。單像素技術(shù)使用單一探測(cè)器，通常通過移動(dòng)探測(cè)器或者移動(dòng)系統(tǒng)中成像元件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的掃描成像。陣列技術(shù)通常則不需要移動(dòng)任何元件，可直接在像平面上同時(shí)探測(cè)多點(diǎn)的信息，直接生成目標(biāo)的像。
[0003]在可見光波段，陣列技術(shù)已經(jīng)十分成熟，如CCD技術(shù)等。然而在電磁波譜中更為廣闊的其他波段，例如毫米波、太赫茲、紅外等區(qū)域，陣列式探測(cè)器的成本高昂，且其元件性能(如靈敏度等)達(dá)不到單探測(cè)器獨(dú)立工作時(shí)的水平，因而在這些波段，單像素技術(shù)體現(xiàn)出了其優(yōu)勢(shì)。采用機(jī)械掃描的單像素技術(shù)的主要問題在于其成像速度慢，每次僅采集圖像上一個(gè)很小區(qū)域的信號(hào)，信噪比不高，尤其是在很多被動(dòng)成像場(chǎng)合，需要很長(zhǎng)的時(shí)間采集微弱的信號(hào)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)成像的要求。
[0004]近年來,壓縮感知(Compressive Sensing)理論為單像素成像提供了新的解決思路。其核心思想是利用信號(hào)的稀疏特性，采用小于Nyquist采樣極限的采樣數(shù)據(jù)量，通過一定的重構(gòu)算法，求解欠定線性方程組，恢復(fù)出原始信號(hào)。壓縮感知技術(shù)可以有效地降低圖像的采樣率，縮短采樣時(shí)間，而且由于壓縮感知成像中探測(cè)器收到的信號(hào)是由圖像上多點(diǎn)的信號(hào)累加而成，其信噪比也得到大幅提高。一些應(yīng)用壓縮感知的單像素成像技術(shù)方案已經(jīng)被提出，如已有專利:一種光場(chǎng)采樣及重構(gòu)方法與裝置，公開(公告)號(hào):CN102306291A。
[0005]現(xiàn)有的壓縮感知成像方案多采用對(duì)圖像進(jìn)行空間編碼的方式來實(shí)現(xiàn)，成一幅圖像往往需要更換多次空間編碼，因而需要一個(gè)較長(zhǎng)的編碼序列。隨著圖像像素的增多，編碼序列的長(zhǎng)度快速增長(zhǎng)，同時(shí)重構(gòu)算法中的計(jì)算量以及所需計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量也平方級(jí)地增長(zhǎng)，這導(dǎo)致重構(gòu)一幅圖像所需的時(shí)間隨著圖像尺度的增大而快速延長(zhǎng)。這些瓶頸都導(dǎo)致具有很多像素的大圖像(例如1920 X 1200像素)的快速成像超出了單像素成像的能力范疇。而且采用壓縮感知技術(shù)往往需要等待圖像中的所有數(shù)據(jù)都采集完畢后才可開始圖像重構(gòu)的計(jì)算，在采集數(shù)據(jù)期間計(jì)算機(jī)則相對(duì)空閑，計(jì)算機(jī)資源和時(shí)間沒有得到充分利用。另一方面，在毫米波太赫茲等波段，完成空間編碼所需的空間光調(diào)制技術(shù)缺乏，如采用機(jī)械調(diào)制的方式則更換編碼的速度相對(duì)較慢，而且像素很多的大圖像也將導(dǎo)致異常龐大的機(jī)械編碼模塊。
[0006]綜上所述，單像素系統(tǒng)對(duì)于大圖像的快速成像依然是單像素成像領(lǐng)域一個(gè)尚未解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決單像素成像系統(tǒng)對(duì)于大圖像快速成像能力不足，無法合理有效地利用計(jì)算機(jī)資源的問題，提出一種快速大圖像單像素成像裝置和方法。
[0008]本發(fā)明的思想在于:使用一個(gè)長(zhǎng)度很短的編碼序列生成系統(tǒng)中所需的所有編碼序列和矩陣，采用列編碼的模式替代在整個(gè)像平面上進(jìn)行編碼的模式，每一列均采用同一個(gè)短編碼序列和重構(gòu)算法，所需解決的重構(gòu)問題的復(fù)雜性尺度實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的降低，同時(shí)逐列編碼的模式也使得系統(tǒng)可以在采集數(shù)據(jù)時(shí)就同步地進(jìn)行重構(gòu)計(jì)算。
[0009]本發(fā)明的快速大圖像單像素成像裝置和方法是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0010]一種快速大圖像單像素成像裝置，包括前端成像裝置、列調(diào)制裝置、探測(cè)裝置、中央控制裝置和并行計(jì)算裝置；所述前端成像裝置將帶有被測(cè)目標(biāo)信息的信號(hào)成像于列調(diào)制裝置所在平面；所述列調(diào)制裝置使用中央控制裝置中預(yù)存的短編碼序列逐列形成一維空間調(diào)制花紋，對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行一維空間編碼；所述探測(cè)裝置檢測(cè)空間編碼后的累加強(qiáng)度信號(hào)，并將其送入中央控制裝置進(jìn)行處理；所述中央控制裝置用于對(duì)所述快速大圖像單像素成像裝置的各個(gè)系統(tǒng)組件進(jìn)行時(shí)間同步，對(duì)列調(diào)制裝置空間編碼序列的更換進(jìn)行控制，并將探測(cè)裝置輸入的信號(hào)分配至并行計(jì)算裝置進(jìn)行圖像重構(gòu)，并行裝置的圖像重構(gòu)結(jié)果送回中央控制裝置并組合為目標(biāo)圖像。
[0011]優(yōu)選的，所述的短編碼序列是由0、1組成的二進(jìn)制編碼序列，其長(zhǎng)度為圖像沿列方向的像素值Np
[0012]優(yōu)選的，所述的前端成像裝置是成像透鏡反射鏡組。
[0013]優(yōu)選的，所述的列調(diào)制裝置是一種可一維編碼的空間光調(diào)制器，放置于所述前端成像裝置的像平面上。
[0014]優(yōu)選的，所述的空間光調(diào)制器每一單元大小對(duì)應(yīng)于圖像的一個(gè)像素；每一單元均可根據(jù)編碼序列被置于高透過(全透過)或低透過(不透過)兩種狀態(tài)之一。
[0015]優(yōu)選的，所述的探測(cè)裝置包括信號(hào)會(huì)聚鏡和探測(cè)器。
[0016]優(yōu)選的，所述的信號(hào)會(huì)聚鏡是會(huì)聚透鏡或會(huì)聚反射鏡或會(huì)聚透鏡反射鏡組；
[0017]優(yōu)選的，所述的探測(cè)器是一種單像素強(qiáng)度探測(cè)器。
[0018]優(yōu)選的，所述的中央控制裝置包括數(shù)據(jù)采集裝置、中央處理器、非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)、控制裝置和顯示屏；所述數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)探測(cè)裝置送入的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理；所述中央處理器完成系統(tǒng)的時(shí)間同步控制、信號(hào)指令的發(fā)送、與并行裝置之間的數(shù)據(jù)交換，以及將圖像重構(gòu)的結(jié)果顯示在顯示屏上；所述非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)列調(diào)制裝置所需的短編碼序列、相應(yīng)的矩陣和重構(gòu)程序；所述控制裝置根據(jù)中央處理器的指令，更換列調(diào)制裝置上的編碼序列。
[0019]優(yōu)選的，所述的并行計(jì)算裝置是多個(gè)并行計(jì)算處理器的組合；所述并行計(jì)算處理器根據(jù)中央處理器的指令，利用非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)中存放的程序，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一維列圖像重構(gòu)，并將重構(gòu)結(jié)果送回中央處理器。
[0020]此外，還提供了一種快速大圖像單像素成像方法，其成像步驟如下:
[0021]步驟1:前端光學(xué)裝置將待測(cè)目標(biāo)的像成于列調(diào)制裝置所置平面；
[0022]步驟2:對(duì)圖像上的每一列重復(fù)下列步驟3— 6 ；
[0023]步驟3:列調(diào)制裝置對(duì)像平面第i列進(jìn)行空間編碼，編碼序列中O對(duì)應(yīng)于低透過狀態(tài)，I對(duì)應(yīng)于高透過狀態(tài)，首先將所有單元均置于O狀態(tài)；
[0024]步驟4:由探測(cè)裝置采集一個(gè)強(qiáng)度信號(hào)Yitl送入中央控制裝置；[0025]步驟5:由中央控制裝置發(fā)布指令，控制列調(diào)制裝置按照中央控制裝置中預(yù)存的短編碼序列對(duì)第i列進(jìn)行M次空間編碼，其中M小于等于短編碼序列長(zhǎng)度N1，其中第j次空間編碼的序列由所述短編碼序列向如循環(huán)平移floor ((j-1) XNi/M)單位得到,f10r O表示向下取整，每次變換空間編碼后均由探測(cè)裝置采集一個(gè)強(qiáng)度信號(hào)Yij送入中央控制裝置；
[0026]步驟6:當(dāng)?shù)趇列的所有M+1個(gè)信號(hào)均采集完畢后，中央控制裝置將Yitl和Yij全部送入并行計(jì)算裝置，并控制列調(diào)制裝置開始對(duì)圖像上的下一列，即第i+Ι列進(jìn)行調(diào)制；
[0027]步驟7:每當(dāng)并行計(jì)算裝置收到一組完整的Yic^P Yu之后，由下一個(gè)空閑的并行計(jì)算處理器對(duì)此列圖像進(jìn)行重構(gòu)，得到重構(gòu)后的列向量Xi并將其送回中央處理器；
[0028]步驟8:每當(dāng)中央處理器收到一個(gè)由并行計(jì)算裝置送來的列向量Xi,即在屏幕上刷新第i列所對(duì)應(yīng)的圖像。
[0029]優(yōu)選的，所述步驟5中預(yù)存的短編碼序列由偽隨機(jī)序列或阿達(dá)瑪編碼序列構(gòu)成。
[0030]優(yōu)選的，所述步驟7中的重構(gòu)方法包括:生成M個(gè)信號(hào)yij，使得Xij=Yij-Yitl,這M個(gè)信號(hào)組成一個(gè)列向量Yi ;而后求解有限制最優(yōu)化問題，限制條件是Yi=Oxi，其中Xi為代表第i列重構(gòu)圖像的列向量，φ為由M個(gè)空間編碼組成的大小為MXN1的矩陣，最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可以是Xi的L-O范數(shù)、L-1范數(shù)或其全變差的L-1范數(shù)；或者如果短編碼序列是孿生素?cái)?shù)阿達(dá)瑪編碼序列(Nl=pXq且q=p+2且p、q均為素?cái)?shù))時(shí)，也可使用弛豫算法計(jì)算出阿達(dá)瑪矩陣中未被探測(cè)的信號(hào)，再乘上變換矩陣的逆得到Xi。
[0031]上述快速大圖像單像素成像方法中所使用的成像裝置可以是上述大圖像單像素成像裝置的任一種。
[0032]本發(fā)明提出的快速大圖像單像素成像裝置和方法，有以下一些有益效果。一是僅需一個(gè)長(zhǎng)度僅為圖像一列像素值的短編碼二進(jìn)制序列即生成了所需的所有空間編碼序列和相應(yīng)矩陣，大大減小了非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)的大??；通過一維列編碼模式，將隨圖像像素值多少而平方級(jí)增長(zhǎng)的重構(gòu)復(fù)雜度降低為1.5次方增長(zhǎng)的復(fù)雜度，對(duì)于大圖像來說，意味著重構(gòu)時(shí)間和所需存儲(chǔ)量在數(shù)量級(jí)上的降低；同時(shí)通過并行計(jì)算，使得信號(hào)采集和圖像重構(gòu)可以同時(shí)進(jìn)行。這些因素大大降低了單像素圖像重構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的需求，使得單像素大圖像快速重構(gòu)可以在普通的具有多核CPU的個(gè)人電腦上完成。二是通過一維列調(diào)制的方式，大大減小了所需的空間光調(diào)制器的尺寸，尤其是在毫米波太赫茲等空間光調(diào)制技術(shù)仍然缺乏的波段，將使得機(jī)械調(diào)制的方式成為可行的方案。三是相比于傳統(tǒng)的單像素大圖像掃描成像，由于系統(tǒng)同時(shí)采集多個(gè)像素上的累加信號(hào)強(qiáng)度，信噪比也得到大幅度提高?？傊景l(fā)明賦予了單像素成像系統(tǒng)快速處理大圖像的能力，解決了單像素成像技術(shù)的這一難題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明快速大圖像單像素成像裝置原理圖。
[0034]圖2是本發(fā)明快速大圖像單像素成像裝置的一種實(shí)施方式的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，請(qǐng)同時(shí)參考圖1和圖2:
[0036]本發(fā)明快速大圖像單像素成像裝置包括前端成像裝置100、列調(diào)制裝置200、探測(cè)裝置300、中央控制裝置400和并行計(jì)算裝置500。[0037]前端成像裝置100是成像透鏡反射鏡組101，將待測(cè)目標(biāo)成像于列調(diào)制裝置200所
在平面。
[0038]列調(diào)制裝置200是可進(jìn)行一維編碼的空間光調(diào)制器，可以是一維液晶光閥、一維數(shù)字微鏡陣列或柔性PCB模板，置于前端成像裝置100的像平面上，其長(zhǎng)度不小于所需成像的一列的長(zhǎng)度，其上每一個(gè)編碼單元大小對(duì)應(yīng)圖像上一個(gè)像素大小。在本實(shí)施例中，列調(diào)制裝置200是兩塊緊密平行放置的柔性PCB模板201、202，其中第一塊柔性PCB模板201上有列編碼序列，第二塊柔性PCB模板202上有列狹縫，兩塊模板均可根據(jù)中央控制裝置400的指令對(duì)準(zhǔn)前端成像裝置100的像平面上每一列。
[0039]探測(cè)裝置300包括信號(hào)會(huì)聚鏡301和探測(cè)器302，信號(hào)會(huì)聚鏡301是會(huì)聚透鏡或會(huì)聚反射鏡或會(huì)聚透鏡反射鏡組，探測(cè)器302是單像素強(qiáng)度探測(cè)器。探測(cè)裝置300用于采集經(jīng)過列調(diào)制裝置200空間編碼后的累加強(qiáng)度信號(hào)。在本實(shí)施例中，信號(hào)會(huì)聚鏡301是拋物面聚焦反射鏡，單像素強(qiáng)度探測(cè)器302可以是肖特基二極管探測(cè)器。
[0040]中央控制裝置400包括數(shù)據(jù)采集裝置401、中央處理器402、非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)403、控制裝置404和顯示屏405 ;數(shù)據(jù)采集裝置401對(duì)探測(cè)器302送入的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理；中央處理器402完成系統(tǒng)的時(shí)間同步控制、信號(hào)指令的發(fā)送、與并行計(jì)算裝置500之間的數(shù)據(jù)交換，以及將圖像重構(gòu)的結(jié)果顯示在顯示屏405上；非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)403存儲(chǔ)列調(diào)制裝置200所需的短編碼序列以及圖像重構(gòu)時(shí)所需的相應(yīng)矩陣和重構(gòu)程序；控制裝置404根據(jù)中央處理器402的指令，更換列調(diào)制裝置200上的編碼序列。在本實(shí)施例中，控制裝置404包括驅(qū)動(dòng)柔性PCB模板轉(zhuǎn)動(dòng)的控制電路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主動(dòng)軸和傳動(dòng)軸等(未畫出)，兩塊柔性PCB模板首尾相連形成矩形纏繞在主動(dòng)軸和傳動(dòng)軸上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)控制電路發(fā)送的指令驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸，從而旋轉(zhuǎn)PCB模板，實(shí)現(xiàn)編碼序列的更換。
[0041]并行計(jì)算裝置500是多個(gè)并行計(jì)算處理器的組合501 ;并行計(jì)算處理器根據(jù)中央處理器402的指令，利用非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)403中存放的程序，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一維列圖像重構(gòu)，并將重構(gòu)結(jié)果送回中央處理器402。
[0042]結(jié)合本實(shí)施例，快速大圖像單像素成像方法的步驟如下:
[0043]步驟1:前端光學(xué)裝置100將待測(cè)目標(biāo)的像成于列調(diào)制裝置200所置平面；
[0044]步驟2:對(duì)圖像上的每一列重復(fù)下列步驟3— 6 ；
[0045]步驟3:列調(diào)制裝置200對(duì)像平面第i列進(jìn)行空間編碼，編碼序列中O對(duì)應(yīng)于低透過狀態(tài)，I對(duì)應(yīng)于高透過狀態(tài)，首先將所有單元均置于O狀態(tài)；
[0046]步驟4:由探測(cè)器302采集一個(gè)強(qiáng)度信號(hào)Yitl送入中央處理器402 ；
[0047]步驟5:由中央處理器402發(fā)布指令，控制列調(diào)制裝置200按照非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)403中預(yù)存的短編碼序列對(duì)第i列進(jìn)行M次空間編碼，其中M小于等于短編碼序列長(zhǎng)度N1,其中第j次空間編碼的序列由所述短編碼序列向前循環(huán)平移floor ((j-1) XN/M)單位得至IJ，floor O表示向下取整，每次變換空間編碼后均由探測(cè)器302采集一個(gè)強(qiáng)度信號(hào)Yij送入中央處理器402 ;在本實(shí)施例中，編碼預(yù)先制作在第一塊柔性PCB模板201上，由控制裝置404驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)完成編碼的轉(zhuǎn)換；
[0048]步驟6:當(dāng)?shù)趇列的所有M+1個(gè)信號(hào)均采集完畢后，中央處理器402將Yitl和Yij全部送入并行計(jì)算裝置500，并控制列調(diào)制裝置200開始對(duì)圖像上的下一列，即第i+Ι列進(jìn)行調(diào)制，在本實(shí)施例中，由控制裝置404驅(qū)動(dòng)第二塊柔性PCB202模板對(duì)準(zhǔn)圖像上的下一列；[0049]步驟7:每當(dāng)并行計(jì)算裝置500收到一組完整的Yitl和Yij之后，由下一個(gè)空閑的并行計(jì)算處理器501對(duì)此列圖像進(jìn)行重構(gòu)，得到重構(gòu)后的列向量Xi并將其送回中央處理器402 ；
[0050]步驟8:每當(dāng)中央處理器402收到一個(gè)由并行計(jì)算裝置500送來的列向量Xi,即在顯示屏405上刷新第i列所對(duì)應(yīng)的圖像。
[0051]其中步驟5中預(yù)存的短編碼序列由偽隨機(jī)序列或阿達(dá)瑪編碼序列構(gòu)成。
[0052]其中步驟7中的重構(gòu)方法包括:生成M個(gè)信號(hào)yij，使得Yij=Yij-Yitl,這M個(gè)信號(hào)組成一個(gè)列向量yi ;而后求解有限制最優(yōu)化問題，限制條件是Yi=CDxi，其中Xi為代表第i列重構(gòu)圖像的列向量，φ為由M個(gè)空間編碼組成的大小為MXN1的矩陣，最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可以是Xi的L-O范數(shù)、L-1范數(shù)或其全變差的L-1范數(shù)，在本實(shí)施例中采用Chengbo Li等作者在 Computational Optimization and Applications 上發(fā)表的 “An efficient augmentedLagrangian method with applications to total variation minimization，，中提出的TVAL3算法重構(gòu)列圖像；或者如果短編碼序列是孿生素?cái)?shù)阿達(dá)瑪編碼序列(Nl=pXq且q=p+2且p、q均為素?cái)?shù))時(shí)，也可使用弛豫算法計(jì)算出阿達(dá)瑪矩陣中未被探測(cè)的信號(hào)，再乘上變換矩陣的逆得到Xi。
[0053]以上所述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一種具體實(shí)現(xiàn)方法，并不能理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員在本發(fā)明的思想框架下，作出一些改進(jìn)和變動(dòng)，應(yīng)當(dāng)理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種快速大圖像單像素成像裝置，其特征在于:包括前端成像裝置、列調(diào)制裝置、探測(cè)裝置、中央控制裝置和并行計(jì)算裝置；所述前端成像裝置將帶有被測(cè)目標(biāo)信息的信號(hào)成像于列調(diào)制裝置所在平面；所述列調(diào)制裝置使用中央控制裝置中預(yù)存的短編碼序列逐列形成一維空間調(diào)制花紋，對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行一維空間編碼；所述探測(cè)裝置檢測(cè)空間編碼后的累加強(qiáng)度信號(hào)，并將其送入中央控制裝置進(jìn)行處理；所述中央控制裝置用于對(duì)所述快速大圖像單像素成像裝置的各個(gè)系統(tǒng)組件進(jìn)行時(shí)間同步，對(duì)列調(diào)制裝置空間編碼序列的更換進(jìn)行控制，并將探測(cè)裝置輸入的信號(hào)分配至并行計(jì)算裝置進(jìn)行圖像重構(gòu)，并行裝置的圖像重構(gòu)結(jié)果送回中央控制裝置并組合為目標(biāo)圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速大圖像單像素成像裝置，其特征在于:所述的短編碼序列是由0、1組成的二進(jìn)制編碼序列，其長(zhǎng)度為圖像沿列方向的像素值隊(duì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速大圖像單像素成像裝置，其特征在于:所述的前端成像裝置是成像透鏡反射鏡組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速大圖像單像素成像裝置，其特征在于:所述的列調(diào)制裝置是一種可一維編碼的空間光調(diào)制器，放置于所述前端成像裝置的像平面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速大圖像單像素成像裝置，其特征在于:所述的空間光調(diào)制器每一單元大小對(duì)應(yīng)于圖像的一個(gè)像素；每一單元均可根據(jù)編碼序列被置于高透過或低透過兩種狀態(tài)之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速大圖像單像素成像裝置，其特征在于:所述的探測(cè)裝置包括信號(hào)會(huì)聚鏡和探測(cè)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速大圖像單像素成像裝置，其特征在于:所述的中央控制裝置包括數(shù)據(jù)采集裝置、中央處理器、非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)、控制裝置和顯示屏；所述數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)探測(cè)裝置送入的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理；所述中央處理器完成系統(tǒng)的時(shí)間同步控制、信號(hào)指令的發(fā)送、與并行裝置之間的數(shù)據(jù)交換，以及將圖像重構(gòu)的結(jié)果顯示在顯示屏上；所述非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)列調(diào)制裝置所需的短編碼序列、相應(yīng)的矩陣和重構(gòu)程序；所述控制裝置根據(jù)中央處理器的指令，更換列調(diào)制裝置上的編碼序列。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的快速大圖像單像素成像裝置，其特征在于:所述的并行計(jì)算裝置是多個(gè)并行計(jì)算處理器的組合；所述并行計(jì)算處理器根據(jù)中央處理器的指令，利用非瞬態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)中存放的程序，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一維列圖像重構(gòu)，并將重構(gòu)結(jié)果送回中央處理器。
9.一種快速大圖像單像素成像方法，其特征在于:成像步驟如下: 步驟1:前端光學(xué)裝置將待測(cè)目標(biāo)的像成于列調(diào)制裝置所置平面； 步驟2:對(duì)圖像上的每一列重復(fù)下列步驟3— 6 ； 步驟3:列調(diào)制裝置對(duì)像平面第i列進(jìn)行空間編碼，編碼序列中O對(duì)應(yīng)于低透過狀態(tài)，I對(duì)應(yīng)于高透過狀態(tài)，首先將所有單元均置于O狀態(tài)； 步驟4:由探測(cè)裝置采集一個(gè)強(qiáng)度信號(hào)Yitl送入中央控制裝置； 步驟5:由中央控制裝置發(fā)布指令，控制列調(diào)制裝置按照中央控制裝置中預(yù)存的短編碼序列對(duì)第i列進(jìn)行M次空間編碼，其中M小于等于短編碼序列長(zhǎng)度N1，其中第j次空間編碼的序列由所述短編碼序列向前循環(huán)平移floor ((j-1) XN/M)單位得到，floor O表示向下取整，每次變換空間編碼后均由探測(cè)裝置采集一個(gè)強(qiáng)度信號(hào)Yij送入中央控制裝置；步驟6:當(dāng)?shù)趇列的所有M+1個(gè)信號(hào)均采集完畢后，中央控制裝置將Yitl和Yu全部送入并行計(jì)算裝置，并控制列調(diào)制裝置開始對(duì)圖像上的下一列，即第i+Ι列進(jìn)行調(diào)制； 步驟7:每當(dāng)并行計(jì)算裝置收到一組完整的Yic^P Yu之后，由下一個(gè)空閑的并行計(jì)算處理器對(duì)此列圖像進(jìn)行重構(gòu)，得到重構(gòu)后的列向量Xi并將其送回中央處理器； 步驟8:每當(dāng)中央處理器收到一個(gè)由并行計(jì)算裝置送來的列向量Xi，即在屏幕上刷新第i列所對(duì)應(yīng)的圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的快速大圖像單像素成像方法，其特征在于:所述步驟7中的重構(gòu)方法包括:生成M個(gè)信號(hào)yu，使得yu=Yu_Yi(l，這M個(gè)信號(hào)組成一個(gè)列向量;而后求解有限制最優(yōu)化問題，限制條件是Yi=Oxi，其中XiS代表第i列重構(gòu)圖像的列向量，Φ為由M個(gè)空間編碼組成的大小為MXN1的矩陣，最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可以是Xi的L-O范數(shù)、L-1范數(shù)或其全變差的L-1范數(shù)；或者如果短編碼序列是孿生素?cái)?shù)阿達(dá)瑪編碼序列(Nl=pXq且q=P+2且P、q均為素?cái)?shù))時(shí) ，也可使用弛豫算法計(jì)算出阿達(dá)瑪矩陣中未被探測(cè)的信號(hào)，再乘上變換矩陣的逆得到Xi。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK103837137SQ201410092819
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】涂昊, 武帥 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所