[发明专利]基于CMOS-TDI模式的高分辨率成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，更进一步涉及高分辨率成像技术领域中的一种基于互补金属氧化物半导体-时间延迟积分CMOS-TDI(Complementary Metal Oxide Semiconductor-Time Delay and Integration)模式的图像压缩编码实现方法，并建立高分辨率成像系统。本发明可以实现图像的高分辨率获取和重构。

背景技术

高分辨率成像在各种领域，如遥感监测，军事侦察，运输和安全监测，医疗诊断和模式识别等有重大需求。传统成像的空间像素分辨率取决于探测器的像元密度。但由于加工工艺和制造材料的限制，获得高分辨率探测器难度大、成本高，且容易带来散粒噪声使图像质量受到严重影响。因此，高分辨率成像的关键在于如何利用低密度探测器获得高分辨率图像，现有的高分辨率成像技术主要有以下两种。

第一种，基于压缩感知理论的高分辨率成像。例如，L.Jacques，P.Vandergheynst，A.Bibet，V.Majidzadeh，A.Schmid和Y.Leblebici在论文“CMOS compressed imaging by random convolution”Proc.Int.Conf.Acoust.，Speech Signal Process.，2009：1113-1116中提出利用移位寄存器产生的伪随机码对光电转换得到的模拟信号进行随机卷积计算，实现对模拟信号的压缩，最后通过压缩感知理论重构高分辨率图像。这种方法存在的不足是，在每一像素中需放置一个一位的存储单元，需要额外的工艺流程，并且需进行多次移位操作获取测量值，降低了图像获取效率。此外，R.F.Marcia，Z.T.Harmany和R.M.Willett在论文“Compressive coded aperture imaging”Proc.IST/SPIE[C]Elect.Imag.：Computat.Imag.VII，2009，vol.7246，no.1：72460G中提出在光学系统中利用编码孔径掩膜实现对图像信息的压缩编码，最后通过压缩感知理论恢复高分辨率图像。这种方法存在的不足是，任何掩膜图形都阻挡光，编码孔径掩膜的使用势必削弱图像的曝光量，降低了输出图像信噪比。

第二种，基于图像融合技术的高分辨成像。例如，V.P.Shah，N.H.Younan和R.L.King在论文“An efficient pan-sharpening method via a combined adaptive pca approach and contourlets”IEEE Trans.on Geosci.Remote Sensing，vol.46，no.5，pp.1323-1335中提出基于Pan-sharpening算法的图像融合方法，是通过对一个高分辨率全色图像和一个低分辨率多光谱图像的融合来提高空间分辨率。然而，这种方法存在的不足是，需要一个额外的照相机获得高分辨率全色图像。由于一些因素的制约，如大小，重量，电池容量，内存空间和传输带宽，成像系统很难提供高分辨率的全色图像。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，根据压缩感知理论，利用行间转移面阵CMOS探测器的可编码功能并使其工作于TDI模式，设计随机曝光控制模块，提出了一种基于CMOS-TDI模式的压缩编码图像获取方式。并在此基础上，针对推扫式成像，建立了一种高分辨率成像系统，实现图像的高分辨获取和重构。

本发明的系统包括五个模块：控制信号发生器模块、运动路线控制索道模块、面阵CMOS平板模块、随机曝光控制模块和图像重构处理器模块，各模块之间通过总线连接；其中，控制信号发生器模块，用于产生控制运动路线控制索道模块、曝光控制模块和面阵CMOS平板模块的使能信号，实现对系统的驱动；面阵CMOS平板模块，用于产生观测矩阵和场景图像的随机压缩编码图像，完成观测矩阵和低分辨率观测值图像的输出；运动路线控制索道模块，用于控制面阵CMOS平板模块中行间转移面阵CMOS探测器运动；随机曝光控制模块，用于控制行间转移面阵CMOS探测器中传输门开或关，实现对传输门开或关的随机控制；图像重构处理器模块，用于重构高分辨图像。

本发明方法的具体实施步骤如下：

(1)初始化操作

将行间转移面阵CMOS探测器对准待拍摄场景，设定行间转移面阵CMOS探测器输出观测值图像大小，设定每个观测值的时间延迟积分TDI级数，将探测器面阵按行划分为与观测值个数相等的探测器子块，每个探测器子块的大小与观测值TDI级数相同。