[发明专利]一种基于色散模糊的光谱成像系统及其光谱重建方法

说明书

本发明公开了一种基于色散模糊的光谱成像系统及其光谱重建方法。光谱成像系统的具体光路为：场景的光依次经过滤波片和物镜后，由分光镜分为两路，一路直接由第一传感器采集得到清晰图像；另一路依次通过会聚透镜、掩膜、准直镜、色散棱镜后，由第二传感器采集得到模糊图像；其中，掩膜采用边缘阻塞式掩膜，用于对模糊图像进行简单调制以获取模糊图像的边缘信息。该系统能大大减少标定的复杂度，提高系统的通光量、信噪比以及空间分辨率。本发明利用该成像系统进行光谱重建的方法，可以根据一系列的约束条件求解出全空间分辨率的光谱信息，原理上可以进行动态场景光谱信息的实时获取，无需牺牲时间和空间分辨率。

技术领域

本发明涉及计算摄像学领域，尤其涉及一种基于色散模糊的近全光通光谱成像系统及其光谱重建方法。

背景技术

近年来，场景的光谱数据由于包含丰富的细节信息，给很多领域带来了重大影响，例如医学诊断、目标检测、人脸识别等等，对于多光谱成像的采集及分析是目前一个热门研究领域。

现有的多光谱采集方法从原理来说主要分为两个大类：一是直接测量法，传统的光谱仪通过空间维度或者光谱维度的扫描来获得整个场景内的光谱信息，这种牺牲时间的方法不适用于动态场景。另一类是下采样方法，这类方法先对空间进行调制下采样得到场景中某些点的光谱，然后重建高分辨率的光谱数据，但是由于调制带来的光通量损失会严重影响系统的信噪比。

在光谱采集过程中，场景中一个点反射的信号被分散到多个光谱通道，由于这个原因带来的光通量的损失是光谱成像仪中最关注的问题，这直接影响了光谱仪的精度和准确性。另外，由于空间调制模块的存在，增加了成像光谱仪标定校准带来的复杂度。因此，如何设计光谱采集系统来提高系统通光量使系统信噪比增加是现在亟待解决的重要问题。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于色散模糊的近全光通光谱成像系统及其光谱重建方法，该系统能够实现接近100％的通光量，提高系统信噪比，空间分辨率方面实现像素级别的光谱成像仪器，并且空间调制模块简单，大大减少了标定的复杂度。本发明的另一个目的是提供利用该系统进行光谱重建的方法。

为达上述目的，本发明的系统采用的技术方案如下：

一种基于色散模糊的光谱成像系统，场景的光依次经过滤波片和物镜后，由分光镜分为两路：一路直接由第一传感器采集得到清晰图像；另一路依次通过会聚透镜、掩膜、准直镜、色散棱镜后，由第二传感器采集得到模糊图像；其中，所述掩膜采用边缘阻塞式掩膜，用于对模糊图像进行简单调制以获取模糊图像的边缘信息。

本发明利用上述一种基于色散模糊的光谱成像系统进行光谱重建方法，利用计算机对采集的清晰图像和模糊图像进行处理，具体包括如下步骤：

步骤1，为了计算光谱数据S，首先建立目标函数E：

E_f是保真项，E_f＝||G-P_g(S)||²+‖D-P_d(S)‖²，其中，G＝P_g(S)＝∑_λS(x,y,λ)，D＝P_d(S)＝∑_λS(x+Δx(λ),y,λ)；x、y是指光谱数据的+空间维度坐标，λ是指光谱维度坐标，P_g表示清晰图像的投影过程，P_d表示模糊图像的投影过程，G与D分别指系统采集得到的清晰图像和模糊图像；

λ_DOB、λ_side和λ_cs是正则化参数；

其中，表示对光谱数据S在色散方向进行差分运算，表示对模糊图像D在色散方向进行差分运算；