[发明专利]单传感器的九谱段多光谱成像系统的设计方法

说明书

本发明公开了一种单传感器的九谱段多光谱成像系统的设计方法，步骤包括：1)首先构建一个4×4模式的九谱段MSFA，其中一个谱段占用50％的空间，并将作为引导图像用以恢复其他低采样率谱段；2)在九谱段MSFA中，第五谱段B5是类似于RGB成像的G谱段的过采样谱段；B5谱段占用50％的成像空间并保留更详细的信息，因此对B5谱段进行插值，后将其应用为引导图像，以便根据引导滤波器对其他谱段进行插值；3、用引导滤波器和残差插值重构其他谱段。本发明的方法，保证光谱误差最小化，可以得到高质量的图像。

技术领域

本发明属于快速光谱成像技术领域，涉及一种单传感器的九谱段多光谱成像系统的设计方法。

背景技术

高光谱成像(即HSI系统)从电磁频谱中收集和处理信息，高光谱成像的目标是获取场景图像中每个像素的光谱，应用于寻找物体，识别材料或检测过程等方面。然而，在高密度采样过程中，HSI系统通常比较昂贵和耗时，而且HSI图像的数据量比普通彩色图像大得多。光谱成像的替代方案是多光谱成像(MSI)，其中由若干预定的窄带滤波器进行有限数量的光谱测量。尽管损失了一些光谱密度，但MSI显著降低了硬件复杂性并获得了合理的光谱精度。在过去的十年中，根据具有彩色滤光片阵列(CFA)的数码相机的原理，提出了一种称为多光谱滤波器阵列(MSFA)成像的新型多光谱成像技术。

多光谱滤波器阵列(MSFA)成像是快照成像系统之一，主要由多光谱滤波器阵列覆盖的单个成像传感器组成，可以在一次曝光时捕获多光谱图像，具有成像速度快，体积小，成本低的优点。通常，具有少量谱段的MSFA成像系统可以获得清晰的图像，但对于那些具有大量谱段的MSFA成像系统，重建的光谱图像通常是模糊的，因为马赛克图像的稀疏性随着谱段数的增加而改善。为了获得清晰的多光谱图像，必须开发高性能去马赛克算法，尤其是对于高谱段的成像系统。

发明内容

本发明提供了一种单传感器的九谱段多光谱成像系统的设计方法，解决了现有技术条件下，谱段数越多，获得的多光谱图像越模糊的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种单传感器的九谱段多光谱成像系统的设计方法，九谱段多光谱成像系统以下简称九谱段MSFA，按照以下步骤具体实施：

步骤1、确定九谱段MSFA的结构，

构建一个4×4模式的九谱段MSFA，其中一个谱段占用50％的空间，并将作为引导图像用以恢复其他低采样率谱段；

步骤2、过采样谱段B5的插值，

在九谱段MSFA中，第五谱段B5是类似于RGB成像的G谱段的过采样谱段；B5谱段占用50％的成像空间并保留更详细的信息，因此对B5谱段进行插值，后将其应用为引导图像，以便根据引导滤波器对其他谱段进行插值；

步骤3、用引导滤波器和残差插值重构其他谱段，

与九谱段MSFA中的过采样谱段B5相比，其他八个谱段的采样率非常低，本步骤采用引导滤波器，并将插值后的B5带作为初始引导图像，对其余8个谱段进行重构，基于邻域相关假设，首先用插值后的B5恢复B4和B6谱段，然后将恢复后的B4用于B3等谱段，直到恢复到所有谱段。

本发明的有益效果是，应用了九谱段的MSFA成像系统，通过使用方向导数将相邻像素值传播到上采样位置来恢复第五谱段，然后使用重建的第五谱段作为引导图像，利用引导滤波器和残差插值对其他谱段进行去马赛克处理。最后，估计出清晰的多光谱图像，成功解决了高稀疏性恢复去马赛克图像的问题，保证光谱误差最小化。

附图说明

图1a是九个谱段的滤波器灵敏度函数；图1b是本发明采用的九谱段MSFA成像系统的示意图；

图2a是九谱段MSFA的二进制分裂迭代过程示意图；图2b是九谱段MSFA的二叉树表示；