本發(fā)明涉及圖像通信，具體涉及一種高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)及圖像重建方法。
背景技術(shù)：
1、請參見圖1，現(xiàn)有任意反射面速度干涉儀（簡稱visar）的超快壓縮成像系統(tǒng)（簡稱cup）是將壓縮感知技術(shù)與條紋相機結(jié)合形成的一種超快二維成像記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對不可重復(fù)的超快動態(tài)場景進(jìn)行編碼壓縮采樣與圖像反演，實現(xiàn)從壓縮圖像中重構(gòu)出原始超快動態(tài)場景?，F(xiàn)有的超快壓縮成像系統(tǒng)普遍采用單通道光路結(jié)構(gòu)設(shè)計，光學(xué)系統(tǒng)先將物點成像到透射式編碼板上，然后利用透射式編碼板對圖像進(jìn)行編碼，最后經(jīng)過一系列透鏡成像到光學(xué)條紋相機的寬狹縫上，最終利用壓縮采樣數(shù)據(jù)重構(gòu)方法可得到攜帶物體或沖擊波速度信息的數(shù)十幅時間分辨二維圖像信息。
2、目前，單通道超快壓縮成像系統(tǒng)使用壓縮采樣數(shù)據(jù)重構(gòu)方法得到的二維圖像普遍存在圖像重建質(zhì)量低的問題，其中一個重要的原因是壓縮幀率較高。在慣性約束聚變二維沖擊波速度場觀測中，需要對瞬態(tài)過程進(jìn)行高時間分辨的觀測，因此會使得壓縮采樣過程較長，通常需要記錄不少于50幀的瞬態(tài)圖像，即采樣率小于2%，在數(shù)學(xué)模型上屬于超病態(tài)方程組的求解問題。目前的編碼采樣位置點如圖2所示，采樣點之間的空隙非常大，故壓縮感知重構(gòu)算法很難支持在如此低的采樣率下反演出高質(zhì)量的二維圖像，以至于對于沖擊波特征的刻畫容易產(chǎn)生失真，從而導(dǎo)致速度場分析精確度不足。因此，如何解決由于采樣率低導(dǎo)致的重構(gòu)數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳，是超快壓縮成像系統(tǒng)研究中的重要問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)及圖像重建方法。
2、其技術(shù)方案如下：
3、本申請的第一方面涉及一種高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)，包括分光組件、雙通道記錄組件和積分通道記錄組件，所述分光組件至少包括分光鏡bs3，所述雙通道記錄組件包括未設(shè)置鏡頭的條紋相機c1以及依次設(shè)置在分光鏡bs3的透射面與條紋相機c1的陰極之間的透射式編碼板oed、濾片f3a、透鏡l3b、衍射光學(xué)元件doe和透鏡l3c，所述積分通道記錄組件包括cmos相機c2以及設(shè)置在分光鏡bs3的反射面和cmos相機c2的鏡頭之間的濾片f3b；
4、入射的多普勒干涉條紋圖像經(jīng)分光鏡bs3一分為二，由分光鏡bs3反射的一束為光路3，光路3的圖像經(jīng)濾片f3b后由cmos相機c2記錄，透過分光鏡bs3的一束依次經(jīng)過透射式編碼板oed、濾片f3a和透鏡l3b后，由衍射光學(xué)元件doe一分為二構(gòu)成光路1和光路2，光路1和光路2的圖像經(jīng)透鏡l3c成像在條紋相機c1暴露的陰極；
5、其中，通過設(shè)定衍射光學(xué)元件doe和透鏡l3c的參數(shù)，使光路2的各像素點在圖像上斜向下一行和下一列的方向偏移1/2個像素，以不重合地錯位分布在光路1的各像素點之間。
6、采用以上高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)，在雙通道記錄組件通過增設(shè)衍射光學(xué)元件doe，并配合未設(shè)置鏡頭的條紋相機c1，通過設(shè)定衍射光學(xué)元件doe和透鏡l3c的參數(shù)，使光路1和光路2在條紋相機傳感器的不同位置成像，且滿足像素點的感光區(qū)域相對于圖像錯位分布，從而使條紋相機c1的陰極能夠記錄兩個動態(tài)編碼圖像，成倍提高了采樣率，然后再增設(shè)積分通道記錄組件，利用cmos相機c2記錄積分圖像，綜合雙通道記錄組件和積分通道記錄組件實現(xiàn)了采樣率的3倍提升，克服了傳統(tǒng)單通道超快壓縮成像系統(tǒng)技術(shù)丟失空間信息的問題和條紋相機動態(tài)范圍不足的問題。
7、本申請的第二方面涉及一種上述高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)的圖像重建方法，包括以下步驟：
8、將條紋相機c1記錄光路1和光路2的兩個動態(tài)編碼圖像e1和e2分別表示為：
9、，；
10、上式中，t表示在時間上積分，c表示空間掩碼，i(x,y,t)表示入射光強度信息，和分別表示空間維度的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，表示時間維度坐標(biāo)，s表示條紋相機c1的陰極在掃描記錄兩個動態(tài)編碼圖像時引起的剪切作用系數(shù)，m表示條紋相機c1對光路2的壓縮圖像的采集區(qū)域偏移1/2個像素；
11、將動態(tài)編碼圖像e1表示為包含t幀的三維動態(tài)場景i被動態(tài)編碼a調(diào)制，則動態(tài)編碼圖像e1表示為：
12、；
13、上式中，和分別代表動態(tài)編碼圖像e1的第b幀掩模和對應(yīng)的動態(tài)場景，代表哈達(dá)瑪點積；
14、將上式寫成矩陣形式并將對應(yīng)矩陣列向量化，令，，表示將矩陣列向量化的算子，則：
15、；
16、上式中，，；h表示傳感矩陣，其為對角矩陣的級聯(lián)，傳感矩陣h的表達(dá)式為，其中，，，表示將列向量構(gòu)造為對角矩陣的算子；
17、同理，對于動態(tài)編碼圖像e2，有：
18、；
19、上式中，，；傳感矩陣的表達(dá)式為，其中，，，表示動態(tài)編碼圖像e2對應(yīng)的第b幀掩模；
20、將cmos相機c2記錄光路3的積分圖像e3表示為：
21、；
22、再將積分圖像e3表述為增廣矩陣與的乘積，其中，，，為單位矩陣，表示矩陣的每列向右循環(huán)移動b-1位，矩陣與矩陣為列數(shù)相同的對角矩陣塊，且矩陣對角上的元素都是1；
23、將光路1、光路2和光路3的采樣數(shù)據(jù)表示為：
24、；
25、上式中，表示光路1、光路2和光路3的采樣矩陣，表示矩陣列向量化排列；
26、由于滿足稀疏性條件，將上式的求解轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題：
27、；
28、上式中，表示原始信號的最佳估計，，，為數(shù)據(jù)保真項，為添加約束條件的正則項，為正則化參數(shù)，表示當(dāng)后面式子達(dá)到最小值時的變量x的取值；
29、引入中間變量，于是將問題轉(zhuǎn)換為以下優(yōu)化問題：
30、
31、；
32、將上式寫為增廣的拉格朗日函數(shù)形式：
33、；
34、上式中，表示拉格朗日因子，表示罰函數(shù)因子；
35、將上述優(yōu)化問題分解為以下三個子問題：
36、；
37、
38、；
39、上式中，表示放縮對偶變量，其表達(dá)式為；表示迭代的次數(shù)；
40、迭代循環(huán)上述三個子問題的求解公式，然后判斷當(dāng)前求解結(jié)果是否滿足收斂條件并更新迭代次數(shù)，若滿足或迭代次數(shù)不小于預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)，則輸出重建的動態(tài)場景三維數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)迭代求解。
41、采用以上圖像重建方法，不僅具備上述高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)的全部優(yōu)點，而且能夠重建得到極高質(zhì)量的二維圖像，以避免對沖擊波特征的刻畫出現(xiàn)失真的問題，提高了速度場分析精確度。
1.一種高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)，其特征在于，包括分光組件、雙通道記錄組件和積分通道記錄組件，所述分光組件至少包括分光鏡bs3，所述雙通道記錄組件包括未設(shè)置鏡頭的條紋相機c1以及依次設(shè)置在分光鏡bs3的透射面與條紋相機c1的陰極之間的透射式編碼板oed、濾片f3a、透鏡l3b、衍射光學(xué)元件doe和透鏡l3c，所述積分通道記錄組件包括cmos相機c2以及設(shè)置在分光鏡bs3的反射面和cmos相機c2的鏡頭之間的濾片f3b；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)，其特征在于，所述分光組件還包括反射鏡m3和透鏡l3a；
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)，其特征在于，還包括探針光發(fā)射與收光模塊和干涉模塊，所述探針光發(fā)射與收光模塊用于向靶面發(fā)射探針光，并將靶面反射的攜帶有靶面速度信息的多普勒信號光引入干涉模塊，所述干涉模塊用于形成多普勒干涉條紋圖像，并將多普勒干涉條紋圖像引入分光組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)，其特征在于，所述干涉模塊包括反射鏡m2a、反射鏡m2e以及設(shè)置在反射鏡m2a和反射鏡m2e之間的干涉組件，所述干涉組件包括延遲反射鏡m2d以及呈平行四邊形布置的分光鏡bs2a、分光鏡bs2b、反射鏡m2b和反射鏡m2c；
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)，其特征在于，所述探針光發(fā)射與收光模塊包括探針光源以及依次設(shè)置在探針光源和靶面之間的透鏡l1a、分光鏡bs1和透鏡l1b；
6.一種權(quán)利要求1-5中任一項所述的高時空分辨的三通道超快壓縮成像系統(tǒng)的圖像重建方法，其特征在于，包括以下步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像重建方法，其特征在于，針對子問題，根據(jù)拉格朗日一階最優(yōu)性條件，得到x的迭代更新公式：
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像重建方法，其特征在于，將子問題表示為降噪問題：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像重建方法，其特征在于，所述全變分正則的表達(dá)式為：