本發(fā)明涉及光學成像及圖像處理技術領域，尤其是一種超分辨率圖像采集系統(tǒng)。
背景技術：
眾所周知，圖像超分辨率重建技術是信息光學和數字圖像處理領域的一門新興交叉學科，其在國防、醫(yī)學、智能交通、公共安全、宇宙探索、地理信息系統(tǒng)、光學顯微測量、計算機視覺、模式識別等諸多領域有著的廣泛的應用。
傳統(tǒng)的圖像采集方法一般是直接將光學成像系統(tǒng)和ccd(即：電荷耦合元件，charge-coupleddevice)相連接來實現成像及圖像采集過程，其采樣頻率需要符合奈奎斯特采樣定理的要求，即：只有當采樣速率達到信號帶寬的兩倍以上時，才能由采樣信號精確地重建原始信號；因此，傳統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)普遍存在采樣頻率高、采集數據量大、數據傳輸速度較慢等問題，而為了提高圖像的分辨率，通常需要采用分辨率更高的ccd，這樣又會造成系統(tǒng)成本的大幅增加；同時，焦平面探測器作為光學成像系統(tǒng)中進行成像的核心元器件，其會直接影響到圖像的分辨率，因受到焦平面探測器工作條件和加工工藝以及其結構異常復雜，難以從硬件角度提高其分辨率等條件的限制，很難通過減小像元尺寸或增加陣元數量的方式實現高分辨率的圖像。
因此，如何滿足相關領域對快速、高分辨率、遠距離探測和實時感知的要求，即：希望提高光學成像及采集系統(tǒng)的分辨率、縮短數據獲取的時間、減少數據的存儲空間、提高數據的傳輸速度，以低的采樣頻率實現超分辨率的圖像效果，同時減少數據存儲壓力和提高數據傳輸速度；已經成為一個亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
針對上述現有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種超分辨率圖像采集系統(tǒng)。
為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
一種超分辨率圖像采集系統(tǒng)，它包括用于對物面進行照射以得到原始圖像的光源發(fā)生器、用于對原始圖像作傅里葉變換以得到原始圖像的頻譜信息的前置傅里葉透鏡、用于對原始圖像的頻譜信息進行壓縮編碼的孔徑編碼器、用于對壓縮編碼后的原始圖像作傅里葉逆變換以得到原始圖像的降采樣圖像的后置傅里葉透鏡、用于采集原始圖像的降采樣圖像的ccd相機以及用于對ccd相機采集到的降采樣圖像進行恢復重建以得到超分辨率圖像的信息處理器；所述孔徑編碼器位于前置傅里葉透鏡的后焦點與后置傅里葉透鏡的前焦點相重合的位置，所述后置傅里葉透鏡的后焦點位于ccd相機的感光鏡面內，且所述光源發(fā)生器和ccd相機分別與信息處理器相連并受控于信息處理器。
其中，優(yōu)選方案為：所述光源發(fā)生器為激光器或紅外光發(fā)射器。
其中，優(yōu)選方案為：所述孔徑編碼器為空間光調制器。
其中，優(yōu)選方案為：所述孔徑編碼器為掩膜版，所述掩膜版由石英基地上鍍鉻后成型，且所述掩膜版上光刻有編碼圖案。
其中，優(yōu)選方案為：它還包括用于對光源發(fā)生器發(fā)出的光束進行雜散光濾除的空間濾波器以及用于將經由空間濾波器輸出的光束轉換為平行準直光束并將光束投射到物面上以在前置傅里葉透鏡的前焦點上得到原始圖像的準直透鏡。
其中，優(yōu)選方案為：所述信息處理器依以下步驟將降采樣圖像進行恢復重建以得到超分辨率圖像；
s1、根據降采樣圖像的像素灰度值分布對降采樣圖像的點擴散函數進行估計；
s2、根據估計到的點擴散函數對讀取的降采樣圖像的參考圖像進行降質退化處理，將處理結果與所述降采樣圖像進行比較，并判斷比較結果是否超出閾值范圍；若超過閾值范圍，則進入步驟s3作迭代運算；若未超過閾值范圍，則進入步驟s4；
s3、利用特定的投影修正算子對參考圖像進行修正，并重復步驟s2，直至比較結果在與之范圍內，從而獲得重建后的超分辨率圖像結果；
s4、無需進行迭代運算，直接獲得重建后的超分辨率圖像結果。
由于采用了上述方案，本發(fā)明的系統(tǒng)結構簡單、成本低廉，無需較高的采樣頻率，能夠實現超分辨率的圖像采集、縮短數據獲取的時間、減少數據的存儲空間、提高數據的傳輸速度等技術效果，具有很強的實用價值和市場推廣價值。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。
如圖1所示，本實施例提供的一種超分辨率圖像采集系統(tǒng)，它包括用于對物面a進行照射以得到原始圖像的光源發(fā)生器b、用于對原始圖像作傅里葉變換以得到原始圖像的頻譜信息的前置傅里葉透鏡c、用于對原始圖像的頻譜信息進行壓縮編碼的孔徑編碼器d、用于對壓縮編碼后的原始圖像作傅里葉逆變換以得到原始圖像的降采樣圖像的后置傅里葉透鏡e、用于采集原始圖像的降采樣圖像的ccd相機f以及用于對ccd相機f采集到的降采樣圖像進行恢復重建以得到超分辨率圖像的信息處理器g；其中，孔徑編碼器d位于前置傅里葉透鏡c的后焦點與后置傅里葉透鏡e的前焦點相重合的位置，后置傅里葉透鏡e的后焦點則位于ccd相機f的感光鏡面內，且光源發(fā)生器b和ccd相機f分別與信息處理器g相連并受控于信息處理器g。
由此，光源發(fā)生器b發(fā)出的光束照射到物面a上后可最終在前置傅里葉透鏡c的前焦點處得到物面a的原始圖像，通過前置傅里葉透鏡c對原始圖像作傅里葉變換后，可在前置傅里葉透鏡c的后焦點處得到原始圖像的頻譜信息，由于孔徑編碼器d恰好位于前置傅里葉透鏡c的后焦點與后置傅里葉透鏡e的前焦點相重合的位置，通過信息處理器g的控制可在孔徑編碼器d上加載0至2π范圍內隨機產生的一幅與待重建目標圖像尺寸相等的編碼圖案以使孔徑編碼器d對原始圖像的頻譜信息進行壓縮編碼，從而在孔徑編碼器d的頻譜面上得到隨機產生的編碼圖案與原始圖像的頻譜信息在頻域內相乘的結果(即：壓縮編碼之后的原始圖像信息，完成對壓縮編碼降采樣的過程)，而后通過后置傅里葉透鏡e對經過壓縮編碼后的原始圖像作傅里葉逆變換，即可在后置傅里葉透鏡e的后焦點處得到降采樣圖像，由于ccd相機f的感應鏡面恰好位于后置傅里葉透鏡e的后焦點處，故可通過ccd相機f對降采樣圖像進行采集，并最終送入至信息處理器g內進行解碼重建以得到超分辨率圖像。本實施例的圖像采集系統(tǒng)的系統(tǒng)結構簡單、成本低廉，無需較高的采樣頻率，能夠實現超分辨率的圖像采集、縮短數據獲取的時間、減少數據的存儲空間、提高數據的傳輸速度等技術效果。
作為一個優(yōu)選方案，本實施例的光源發(fā)生器b可根據具體情況采用激光器或紅外光發(fā)射器。
作為一個優(yōu)選方案，本實施例的孔徑編碼器d可選用空間光調制器。當然，本實施例的孔徑編碼器d也可采用掩膜版，且掩膜版由石英基地上鍍鉻后成型，在掩膜版上光刻有編碼圖案。在系統(tǒng)工作過程中，孔徑編碼器d可對光場中的高頻成分進行編碼，被編碼的頻率帶寬遠大于傳統(tǒng)焦平面探測器的奈奎斯特頻率帶寬；因此，通過整個系統(tǒng)的硬件元件的配合并選擇合適的重構算法即可用低頻率的焦平面探測器即可實現超分辨率圖像的采集及恢復。
為保證光源發(fā)生器b所發(fā)出的光束能夠通過對物面a得到合適的原始圖像，本實施的系統(tǒng)還包括用于對光源發(fā)生器b發(fā)出的光束進行雜散光濾除的空間濾波器h以及用于將經由空間濾波器h輸出的光束轉換為平行準直光束并將光束投射到物面a上以在前置傅里葉透鏡c的前焦點上得到原始圖像的準直透鏡k。
為保證系統(tǒng)將降采樣圖像恢復重建為超分辨率圖像的效果，本實施例的信息處理器g優(yōu)選以下步驟將降采樣圖像進行恢復重建以得到超分辨率圖像，即：
s1、根據降采樣圖像的像素灰度值分布對降采樣圖像的點擴散函數進行估計；具體為：首先根據系統(tǒng)的類型確定點擴散函數的形狀，若系統(tǒng)為單色系統(tǒng)，則點擴散函數為i＝(sinr/r)2的形狀，即是一個以原點為中心的多圈圓環(huán)，其每個圓環(huán)的極值亮度是逐次降低的；若系統(tǒng)為白光系統(tǒng)，則點擴散函數多為高斯形狀；然后，再根據點擴散函數的形狀與降采樣圖像的像素灰度值分布進行點擴散函數的估計。
s2、根據估計到的點擴散函數對讀取的降采樣圖像的參考圖像進行降質退化處理，將處理結果與所述降采樣圖像進行比較，并判斷比較結果是否超出閾值范圍；若超過閾值范圍，則進入步驟s3作迭代運算；若未超過閾值范圍，則進入步驟s4；如：假設采集到的降采樣圖像為g0、參考圖像為f0、點擴散函數為h0，則根據估計到的點擴散函數h0對讀取的降采樣圖像的參考圖像f0進行降質退化處理(表示為：
s3、利用特定的投影修正算子對參考圖像進行修正，并重復步驟s2，直至比較結果在與之范圍內，從而獲得重建后的超分辨率圖像結果；其中，特定的投影修正算子是通過拉格朗日乘數法進行推導獲得的，推導過程的約束條件為參考圖像經過降質退化處理之后得到的中間圖像與降采樣圖像的差值最小，即要求相關公式的導數為零，以此為基礎即可得到相應的投影修正算子。而利用特定的投影修正算子對參考圖像進行修正的過程可如下：
式中，fn+1(x,y)為第n+1次修正之后得到的參考圖像，pi,j為投影修正算子；h0,ij＝h0(i-x,j-y)是一個點擴散函數，rn(i,j)是第n次迭代得到的余量。
s4、無需進行迭代運算，直接獲得重建后的超分辨率圖像結果。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。