基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像系統(tǒng)及其方法，包括PC、DLP、彩色目標(biāo)圖像、單像素光子探測器、數(shù)據(jù)采集與控制模塊，其中PC、DLP、單像素光子探測器均與數(shù)據(jù)采集與控制模塊連接。本發(fā)明利用擴(kuò)展的小波樹對R、G、B三分量的重要系數(shù)進(jìn)行判斷，有效的減少了采樣次數(shù)同時保證沒有丟失重要信息；避免了CS算法所需的計算開銷，減少了重構(gòu)所需的時間；利用單個單像素光子探測器和DLP組合的單光子相機(jī)結(jié)構(gòu)，減小了系統(tǒng)尺寸，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
【專利說明】
基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于彩色自適應(yīng)壓縮計算鬼成像技術(shù)，特別是一種基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)鬼成像(GI)([I ]A.Gatti ,E.Brambilla,Μ.Bache ,and L.A.Lugiato, “Ghostimaging with thermal light:comparing entanglement and classical correlat1n，，，Phys.Rev.Lett.93,093602?2004.[2]D.V.Strekalov,A.V.Sergienko,D.N.Klyshko,andY.H.Shih , “Observat1n of two-photon “ghost” interference and diffract1n，，，Phys.Rev.Lett.74，3600-3603，1995.)利用兩個相關(guān)聯(lián)的光場和兩個光子探測器來成像，光路中使用的兩個光子探測器，一個是無空間分辨能力的桶探測器，用于采集作用于目標(biāo)物體的光束的光強(qiáng)信息作為目標(biāo)光束；另一個是具有高空間分辨能力的面陣探測器，用來記錄光源的光場信息作為參考光束。單獨(dú)使用其中一種探測器均不能成像，只有通過對兩束光進(jìn)行光強(qiáng)關(guān)聯(lián)才可以對未知物體實(shí)現(xiàn)成像。Shapiro([3]J.H.Shapiro,“Computat1nal ghost imaging,”Phys.Rev.A 78，061802，2008.)指出參考光束的唯一目的在于確定每一時刻目標(biāo)物體上的照明投影，而目標(biāo)光束給出目標(biāo)物體在這種傳輸模式下的返回數(shù)據(jù)。如果在目標(biāo)物體上的照明投影可以事先給出，那么就可以把參考光束省略。計算鬼成像(CGI)僅利用單光束和一個桶探測器，利用空間光調(diào)制器產(chǎn)生確定的散斑照明投影實(shí)現(xiàn)成像。這種空間光調(diào)制器和桶探測器配合使用的結(jié)構(gòu)也顯示了利用壓縮感知([4]D.L.Donoho, aCompressed sensing,” IEEE Trans.1nf.Theory 52，1289_1306，2006.)的可能性。由于自然物體一般是稀疏的，為了實(shí)現(xiàn)一幅像素為N*N的目標(biāo)圖像的成像，可以用遠(yuǎn)小于N*N的采樣次數(shù)進(jìn)行重構(gòu)。
[0003]壓縮感知算法(CS)首先由Cand'es, Tao和Donoho提出。為了獲得更好的成像質(zhì)量，很多學(xué)者將CS和GI結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是CS有很多技術(shù)缺點(diǎn)，在重構(gòu)過程中它需要的時間遠(yuǎn)高于二階關(guān)聯(lián)運(yùn)算所需的時間，而且花費(fèi)的時間隨著成像尺寸的增加呈現(xiàn)指數(shù)增長，還有可能無法在特定情況下工作。
[0004]這些缺點(diǎn)可以由壓縮自適應(yīng)計算鬼成像(CCGI)([5]M.Aftnann and M.Bayer,“Compressive adaptive computat1nal ghost imaging，，，Sci.Rep.3，1545，2013.)克月艮，該方法由Aftnann和Bayer發(fā)表，直接利用構(gòu)成小波基的投影取代經(jīng)典隨機(jī)散斑投影。在實(shí)驗(yàn)過程中，首先采樣獲取一幅低分辨率粗糙圖像，對其進(jìn)行一階小波分解。自適應(yīng)的確定系數(shù)值大的區(qū)域，并對這些區(qū)域進(jìn)行高分辨率掃描。在所有采樣結(jié)束后，一幅新的高分辨率圖像可以通過小波逆變換重構(gòu)得到。這與CS相比，需要更少的采樣測量，而且不需要過大的計算開銷。但在這種情況下，采樣測量次數(shù)還是有冗余。
[0005]傳統(tǒng)的自適應(yīng)壓縮采樣算法認(rèn)為，若父系數(shù)大于某一閾值，則其對應(yīng)的四個子系數(shù)均為重要系數(shù)，由此來進(jìn)行自適應(yīng)采樣。然而，由于子系數(shù)對應(yīng)空間區(qū)域是父系數(shù)空間區(qū)域的子集，重要父系數(shù)的四個子系數(shù)中，也可能存在非重要系數(shù)。如果只依靠這種父子關(guān)系來判斷子系數(shù)的重要性，則會導(dǎo)致誤判，將一些不重要的系數(shù)也加以采集，從而造成采樣浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種快速、結(jié)構(gòu)簡單以及在減少采樣率的情況下能夠保證重構(gòu)出的彩色圖像視覺效果更佳的基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像系統(tǒng)及方法。
[0007]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像系統(tǒng)及其方法，包括PC、DLP、彩色目標(biāo)圖像、單像素光子探測器、數(shù)據(jù)采集與控制模塊，其中PC、DLP、單像素光子探測器均與數(shù)據(jù)采集與控制模塊連接；
[0008]所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊由采集單元、控制單元、模數(shù)處理單元組成，控制單元控制DLP在紅光、綠光、藍(lán)光下依次對彩色目標(biāo)圖像的重要系數(shù)所在的位置進(jìn)行投影;控制單元將PC中生成的二進(jìn)制圖像顯示在屏幕上，然后同步地將該二進(jìn)制圖像傳送給DLP中的DMD，該DLP中DMD的各個微鏡的狀態(tài)根據(jù)二進(jìn)制圖像而進(jìn)行變換，即如果二進(jìn)制圖像中是亮斑，那么對應(yīng)位置的微鏡顯示狀態(tài)為“開”；相反地，如果二進(jìn)制圖像中是暗斑，對應(yīng)位置的微鏡狀態(tài)為“關(guān)”；當(dāng)DLP將二進(jìn)制圖案投影在彩色目標(biāo)圖像上時，控制單元產(chǎn)生一個同步信號，觸發(fā)單像素光子探測器對投影的圖像進(jìn)行采樣，接收彩色目標(biāo)圖像的反射光強(qiáng)信號，采集單元采集到反射光強(qiáng)信號后，單像素光子探測器生成一個返回觸發(fā)信號，返回觸發(fā)信號傳入控制單元，反射光強(qiáng)信號傳入模數(shù)處理單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終分別將投影紅、綠、藍(lán)光時得到的數(shù)字信號傳入PC，從而即可得到R、G、B三分量各自的小波重要系數(shù)，然后對R、G、B三分量分別進(jìn)行小波逆變換，最終重構(gòu)出彩色圖像。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):(I)利用擴(kuò)展的小波樹對R、G、B三分量的重要系數(shù)進(jìn)行判斷，與傳統(tǒng)自適應(yīng)壓縮采樣(ACS)相比，有效的減少了采樣次數(shù)同時保證沒有丟失重要信息。(2)與現(xiàn)有的彩色成像方法比，避免了CS算法所需的計算開銷，減少了重構(gòu)所需的時間。(3)利用單個單像素光子探測器和DLP組合的單光子相機(jī)結(jié)構(gòu)，減小了系統(tǒng)尺寸，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明采用的基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像裝置原理示意圖。
[0012]圖2是擴(kuò)展小波樹的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3是驗(yàn)證本發(fā)明所用的仿真圖案以及部分細(xì)節(jié)放大圖。
[0014]圖4是使用本發(fā)明所述的方法在不同采樣率下對仿真圖案進(jìn)行重構(gòu)時的峰值性噪比(PSNR)0
[0015]圖5是使用本發(fā)明所述的方法在采樣率為15%時重構(gòu)得到的彩色圖像以及部分細(xì)節(jié)放大圖。
[0016]圖6是使用本發(fā)明所述的方法在采樣率為35%時重構(gòu)得到的彩色圖像以及部分細(xì)節(jié)放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像系統(tǒng)，包括PCl、DLP(digitallight projector^、彩色目標(biāo)圖像3、單像素光子探測器4、數(shù)據(jù)采集與控制模塊5，其中PC1、DLP2、單像素光子探測器4均與數(shù)據(jù)采集與控制模塊5連接；
[0018]所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊5由采集單元、控制單元、模數(shù)處理單元組成，控制單元控制DLP2在紅光、綠光、藍(lán)光下依次對彩色目標(biāo)圖像3的重要系數(shù)所在的位置進(jìn)行投影;控制單元將PCl中生成的二進(jìn)制圖像顯示在屏幕上，然后同步地將該二進(jìn)制圖像傳送給DLP2中的DMD，該DLP2中DMD的各個微鏡的狀態(tài)根據(jù)二進(jìn)制圖像而進(jìn)行變換，即如果二進(jìn)制圖像中是亮斑，那么對應(yīng)位置的微鏡顯示狀態(tài)為“開”；相反地，如果二進(jìn)制圖像中是暗斑，對應(yīng)位置的微鏡狀態(tài)為“關(guān)”；當(dāng)DLP2將二進(jìn)制圖案投影在彩色目標(biāo)圖像3上時，控制單元產(chǎn)生一個同步信號，觸發(fā)單像素光子探測器4對投影的圖像進(jìn)行采樣，接收彩色目標(biāo)圖像3的反射光強(qiáng)信號，采集單元采集到反射光強(qiáng)信號后，單像素光子探測器4生成一個返回觸發(fā)信號，返回觸發(fā)信號傳入控制單元，反射光強(qiáng)信號傳入模數(shù)處理單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終分別將投影紅、綠、藍(lán)光時得到的數(shù)字信號傳入PC1，從而即可得到R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))三分量各自的小波重要系數(shù)，然后對R、G、B三分量分別進(jìn)行小波逆變換，最終重構(gòu)出彩色圖像。
[0019]本發(fā)明基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像方法，包括以下步驟:
[°02°]第一步，選擇投影光的顏色，由PCl的Iabview生成Haar小波基的二進(jìn)制圖像，通過數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的控制單元控制DLP2中的DMD上每個微鏡的開關(guān)，DLP2中的LED發(fā)出的光通過透鏡照射在DMD上，由DMD反射Haar小波基的二進(jìn)制圖像對目標(biāo)彩色圖像3進(jìn)行投影。
[0021 ]第二步，當(dāng)單像素光子探測器4對彩色目標(biāo)圖像3的反射光強(qiáng)信號進(jìn)行采樣時，使DLP2在彩色目標(biāo)圖像3上投影的圖像和PC端I產(chǎn)生的投影圖像一致，并且每幅投影圖像只投影一次。本發(fā)明對數(shù)據(jù)采樣期間通過同步過程來克服計算機(jī)圖形管線的各種延遲，使DLP2在彩色目標(biāo)圖像3上投影的圖像和PC端I產(chǎn)生的投影圖像一致，同步過程如下:?0022] 步驟I，由PCl端的Labview產(chǎn)生Haar小波基的二進(jìn)制圖像，通過DLP2進(jìn)行投影得到投影圖像；
[0023]步驟2，投影圖像完全投影且在維持期間，由數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的控制單元產(chǎn)生一個觸發(fā)信號輸送給單像素光子探測器4，使其對彩色目標(biāo)圖像3的反射光強(qiáng)信號進(jìn)行米樣；
[0024]步驟3，單像素光子探測器4采樣結(jié)束后，生成一個返回觸發(fā)信號，該返回觸發(fā)信號傳入控制單元，反射光強(qiáng)信號傳入模數(shù)處理單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
[0025]步驟4，采樣得到的反射光強(qiáng)信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的信號存儲在PCl中，返回觸發(fā)信號使PC端生成新的投影圖像并進(jìn)行下一輪的投影。
[0026]第三步，數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的控制單元控制DLP2在紅光、綠光、藍(lán)光下對彩色目標(biāo)圖像3的重要系數(shù)所在的位置進(jìn)行投影，具體如下。單像素光子探測器4采樣得到的反射光強(qiáng)信號通過數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的模數(shù)處理單元模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號傳入PCl，得到R、G、B三分量的所有重要系數(shù)，然后對R、G、B三分量分別進(jìn)行小波逆變換，最終將三分量融合重構(gòu)出彩色圖像(得到重要系數(shù)、小波逆變換、融合重構(gòu)等均為現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù))。
[0027]數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的控制單元控制DLP2在紅光下對彩色目標(biāo)圖像3進(jìn)行投影掃描(即進(jìn)行采樣)，單像素光子探測器4采集反射光強(qiáng)信號，從而得到R分量的低分辨率的粗糙圖像;對R分量進(jìn)行一級分解得到高一層的小波系數(shù)，然后利用其自身擴(kuò)展小波樹的父子系數(shù)與兄弟系數(shù)之間的關(guān)系確定高分辨率層的重要系數(shù)的位置，然后數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的控制單元控制DLP2在紅光下投影Haar小波基的二進(jìn)制圖像對R分量子系數(shù)中重要小波系數(shù)的位置進(jìn)行掃描，直至R分量的所有重要小波系數(shù)掃描完畢；
[0028]所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的控制單元控制DLP2在綠光下對彩色目標(biāo)圖像3進(jìn)行投影掃描，單像素光子探測器4采集反射光強(qiáng)信號，從而得到G分量的低分辨率的粗糙圖像;對G分量進(jìn)行一級分解得到高一層的小波系數(shù)，然后利用其自身擴(kuò)展小波樹的父子系數(shù)與兄弟系數(shù)之間的關(guān)系確定高分辨率層的重要系數(shù)的位置，然后數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的控制單元控制DLP2在綠光下投影Haar小波基的二進(jìn)制圖像對G分量子系數(shù)中重要小波系數(shù)的位置進(jìn)行掃描，直至G分量的所有重要小波系數(shù)掃描完畢；
[0029]所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的控制單元控制DLP2在藍(lán)光下對彩色目標(biāo)圖像3進(jìn)行投影掃描，單像素光子探測器4采集反射光強(qiáng)信號，從而得到B分量的低分辨率的粗糙圖像;對B分量進(jìn)行一級分解得到高一層的小波系數(shù)，然后利用其自身擴(kuò)展小波樹的父子系數(shù)與兄弟系數(shù)之間的關(guān)系確定高分辨率層的重要系數(shù)的位置，然后數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的控制單元控制DLP2在藍(lán)光下投影Haar小波基的二進(jìn)制圖像對B分量子系數(shù)中重要小波系數(shù)的位置進(jìn)行掃描，直至B分量的所有重要小波系數(shù)掃描完畢。
[0030]實(shí)施例
[0031]本發(fā)明可以使用DLPLightCrafter 4500進(jìn)行工作。DLP LightCrafter 4500是TI推出的光控制評估模塊，它主要由兩個子系統(tǒng)組成，一個是光引擎部分，主要包含光學(xué)鏡頭，白、紅、綠、藍(lán)LED光源和像素為912*1140的DMD等；另一個是驅(qū)動板，主要包含LED驅(qū)動電路、DLPC350 DMD控制器、電源管理電路、DVI轉(zhuǎn)RGB裝置等。PC端通過板卡PX1-6552連接單像素光子探測器的觸發(fā)和返回信號端，單像素光子探測器的數(shù)據(jù)輸出端連接PC，并將數(shù)據(jù)存儲在PC中ALP LightCrafter 4500的DVI接口連接PC的顯示屏。通過PC上的控制軟件選擇DLP LightCrafter 4500的數(shù)據(jù)傳輸方式，由于DLP LightCrafter 4500的閃存內(nèi)存僅為32MB，可存儲的投影pattern數(shù)目不能滿足小波重構(gòu)需要。因此可選擇pattern sequence下的video port。首先選擇投影結(jié)構(gòu)光的顏色，由PC端的Iabview生成Haar小波基的二進(jìn)制圖像，通過驅(qū)動板控制DMD上每個微鏡的開關(guān)，LED發(fā)出的光通過透鏡照射在DMD上。由DMD反射Haar小波基的二進(jìn)制圖像對目標(biāo)彩色圖像進(jìn)行投影。
[0032]本發(fā)明的實(shí)施例選擇目標(biāo)像素為256*256，小波分解層數(shù)為3層，即第三層小波數(shù)的分辨率為64*64LL，LH，HH的分辨率均為32*32，第二層小波數(shù)的分辨率為128*128，第一層小波數(shù)的分辨率為256*256 ο具體有以下步驟:
[0033]1.通過PC端I的Labview產(chǎn)生Haar小波基的二進(jìn)制圖像的投影圖像，投影圖像中，只有需要采集的像素處是亮斑，其余像素處均為暗斑。
[0034]2.當(dāng)單像素光子探測器4對目標(biāo)圖像3的反射光強(qiáng)信號進(jìn)行采樣時，DLP2在目標(biāo)圖像3上投影的圖像和PC端I產(chǎn)生的投影圖像是一致的，并且每幅投影圖像只投影一次，這就需要在數(shù)據(jù)采樣期間增加一些同步過程來克服涉及計算機(jī)圖形管線的各種延遲。數(shù)據(jù)采樣期間的同步過程如下:
[0035]2.1首先由PC端I通過Labview程序隨機(jī)產(chǎn)生Haar小波基的二進(jìn)制圖像的投影圖像。投影圖像在PC端I完全顯示后，NI的板卡產(chǎn)生一個觸發(fā)信號使DLP2將二進(jìn)制圖像投影在目標(biāo)圖像3上。
[0036]2.2完全投影后由數(shù)據(jù)采集與控制模塊5產(chǎn)生一個觸發(fā)信號輸送給單像素光子探測器4，使其對目標(biāo)圖像3的反射光強(qiáng)信號進(jìn)行采樣。
[0037]2.3單像素光子探測器4采樣結(jié)束后，生成一個返回觸發(fā)信號，隨同采樣得到的反射光強(qiáng)信號一起傳輸回數(shù)據(jù)采集與控制模塊5。
[0038]2.4采樣數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的信號存儲在PCl中。返回觸發(fā)信號使PC端I生成新的投影圖像并進(jìn)行下一輪的投影。
[0039]3.R、G、B三個分量各自的父系數(shù)的采集以及子系數(shù)中重要的小波數(shù)的判斷以及采集過程如下:
[°04°] 3.1在紅色照明光下對目標(biāo)圖像3投影由PCl的Iabview生成Haar小波基的二進(jìn)制圖像，單像素光子探測器4對目標(biāo)圖像3的反射光強(qiáng)信號進(jìn)行采樣，采樣得到的反射光強(qiáng)信號通過數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號傳入PCl，掃描采樣結(jié)束后可得到R分量的分辨率為64*64的粗糙圖像。對其進(jìn)行一級分解得到高一層的小波系數(shù)，然后利用R分量擴(kuò)展小波樹的父子系數(shù)與兄弟系數(shù)之間的關(guān)系確定下一層子系數(shù)中的重要系數(shù)的位置，然后數(shù)據(jù)采集與控制模塊5控制DLP2仍然投紅色照明光，對R分量子系數(shù)中的重要系數(shù)的位置進(jìn)行投影掃描采樣，直至所有子系數(shù)中的重要系數(shù)全部采集完。
[0041 ] 3.2在綠色照明光下對目標(biāo)圖像3投影由PCl的Iabview生成Haar小波基的二進(jìn)制圖像，單像素光子探測器4對目標(biāo)圖像3的反射光強(qiáng)信號進(jìn)行采樣，采樣得到的反射光強(qiáng)信號通過數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號傳入PCl，掃描采樣結(jié)束后可得到G分量的分辨率為64*64的粗糙圖像。對其進(jìn)行一級分解得到高一層的小波系數(shù)，然后利用G分量擴(kuò)展小波樹的父子系數(shù)與兄弟系數(shù)之間的關(guān)系確定下一層子系數(shù)中的重要系數(shù)的位置，然后數(shù)據(jù)采集與控制模塊5控制DLP2仍然投綠色照明光，對G分量子系數(shù)中的重要系數(shù)的位置進(jìn)行投影掃描采樣，直至所有子系數(shù)中的重要系數(shù)全部采集完。
[0042 ] 3.3在藍(lán)色照明光下對目標(biāo)圖像3投影由PCI的IabVi ew生成Haar小波基的二進(jìn)制圖像，單像素光子探測器4對目標(biāo)圖像3的反射光強(qiáng)信號進(jìn)行采樣，采樣得到的反射光強(qiáng)信號通過數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號傳入PCl，掃描采樣結(jié)束后可得到B分量的分辨率為64*64的粗糙圖像。對其進(jìn)行一級分解得到高一層的小波系數(shù)，然后利用B分量擴(kuò)展小波樹的父子系數(shù)與兄弟系數(shù)之間的關(guān)系確定下一層子系數(shù)中的重要系數(shù)的位置，然后數(shù)據(jù)采集與控制模塊5控制DLP2仍然投影藍(lán)色照明光，對B分量子系數(shù)中的重要系數(shù)的位置進(jìn)行投影掃描采樣，直至所有子系數(shù)中的重要系數(shù)全部采集完。
[0043]4.單像素光子探測器4采樣得到的反射光強(qiáng)信號通過數(shù)據(jù)采集與控制模塊5中的模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號傳入PC。在PC中，由matlab對得到的分辨率為256*256的R、G、B分量的小波系數(shù)分別進(jìn)行小波逆變換，最后將三分量進(jìn)行彩色融合得到彩色圖像。
[0044]本發(fā)明通過數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證了該發(fā)明所述算法的性能。如圖3所示是驗(yàn)證本發(fā)明所用的原始圖案以及部分細(xì)節(jié)放大圖。圖4是使用本發(fā)明所述的方法在不同采樣率下對仿真圖案進(jìn)行重構(gòu)時的峰值性噪比PSNR。圖5是使用本發(fā)明所述的方法在采樣率為15%時重構(gòu)得到的彩色圖像以及部分細(xì)節(jié)放大圖。圖6是使用本發(fā)明所述的方法在采樣率為35%時重構(gòu)得到的彩色圖像以及部分細(xì)節(jié)放大圖?？梢钥闯鲋貥?gòu)出的彩色圖像均沒有彩色失真，且在采樣率較低時已經(jīng)能較為清楚的重構(gòu)出部分細(xì)節(jié)，比如胡子、面部毛發(fā)等部位的豐富細(xì)節(jié)。同時，本發(fā)明避免了現(xiàn)有彩色成像技術(shù)中使用壓縮感知方法而造成的巨大計算開銷。另夕卜，本發(fā)明有效地降低了重構(gòu)所需的時間，在采樣率為15%時，若使用CS算法對紅、綠、藍(lán)三分量進(jìn)行重構(gòu)，仿真運(yùn)行時間為9.77s，本發(fā)明所述算法運(yùn)行時間為0.14s。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像系統(tǒng)，包括PC(I)、DLP(2)、彩色目標(biāo)圖像(3)、單像素光子探測器(4)、數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)，其中PC(I)、DLP(2)、單像素光子探測器(4)均與數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)連接； 所述數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)由采集單元、控制單元、模數(shù)處理單元組成，控制單元控制DLP(2)在紅光、綠光、藍(lán)光下依次對彩色目標(biāo)圖像(3)的重要系數(shù)所在的位置進(jìn)行投影；控制單元將PC(I)中生成的二進(jìn)制圖像顯示在屏幕上，然后同步地將該二進(jìn)制圖像傳送給DLP(2)中的DMD，該DLP(2)中DMD的各個微鏡的狀態(tài)根據(jù)二進(jìn)制圖像而進(jìn)行變換，即如果二進(jìn)制圖像中是亮斑，那么對應(yīng)位置的微鏡顯示狀態(tài)為“開”；相反地，如果二進(jìn)制圖像中是暗斑，對應(yīng)位置的微鏡狀態(tài)為“關(guān)”；當(dāng)DLP(2)將二進(jìn)制圖案投影在彩色目標(biāo)圖像(3)上時，控制單元產(chǎn)生一個同步信號，觸發(fā)單像素光子探測器(4)對投影的圖像進(jìn)行采樣，接收彩色目標(biāo)圖像(3)的反射光強(qiáng)信號，采集單元采集到反射光強(qiáng)信號后，單像素光子探測器(4)生成一個返回觸發(fā)信號，返回觸發(fā)信號傳入控制單元，反射光強(qiáng)信號傳入模數(shù)處理單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終分別將投影紅、綠、藍(lán)光時得到的數(shù)字信號傳入PC(I)，從而即可得到R、G、B三分量各自的小波重要系數(shù)，然后對R、G、B三分量分別進(jìn)行小波逆變換，最終重構(gòu)出彩色圖像。2.—種基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步，選擇投影光的顏色，由PC (I)的labvi ew生成Haar小波基的二進(jìn)制圖像，通過數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)中的控制單元控制DLP(2)中的DMD上每個微鏡的開關(guān)，DLP(2)中的LED發(fā)出的光通過透鏡照射在DMD上，由DMD反射Haar小波基的二進(jìn)制圖像對目標(biāo)彩色圖像(3)進(jìn)行投影； 第二步，當(dāng)單像素光子探測器(4)對彩色目標(biāo)圖像(3)的反射光強(qiáng)信號進(jìn)行采樣時，使DLP(2)在彩色目標(biāo)圖像(3)上投影的圖像和PC端(I)產(chǎn)生的投影圖像一致，并且每幅投影圖像只投影一次； 第三步，數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)中的控制單元控制DLP(2)在紅光、綠光、藍(lán)光下依次對彩色目標(biāo)圖像(3)的重要系數(shù)所在的位置進(jìn)行投影;單像素光子探測器(4)采樣得到的反射光強(qiáng)信號通過數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)中的模數(shù)處理單元模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號傳入PC(1)，得到1?、6、8三分量的所有重要系數(shù)，然后對1?、6、8三分量分別進(jìn)行小波逆變換，最終將三分量融合重構(gòu)出彩色圖像。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像方法，其特征在于在第二步中，對數(shù)據(jù)采樣期間通過同步過程來克服計算機(jī)圖形管線的各種延遲，使DLP(2)在彩色目標(biāo)圖像(3)上投影的圖像和PC端(I)產(chǎn)生的投影圖像一致，同步過程如下: 步驟I，由PC(I)端的Labvi ew產(chǎn)生Haar小波基的二進(jìn)制圖像，通過DLP (2)進(jìn)行投影得到投影圖像； 步驟2，投影圖像完全投影且在維持期間，由數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)中的控制單元產(chǎn)生一個觸發(fā)信號輸送給單像素光子探測器(4)，使其對彩色目標(biāo)圖像(3)的反射光強(qiáng)信號進(jìn)行米樣； 步驟3，單像素光子探測器(4)采樣結(jié)束后，生成一個返回觸發(fā)信號，該返回觸發(fā)信號傳入控制單元，反射光強(qiáng)信號傳入模數(shù)處理單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換； 步驟4，采樣得到的反射光強(qiáng)信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的信號存儲在PC(I)中，返回觸發(fā)信號使PC端生成新的投影圖像并進(jìn)行下一輪的投影。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像方法，其特征在于在第三步中，數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)中的控制單元控制DLP(2)在紅光下對彩色目標(biāo)圖像(3)的重要系數(shù)所在的位置進(jìn)行投影，即在紅光下對彩色目標(biāo)圖像(3)進(jìn)行投影掃描，單像素光子探測器(4)采集反射光強(qiáng)信號，從而得到R分量的低分辨率的粗糙圖像;對R分量進(jìn)行一級分解得到高一層的小波系數(shù)，然后利用其自身擴(kuò)展小波樹的父子系數(shù)與兄弟系數(shù)之間的關(guān)系確定高分辨率層的重要系數(shù)的位置，然后控制單元控制DLP(2)在紅光下投影Haar小波基的二進(jìn)制圖像對R分量子系數(shù)中重要小波系數(shù)的位置進(jìn)行掃描，直至R分量的所有重要小波系數(shù)掃描完畢。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像方法，其特征在于在第三步中，數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)中的控制單元控制DLP(2)在綠光下對彩色目標(biāo)圖像(3)的重要系數(shù)所在的位置進(jìn)行投影，即在綠光下對彩色目標(biāo)圖像(3)進(jìn)行投影掃描，單像素光子探測器(4)采集反射光強(qiáng)信號，從而得到G分量的低分辨率的粗糙圖像;對G分量進(jìn)行一級分解得到高一層的小波系數(shù)，然后利用其自身擴(kuò)展小波樹的父子系數(shù)與兄弟系數(shù)之間的關(guān)系確定高分辨率層的重要系數(shù)的位置，然后數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)中的控制單元控制DLP(2)在綠光下投影Haar小波基的二進(jìn)制圖像對G分量子系數(shù)中重要小波系數(shù)的位置進(jìn)行掃描，直至G分量的所有重要小波系數(shù)掃描完畢。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于擴(kuò)展小波樹的彩色成像方法，其特征在于在第三步中，數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)中的控制單元控制DLP(2)在藍(lán)光下對彩色目標(biāo)圖像(3)的重要系數(shù)所在的位置進(jìn)行投影，即在藍(lán)光下對彩色目標(biāo)圖像(3)進(jìn)行投影掃描，單像素光子探測器(4)采集反射光強(qiáng)信號，從而得到B分量的低分辨率的粗糙圖像;對B分量進(jìn)行一級分解得到高一層的小波系數(shù)，然后利用其自身擴(kuò)展小波樹的父子系數(shù)與兄弟系數(shù)之間的關(guān)系確定高分辨率層的重要系數(shù)的位置，然后數(shù)據(jù)采集與控制模塊(5)中的控制單元控制DLP(2)在藍(lán)光下投影Haar小波基的二進(jìn)制圖像對B分量子系數(shù)中重要小波系數(shù)的位置進(jìn)行掃描，直至B分量的所有重要小波系數(shù)掃描完畢。
【文檔編號】H04N5/232GK105915868SQ201610256208
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】何偉基, 閆奕蕓, 鄒云浩, 戴慧東, 陳錢, 顧國華, 張聞文, 錢惟賢, 隋修寶, 任侃, 路東明, 于雪蓮
【申請人】南京理工大學(xué)