本發(fā)明涉及計(jì)算成像技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，涉及一種高光譜光場(chǎng)的快照式成像系統(tǒng)以及重建算法。

背景技術(shù)：

近些年，由于光學(xué)儀器的進(jìn)步和計(jì)算能力的增長(zhǎng)，計(jì)算成像學(xué)飛速發(fā)展。計(jì)算成像學(xué)的最終目的是同時(shí)獲取七維全光信息，包括三維空間(兩維平面和一維深度)、一維時(shí)間、一維光譜和兩維角度。傳統(tǒng)的成像方式關(guān)注兩維平面空間(即傳統(tǒng)圖像)和一維時(shí)間(即傳統(tǒng)視頻)，提供的信息有限。目前對(duì)其他維度的研究包括深度/三維成像，多光譜/高光譜成像，以及光場(chǎng)成像。同時(shí)，便攜的深度相機(jī)和微透鏡陣列光場(chǎng)相機(jī)，比如kinect深度相機(jī)和lytro微透鏡陣列光場(chǎng)相機(jī)，也為解決復(fù)雜的計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)和新應(yīng)用的產(chǎn)生提供了可能。

計(jì)算成像的目的是集成更多維度的光信息，同時(shí)盡可能保持每個(gè)維度的高分辨率。由于全光信號(hào)的不同維度之間存在很大的相關(guān)性，使得從非常欠采樣的觀測(cè)中重建出高維光信號(hào)成為可能。

對(duì)于高光譜光場(chǎng)視頻拍攝、高光譜光場(chǎng)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景建模等應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率有較高要求，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝。

為了獲取高光譜光場(chǎng)，即同時(shí)獲取場(chǎng)景的空間、角度和光譜信息，現(xiàn)有的系統(tǒng)包括將固定在平移臺(tái)上的光譜儀依序掃描角度和光譜維，或使用配備了可調(diào)節(jié)濾波片的微透鏡陣列來(lái)掃描光譜維。這樣的掃描式方法在一定程度上利用了圖像的空間相關(guān)性，取得了較高的空間分辨率和光譜分辨率，但它們不適用于需要實(shí)時(shí)拍攝的場(chǎng)景，比如包含動(dòng)態(tài)物體或光照變化的場(chǎng)景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種高光譜光場(chǎng)的快照式成像系統(tǒng)以及重建算法，可以實(shí)現(xiàn)高光譜光場(chǎng)的實(shí)時(shí)拍攝，對(duì)五維高光譜光場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化重建，能夠從嚴(yán)重欠采樣的觀測(cè)中，獲得良好的重建效果。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種高光譜光場(chǎng)的快照式成像系統(tǒng)，所述快照式成像系統(tǒng)包括：分束器、控制器、第一觀測(cè)通道以及第二觀測(cè)通道；

所述分束器用于將場(chǎng)景的入射光線分為兩路，分別進(jìn)入到所述第一觀測(cè)通道以及所述第二觀測(cè)通道；

所述第一觀測(cè)通道以及所述第二觀測(cè)通道用于分別獲取場(chǎng)景的觀測(cè)結(jié)果；

所述控制器用于根據(jù)獲取的所述觀測(cè)結(jié)果以及高光譜光場(chǎng)信號(hào)中角度維度和光譜維度的相關(guān)性重建五維高光譜光場(chǎng)。

優(yōu)選的，在上述快照式成像系統(tǒng)中，在入射光線傳播方向上，所述第一觀測(cè)通道依次包括：物鏡、編碼光圈、中繼透鏡、色散棱鏡以及第一成像器；

所述第一觀測(cè)通道用于通過所述編碼光圈和所述色散棱鏡對(duì)所述場(chǎng)景的光譜信息進(jìn)行壓縮采樣和編碼。

優(yōu)選的，在上述快照式成像系統(tǒng)中，在入射光線傳播方向上，所述第二觀測(cè)通道依次包括：主透鏡、微透鏡陣列以及第二成像器；

所述第二觀測(cè)通道用于通過所述微透鏡陣列捕獲rgb光場(chǎng)；其中，所述rgb光場(chǎng)包含所述場(chǎng)景的角度信息。

優(yōu)選的，在上述快照式成像系統(tǒng)中，所述分束器用于將原始高光譜光場(chǎng)信號(hào)按照1:1的比例分成兩路，分別進(jìn)入所述第一觀測(cè)通道以及所述第二觀測(cè)通道，進(jìn)入所述第一觀測(cè)通道的第一路光信號(hào)和進(jìn)入所述第二觀測(cè)通道的第二路光信號(hào)相同。

優(yōu)選的，在上述快照式成像系統(tǒng)中，所述控制器用于通過rgb光場(chǎng)訓(xùn)練三個(gè)過完備的四維字典，則各個(gè)譜帶的四維光場(chǎng)可以用所述三個(gè)過完備的四維字典分別稀疏表示，利用場(chǎng)景在光譜維度和角度維度的相關(guān)性求解稀疏優(yōu)化問題，重建所述五維高光譜光場(chǎng)。

本發(fā)明還提供了一種高光譜光場(chǎng)的重建算法，用于上述任一項(xiàng)所述的快照式成像系統(tǒng)，所述重建算法包括：

通過第一觀測(cè)通道以及第二觀測(cè)通道分別獲取場(chǎng)景的觀測(cè)結(jié)果；

根據(jù)獲取的所述觀測(cè)結(jié)果以及高光譜光場(chǎng)信號(hào)中角度維度和光譜維度的相關(guān)性重建五維高光譜光場(chǎng)。

優(yōu)選的，在上述重建算法中，所述通過第一觀測(cè)通道以及第二觀測(cè)通道獲取場(chǎng)景的觀測(cè)結(jié)果包括：

將所述場(chǎng)景的入射光線通過分束器分為兩路，分別進(jìn)入到所述第一觀測(cè)通道以及所述第二觀測(cè)通道；

通過所述第一觀測(cè)通道中的編碼光圈和色散棱鏡對(duì)所述場(chǎng)景的光譜信息進(jìn)行壓縮采樣和編碼，通過所述第二觀測(cè)通道中的微透鏡陣列捕獲rgb光場(chǎng)；

其中，所述rgb光場(chǎng)包含所述場(chǎng)景的角度信息。

優(yōu)選的，在上述重建算法中，通過所述第一觀測(cè)通道中的編碼光圈和色散棱鏡對(duì)所述場(chǎng)景的光譜信息進(jìn)行壓縮采樣和編碼，通過所述第二觀測(cè)通道中的微透鏡陣列捕獲rgb光場(chǎng)包括：

原始高光譜光場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過分束器按照1:1的比例分成兩路，分別進(jìn)入所述第一觀測(cè)通道以及所述第二觀測(cè)通道，進(jìn)入所述第一觀測(cè)通道的第一路光信號(hào)和進(jìn)入所述第二觀測(cè)通道的第二路光信號(hào)相同；

所述第一觀測(cè)通道利用編碼函數(shù)對(duì)所述第一路光信號(hào)進(jìn)行編碼，得出經(jīng)過編碼之后的光譜信號(hào)；

將所述第一路光信號(hào)經(jīng)過編碼后的光譜信號(hào)中預(yù)設(shè)譜段的信號(hào)平移，得出色散之后的光譜信號(hào)；

在所述第一路光信號(hào)與所述第二路光信號(hào)同時(shí)曝光的條件下，通過所述第一觀測(cè)通道獲取第一路觀測(cè)結(jié)果，通過所述第二觀測(cè)通道獲取第二路觀測(cè)結(jié)果。

優(yōu)選的，在上述重建算法中，所述根據(jù)獲取的所述觀測(cè)結(jié)果以及高光譜光場(chǎng)信號(hào)中角度維度和光譜維度的相關(guān)性重建高光譜光場(chǎng)圖像包括：

通過rgb光場(chǎng)訓(xùn)練三個(gè)過完備的四維字典，則各個(gè)譜帶的四維光場(chǎng)可以用所述三個(gè)過完備的四維字典分別稀疏表示；

利用場(chǎng)景在光譜維度和角度維度的相關(guān)性求解稀疏優(yōu)化問題，重建所述五維高光譜光場(chǎng)。

通過上述描述可知，本發(fā)明技術(shù)方案提供的高光譜光場(chǎng)的快照式成像系統(tǒng)以及重建算法中，利用光信號(hào)在角度維和光譜維的關(guān)系，對(duì)五維高光譜光場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化重建，能夠從嚴(yán)重欠采樣的觀測(cè)中，獲得良好的重建效果。本方法可以克服傳統(tǒng)掃描式方法中時(shí)間分辨率限制的問題，進(jìn)行快照式成像，實(shí)現(xiàn)高光譜光場(chǎng)的實(shí)時(shí)拍攝，重建出同時(shí)保證空間、角度和光譜分辨率的五維光信號(hào)，從而可以進(jìn)一步獲取六維高光譜光場(chǎng)視頻。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種高光譜光場(chǎng)的快照式成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示快照式成像系統(tǒng)的工作原理示意圖；

圖3為圖1所示快照式成像系統(tǒng)角度分辨率以及光譜分辨率的效果說明圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種重建算法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

參考圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種高光譜光場(chǎng)的快照式成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述快照式成像系統(tǒng)包括：分束器11、控制器12、第一觀測(cè)通道13以及第二觀測(cè)通道14。

所述分束器11用于將場(chǎng)景15的入射光線分為兩路，分別進(jìn)入到所述第一觀測(cè)通道13以及所述第二觀測(cè)通道14。所述第一觀測(cè)通道13以及所述第二觀測(cè)通道14用于分別獲取場(chǎng)景15的觀測(cè)結(jié)果。所述控制器12用于根據(jù)獲取的所述觀測(cè)結(jié)果以及高光譜光場(chǎng)信號(hào)中角度維度和光譜維度的關(guān)系重建五維高光譜光場(chǎng)。

如圖1所示，在入射光線傳播方向上，所述第一觀測(cè)通道13依次包括：物鏡131、編碼光圈132、中繼透鏡133、色散棱鏡134以及第一成像器135。所述第一觀測(cè)通道13用于通過所述編碼光圈132和所述色散棱鏡134對(duì)所述場(chǎng)景15的光譜信息進(jìn)行壓縮采樣和編碼?？蛇x的，所述第一觀測(cè)通道13還包括位于所述中繼透鏡133和所述色散棱鏡134之間的濾波片。圖1中未示出所述第一觀測(cè)通道13的濾波片。編碼光圈132位于物鏡131的后端，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜圖像的編碼。中繼透鏡133以及濾波片用于延長(zhǎng)光路和濾除無(wú)用波段。色散棱鏡134位于濾波片的后端，用于平移光譜圖像的光譜維度信息，實(shí)現(xiàn)光譜圖像的色散。第一成像器135位于色散棱鏡134的后端，用于觀測(cè)圖像，獲取編碼之后的圖像信息。

如圖1所示，在入射光線傳播方向上，所述第二觀測(cè)通道14依次包括：主透鏡141、微透鏡陣列142以及第二成像器143。所述第二觀測(cè)通道14用于通過所述微透鏡陣列142捕獲rgb光場(chǎng)。其中，所述rgb光場(chǎng)包含所述場(chǎng)景15的角度信息。rgb光場(chǎng)為四維光場(chǎng)?？蛇x的，所述第二觀測(cè)通道14還包括：位于所述微透鏡陣列142以及所述第二成像器143之間的濾波片。圖1中未示出所述第二觀測(cè)通道14的濾波片。第二成像器143位于濾波片的后端，用于獲取場(chǎng)景的rgb光場(chǎng)圖像信息。

本發(fā)明實(shí)施例所述快照式成像系統(tǒng)中，所述分束器11用于將原始高光譜光場(chǎng)信號(hào)按照1:1的比例分成兩路，分別進(jìn)入所述第一觀測(cè)通道13以及所述第二觀測(cè)通道14，進(jìn)入所述第一觀測(cè)通道的第一路光信號(hào)和進(jìn)入所述第二觀測(cè)通道的第二路光信號(hào)相同。

所述控制器12用于通過rgb光場(chǎng)訓(xùn)練三個(gè)過完備的四維字典，則各個(gè)譜帶的四維光場(chǎng)可以用所述三個(gè)過完備的四維字典分別稀疏表示，利用場(chǎng)景在光譜維度和角度維度的相關(guān)性求解稀疏優(yōu)化問題，重建所述五維高光譜光場(chǎng)。

參考圖2，圖2為圖1所示快照式成像系統(tǒng)的工作原理示意圖。在圖2所示實(shí)施方式中，所述第一觀測(cè)通道為孔徑快照光譜成像儀(cassi)，具有編碼光圈和色散棱鏡。所述第二觀測(cè)通道為具有微透鏡陣列的光場(chǎng)相機(jī)，如lytro。場(chǎng)景的入射光線通過分束器分為兩路，分別進(jìn)入到cassi所在的光路以及光場(chǎng)相機(jī)所在的光路。

cassi通過編碼光圈和色散棱鏡對(duì)場(chǎng)景的光譜信息進(jìn)行壓縮采樣和編碼，獲取cassi所在的光路的觀測(cè)結(jié)果。光場(chǎng)相機(jī)利用內(nèi)置的微透鏡陣列捕獲包含場(chǎng)景角度信息的rgb光場(chǎng)。

所述控制器12用rgb光場(chǎng)訓(xùn)練三個(gè)過完備的四維字典，基于四維字典、rgb光場(chǎng)以及cassi所在的光路的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，獲得高光譜光場(chǎng)。具體的，所述控制器12將所述第二觀測(cè)通道14獲取的rgb光場(chǎng)看做三個(gè)獨(dú)立的不同顏色的光場(chǎng)，則待恢復(fù)的五維高光譜光場(chǎng)可以看做不同譜帶的四維光場(chǎng)的集合，且各個(gè)譜帶的四維光場(chǎng)都與相近顏色的rgb光場(chǎng)具有相似的結(jié)構(gòu)信息。所述控制器12用rgb光場(chǎng)訓(xùn)練三個(gè)過完備的四維字典，則各個(gè)譜帶的四維光場(chǎng)可以用這三個(gè)過完備的四維字典分別稀疏表示，然后利用場(chǎng)景15在光譜維度和角度維度的相關(guān)性求解稀疏優(yōu)化問題，基于所述四維字典來(lái)重建五維高光譜光場(chǎng)。本發(fā)明實(shí)施例中，基于字典的重建算法的簡(jiǎn)稱為dbr(dictionary-basedreconstruction)。

本發(fā)明實(shí)施例所述快照式成像系統(tǒng)具有兩個(gè)模塊，觀測(cè)通道模塊以及信號(hào)重構(gòu)模塊。其中，觀測(cè)通道模塊通過包括第一觀測(cè)通道以及第二觀測(cè)通道的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)場(chǎng)景的光譜和光場(chǎng)信息分別進(jìn)行采集，獲得觀測(cè)圖像；信號(hào)重構(gòu)模塊可以通過具有所述控制器的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行字典訓(xùn)練以及執(zhí)行重建算法，獲取高光譜光場(chǎng)信號(hào)。第一觀測(cè)通道以及第二觀測(cè)通道實(shí)現(xiàn)高光譜光場(chǎng)信號(hào)的雙通道互補(bǔ)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果輸出給控制器進(jìn)行高光譜光場(chǎng)信號(hào)的重建。

參考圖3，圖3為圖1所示快照式成像系統(tǒng)角度分辨率以及光譜分辨率的效果說明圖，本發(fā)明實(shí)施例所述快照式成像系統(tǒng)可以由lytro以及cassi構(gòu)成兩路觀測(cè)通道，lytro具有9*9不同視角，3個(gè)譜帶，光譜分辨率低，角度分辨率高；而cassi具有約30個(gè)譜帶，光譜分辨率高，無(wú)角度信息。本發(fā)明實(shí)施例中具有l(wèi)ytro與cassi的快照式成像系統(tǒng)，可以具有9*9不同視角，約30個(gè)譜帶，綜合lytro以及cassi二者的優(yōu)點(diǎn)，光譜分辨率高，且角度分辨率高。

通過上述描述可知，本發(fā)明實(shí)施例所述快照式成像系統(tǒng)利用光信號(hào)在角度維度和光譜維度的相關(guān)性，將高光譜光場(chǎng)的重建問題轉(zhuǎn)化為在給定的rgb光場(chǎng)訓(xùn)練的四維字典和稀疏約束時(shí)，對(duì)五維高光譜光場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化重建，能夠從嚴(yán)重欠采樣的觀測(cè)中，獲得良好的重建效果。本發(fā)明實(shí)施例所述快照式成像系統(tǒng)可以克服傳統(tǒng)掃描式方法具有的時(shí)間分辨率限制的問題，實(shí)現(xiàn)了快照式成像，進(jìn)而重建出同時(shí)保證空間、角度和光譜分辨率的五維光信號(hào)，從而可以進(jìn)一步獲取六維高光譜光場(chǎng)視頻。

總的來(lái)說，本發(fā)明實(shí)施例所述快照式成像系統(tǒng)利用自然場(chǎng)景光信號(hào)在角度維度和光譜維度的相關(guān)性，在不犧牲時(shí)間分辨率的條件下獲取五維高光譜光場(chǎng)。所述快照式成像系統(tǒng)可以通過有效的重建算法，能夠從嚴(yán)重欠采樣的觀測(cè)中恢復(fù)完整的五維高光譜光場(chǎng)。所述重建算法可以擴(kuò)展到六維高光譜光場(chǎng)視頻的獲取和重建，使得獲取七維全光信息成為了可能。

基于上述實(shí)施例所述快照式成像系統(tǒng)，本發(fā)明另一實(shí)施例還提供了一種高光譜光場(chǎng)的重建算法，用于上述實(shí)施例所述的快照式成像系統(tǒng)，所述重建算法如圖4所示，圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種重建算法的流程示意圖，所述重建算法包括：

步驟s11：通過第一觀測(cè)通道以及第二觀測(cè)通道分別獲取場(chǎng)景的觀測(cè)結(jié)果。

步驟s12：根據(jù)獲取的所述觀測(cè)結(jié)果以及高光譜光場(chǎng)信號(hào)中角度維度和光譜維度的相關(guān)性重建五維高光譜光場(chǎng)。

可選的，步驟s11中，所述通過第一觀測(cè)通道以及第二觀測(cè)通道獲取場(chǎng)景的觀測(cè)結(jié)果包括：將所述場(chǎng)景的入射光線通過分束器分為兩路，分別進(jìn)入到所述第一觀測(cè)通道以及所述第二觀測(cè)通道；通過所述第一觀測(cè)通道中的編碼光圈和色散棱鏡對(duì)所述場(chǎng)景的光譜信息進(jìn)行壓縮采樣和編碼，通過所述第二觀測(cè)通道中的微透鏡陣列捕獲rgb光場(chǎng)。其中，所述rgb光場(chǎng)包含所述場(chǎng)景的角度信息。第一觀測(cè)通道的觀測(cè)結(jié)果為經(jīng)過編碼以及色散處理的壓縮光譜圖像。所述第二觀測(cè)通道的觀測(cè)結(jié)果為rgb光場(chǎng)圖像。

(1a)本發(fā)明實(shí)施例中，兩個(gè)觀測(cè)通道均可以單獨(dú)采集各自所在光路的空間信息，且兩個(gè)觀測(cè)通道還可以分別采集光譜信息以及光場(chǎng)信息。

(1b)設(shè)定原始高光譜光場(chǎng)信號(hào)的維度為w×h×s×s×ω，其中w×h是空間分辨率，s×s是光場(chǎng)的角度分辨率，ω是光譜分辨率。其中，w、h、s以及ω均為大于1的正整數(shù)。

設(shè)定五維高光譜光場(chǎng)中任一點(diǎn)的光信號(hào)為f(x,y,u,v,λ)。其中，x和y表示空間維度坐標(biāo)，u和v表示角度維度坐標(biāo)，λ表示光譜維度坐標(biāo)，1≤x≤w，1≤y≤h，1≤u≤s，1≤v≤s，1≤λ≤ω。

基于上述設(shè)定，通過所述第一觀測(cè)通道中的編碼光圈和色散棱鏡對(duì)所述場(chǎng)景的光譜信息進(jìn)行壓縮采樣和編碼，通過所述第二觀測(cè)通道中的微透鏡陣列捕獲rgb光場(chǎng)包括：

(1c)原始高光譜光場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過分束器按照1:1的比例分成兩路，分別進(jìn)入所述第一觀測(cè)通道以及所述第二觀測(cè)通道，進(jìn)入所述第一觀測(cè)通道的第一路光信號(hào)f11(x,y,u,v,λ)和進(jìn)入所述第二觀測(cè)通道的第二路光信號(hào)f21(m,n,u,v,k)相同，f11(x,y,u,v,λ)和f21(m,n,u,v,k)分別如下所示：

(1d)所述第一觀測(cè)通道利用編碼函數(shù)t(x,y)對(duì)所述第一路光信號(hào)進(jìn)行編碼，其中，t(x,y)隨機(jī)的取0或1；得出經(jīng)過編碼之后的光譜信號(hào)f12(x,y,u,v,λ)，f12(x,y,u,v,λ)如下所示：

(1e)將所述第一路光信號(hào)經(jīng)過編碼后的光譜信號(hào)f12(x,y,u,v,λ)中預(yù)設(shè)譜段的信號(hào)平移，得出色散之后的光譜信號(hào)f13(x,y,u,v,λ)。

例如將所述第一路光信號(hào)經(jīng)過編碼后的光譜信號(hào)中第λ個(gè)譜段的信號(hào)平移ψ(λ)個(gè)像素，得出光譜信號(hào)f12(x,y,u,v,λ)色散之后的光譜信號(hào)f13(x,y,u,v,λ)，f13(x,y,u,v,λ)如下所示：

其中，ψ(λ)是所述色散棱鏡的與波長(zhǎng)相關(guān)的色散函數(shù)。

(1f)在所述第一路光信號(hào)與所述第二路光信號(hào)同時(shí)曝光的條件下，通過所述第一觀測(cè)通道獲取第一路觀測(cè)結(jié)果g^c(x,y)，通過所述第二觀測(cè)通道獲取第二路觀測(cè)結(jié)果g^l(x,y,u,v,k)。

第一路觀測(cè)結(jié)果g^c(x,y)如下表示：

其中，w(λ)是第一成像器的光譜響應(yīng)函數(shù)。

第二路觀測(cè)結(jié)果g^l(x,y,u,v,k)如下表示：

其中，k＝1，2，3表示rgb三種不同顏色的通道；wk(λ)表示第二成像器與rgb三種顏色對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)函數(shù)。

(1g)控制器將兩觀測(cè)通道中的兩路觀測(cè)結(jié)果分別記為：

g^c＝h^cf(7)

其中，g^c是g^c的向量化表示；和fu,v是g^l和f在某個(gè)角度坐標(biāo)(u,v)下的向量化表示。進(jìn)而，將兩路觀測(cè)結(jié)果記為：

公式(9)可以簡(jiǎn)寫為g＝hf，其中，g為觀測(cè)矩陣，h為線性算子，表示系統(tǒng)的觀測(cè)模型，為原始高光譜光場(chǎng)信號(hào)。

可選的，步驟s12中，所述根據(jù)獲取的所述觀測(cè)結(jié)果以及高光譜光場(chǎng)信號(hào)中角度維度和光譜維度的相關(guān)性重建高光譜光場(chǎng)圖像包括：

首先，通過rgb光場(chǎng)訓(xùn)練三個(gè)過完備的四維字典，則各個(gè)譜帶的四維光場(chǎng)可以用所述三個(gè)過完備的四維字典分別稀疏表示。然后，利用場(chǎng)景在光譜維度和角度維度的相關(guān)性求解稀疏優(yōu)化問題，重建所述五維高光譜光場(chǎng)。具體重建過程如下：

(2a)用lytro相機(jī)采集到的rgb四維光場(chǎng)訓(xùn)練三種顏色的四維字典。從rgb光場(chǎng)中分別隨機(jī)采樣一組大小為m＝w×h×s×s的四維圖像塊，其中w、h以及s表示圖像塊維度，均為便于進(jìn)行訓(xùn)練字典的常數(shù)。采用ksvd算法訓(xùn)練三個(gè)四維字典其中，表示實(shí)數(shù)空間，n是字典的原子數(shù)，n＞m，則待重建的各個(gè)譜帶的四維光場(chǎng)可以在這些自適應(yīng)的字典上被稀疏表示。

(2b)將五維高光譜光場(chǎng)在訓(xùn)練好的字典上稀疏表示為：

其中，fλ(1≤λ≤ω)指代某譜帶的光場(chǎng)，aλ(1≤λ≤ω)指代fλ在字典dk上稀疏表示的稀疏系數(shù)。操作符ο定義為：

f＝[d1(a1,a2,...,ai),d2(ai+1,ai+2,...,aj),d2(aj+1,aj+2,...,aω)]^t(11)

其中，1≤i≤j≤ω指明各個(gè)譜帶光場(chǎng)應(yīng)該用哪個(gè)顏色的字典，由第二成像器的光譜響應(yīng)確定。公式(11)簡(jiǎn)潔表示為：

其中，d由組成，a是的集合。

(2c)根據(jù)壓縮感知理論，將f的重建問題轉(zhuǎn)換為自適應(yīng)字典上的優(yōu)化問題：

其中，τ是正則化參數(shù)。這個(gè)優(yōu)化問題可以通過omp(orthogonalmatchingpursuit)算法求解。

為測(cè)試本發(fā)明實(shí)施例所提出的重建算法的有效性，設(shè)計(jì)了三個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)。由于沒有已公開的高光譜光場(chǎng)數(shù)據(jù)集，預(yù)先設(shè)定了了一個(gè)高光譜光場(chǎng)數(shù)據(jù)集用于重建算法的性能評(píng)估。通過安裝在可移動(dòng)支架上的光譜儀掃描三個(gè)靜態(tài)場(chǎng)景，獲取了三個(gè)數(shù)據(jù)集toys，boards和fruits。每個(gè)場(chǎng)景的采集數(shù)據(jù)包含9×9個(gè)不同角度和從450nm到690nm，間距為10nm的25個(gè)不同譜帶，共2025張圖片。

仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試了這三個(gè)不同場(chǎng)景的高光譜光場(chǎng)數(shù)據(jù)在5×5、7×7和9×9三種不同的角度分辨率下的重建性能。訓(xùn)練的字典的塊的大小為m＝6×6×s×s，其中s×s是角度分辨率，字典的大小為n＝2m。重建算法dbr的迭代次數(shù)設(shè)置為80，角度分辨率為5×5、7×7和9×9時(shí)的正則化參數(shù)τ分別設(shè)置為0.004、0.002和0.0005。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖下表1所示，表1為本發(fā)明基于字典的重建算法dbr與兩步迭代重建算法twist在仿真實(shí)驗(yàn)上的性能比較的數(shù)據(jù)表格。

表1

表1給出了本發(fā)明實(shí)施例所述重建算法相比于基于全變差先驗(yàn)(totalvariation，簡(jiǎn)稱tv)的兩步迭代重建算法twist在三個(gè)數(shù)據(jù)集上的重建性能，采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是峰值信噪比psnr和光譜角sam。psnr衡量重建結(jié)果的空間質(zhì)量，psnr越高，反映空間質(zhì)量越好，sam衡量重建結(jié)果的光譜質(zhì)量，sam越小，反映光譜重建質(zhì)量越高。從表中可以看出，本發(fā)明實(shí)施例所述重建算法相比twist本方法在三個(gè)場(chǎng)景上的各視角平均psnr提升為2.45db，平均sam降低了15％。具體的，在三個(gè)場(chǎng)景上的psnr提升分別為2.99db、2.13db和2.24db，sam降低了0.017、0.012和0.0097。相比twist算法，本發(fā)明實(shí)施例所述重建算法的各視角各譜帶的重建結(jié)果質(zhì)量更好，即能同時(shí)提高角度和光譜分辨率。

為測(cè)試本發(fā)明系統(tǒng)對(duì)高光譜光場(chǎng)的重建效果，實(shí)施了實(shí)物實(shí)驗(yàn)，拍攝場(chǎng)景是有六種不同顏色色塊的魔方，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同視角和不同譜帶的重建結(jié)果的視覺質(zhì)量良好，都有清晰邊緣和良好的細(xì)節(jié)，和仿真實(shí)驗(yàn)一致，驗(yàn)證了本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案在同時(shí)提升光場(chǎng)和光譜分辨率上的優(yōu)越性。

可以通過上述實(shí)施例所述快照式成像系統(tǒng)執(zhí)行本實(shí)施例所述重建算法，利用光信號(hào)在角度維度和光譜維度的相關(guān)性，將高光譜光場(chǎng)的重建問題轉(zhuǎn)化為在給定的rgb光場(chǎng)訓(xùn)練的四維字典和稀疏約束時(shí)，對(duì)五維高光譜光場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化重建，能夠從嚴(yán)重欠采樣的觀測(cè)中，獲得良好的重建效果。本發(fā)明實(shí)施例所述重建算法可以克服傳統(tǒng)掃描式方法具有的時(shí)間分辨率限制的問題，實(shí)現(xiàn)了快照式成像，進(jìn)而重建出同時(shí)保證空間、角度和光譜分辨率的五維光信號(hào)，從而可以進(jìn)一步獲取六維高光譜光場(chǎng)視頻。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。