专利名称：基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置和方法
技术领域：
本发明涉及三维信息获取领域，尤其涉及一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置和方法。
背景技术：
三维信息的获取如今已经广泛用于三维建模，目标探测等领域，并且已经发展出来各种各样的方法，各有其优缺点及使用范围。如今比较流行的有:基于计算机视觉的方法，可以从二维的图形获取三维信息，可以实现对大视场三维信息的获取；利用飞行时间法·，在一定范围内对目标物体进行扫描，在获取二维信息的同时得到探测脉冲的飞行时间，从而获取目标物体的深度信息，其图像获取速度和分辨率受限于扫描速度和扫描点数；使用结构光对于目标物体进行主动式的测量，扫描速度快，测量精度高，比较适用于室内物体表面反射情况比较好的场合；在远距离三维信息获取上主要采用切片法，对回波信号切片后分别计算不同距离的二维信息，通过多次计算完成三维重构。基于计算机视觉的方法、结构光法都不适用于远距离三维信息的获取，飞行时间法受限于扫描速度和扫描点数，并且容易受到传播过程中环境的影响，远距离三维信息的获取结果不理想，而切片法需要根据切片次数多次进行压缩感知计算，计算速度慢且繁琐。压缩感知理论是关于信号采样和数据处理的一门新兴的理论，它指出在一定的条件下，用远低于Nyquist采样定理要求的采样次数对信号进行采样时，也能很好的恢复出原始信号，它可以将图像的压缩采集和压缩过程合二为一。通过M次的测量可以还原N维的信号(M<N)。压缩感知理论的核心内容有两点:目标信号的稀疏表达和测量的非相干性。
对于有长度为N的实数信号x(n)，可以进行稀疏变换x( ) = ；￡外OrW或者X = Ψ Θ。Ψ
>=1 ，
为相应的稀疏基矩阵。压缩感知并不直接对信号X(η)进行测量，而是通过一个随机投影矩阵Φ进行测量y= Φχ0 Φ是一个MXN维的矩阵，每一行是一个基向量1，表示对信号X (η)进行一次线性的测量。M表示测量次数，并且满足Μ〈Ν。由于X可以在Ψ域进行稀疏表示，所以上式也可以表示为y = ΦΧ = ΦΨΤ Θ。求解此方程的问题可以表示为求最小I
范数的优化问题:mjnlPII!γ=Φχ = ΦΨτθ = Θθ可用的算法有基追踪算法，
ΛJ^O
贪婪追踪算法，凸松弛法，组合算法，TV算法等。目前还没有将压缩感知理论应用于空间三维编码调制的三维信息获取领域的文献报道。

发明内容
本发明基于压缩感知使用一个空间光调制器对图像二维编码调制并利用一维随机调制向量对不同距离总光强进行编码调制，最后通过一次压缩感知算法实现三维信息获取。一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，包括:脉冲激光模块、图像生成加载模块、成像系统、空间光调制器、会聚透镜、单点探测器、高速数据采集模块和计算存储模块；所述脉冲激光模块发出脉冲激光并投射到目标景物上；所述图像生成加载模块生成多次测量加载的二维随机调制图像，并将二维随机调制图像传递给所述空间光调制器；所述成像系统用于收集所述目标景物的漫反射光，并将目标景物成像到空间光调制器上；所述空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行编码调制；所述会聚透镜将目标景物图像调制后的光强会聚得到调制后的不同距离回波的总光强；所述单点探测器用于探测所述会聚透镜会聚得到不同距离回波的总光强；所述高速数据采集模块用于采集单点探测器多次探测得到的不同距离回波的总光强;所述计算存储模块根据多次探测得到的不同距离回波的总光强，利用压缩感知算法完成二维/[目息获取。所述空间光调制器为透射型空间光调制器或反射型空间光调制器。反射型空间光调制器可以为反射型的硅上液晶器件(LCOS)或者反射型的数字微镜器件(DMD)等，优选为反射型的数字微镜器件(DMD)。所述成像系统为望远系统、显微系统或照相系统。成像系统用于采集目标景物的漫反射光，并将目标景物成像在空间光调制器上。所述图像生成加载模块内设有同步模块，实现每切换一张图像脉冲激光模块发一个脉冲激光，由于需要多次采样，同步模块实现图像生成加载模块和脉冲激光的同步。所述高速数据采集模块和脉冲激光模块之间连接有同步探测模块。高速数据采集模块为两路信号同时采集，同步探测模块实现脉冲激光模块每发一个脉冲光后两路同步采集光强数据，所述同步探测模块包括探测器和收集透镜或透镜组。所述脉冲激光模块包括脉冲激光光源、扩束镜和分光棱镜。本发明还提供了一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取方法，包括以下步骤:( I)脉冲激光光源发出脉冲激光照射目标景物；(2)目标景物经成像系统成像到空间光调制器上，空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行编码调制；(3)将目标景物调制后图像的光强会聚后得到调制后的不同距离回波的总光强，并由单点探测器接收；(4)利用高速数据采集模块采集单点探测器探测的不同距离回波的总光强；(5)重 复步骤(I) (4)对目标景物进行M次测量，得到M次测量的回波总光强，最后利用压缩感知算法完成目标景物三维信息的获取。
在步骤(4)中，需要对高速数据采集模块每次采集的不同距离回波的总光强进行一维随机编码调制，其中，一维随机调制向量为B=lXr，r为一维随机调制向量元素数。所述M为小于二维随机调制图像总像素数和一维随机调制向量元素数的乘积的自然数。在步骤(5)中，利用压缩感知算法完成目标景物三维信息获取的具体方法为:(I)设定二维随机调制图像总像素数A=pXq，p为二维随机调制图像的横向分辨率，q为二维随机调制图像的纵向分辨率；一维随机调制向量B=IXr,目标景物的测量次数为M，生成一个MXA维的矩阵O1和一个MXB维的矩阵Φ2，利用矩阵O1生成M幅二维随机调制图像O1G),利用矩阵Φ2生成M个一维随机调制向量Φ2α)，其中i，j=l，2，3,4-M ；
权利要求
1.一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，包括:脉冲激光模块、图像生成加载模块(6)、成像系统(2)、空间光调制器(3)、会聚透镜(4)、单点探测器(5)、高速数据采集模块(7)和计算存储模块(8)； 所述脉冲激光模块发出脉冲激光并投射到目标景物上； 所述图像生成加载模块(6)生成多次测量加载的二维随机调制图像，并将二维随机调制图像传递给所述空间光调制器(3)； 所述成像系统(2)用于收集所述目标景物的漫反射光，并将目标景物成像到空间光调制器(3)上； 所述空间光调制器(3)根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行编码调制； 所述会聚透镜(4)将目标景物图像调制后的光强会聚得到调制后的不同距离回波的总光强; 所述单点探测器(5)用于探测所述会聚透镜(4)会聚得到不同距离回波的总光强； 所述高速数据采集模块(7)用 于采集单点探测器(5)多次探测得到的不同距离回波的总光强； 所述计算存储模块(8)通过对多次探测得到的不同距离回波的总光强进行一维编码调制，利用压缩感知算法完成三维信息获取。
2.如权利要求1所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，所述空间光调制器(3)为透射型空间光调制器或反射型空间光调制器。
3.如权利要求2所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，所述的成像系统(2)为望远系统、显微系统或照相系统。
4.如权利要求3所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，所述图像生成加载模块(6)内设有同步模块，实现每切换一张图像所述脉冲激光模块发一个脉冲激光。
5.如权利要求4所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，所述高速数据采集模块(7 )和脉冲激光模块之间连接有同步探测模块(9 )。
6.如权利要求1所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置，其特征在于，所述脉冲激光模块包括脉冲激光光源(I )、扩束镜和分光棱镜(10)。
7.一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)脉冲激光光源发出脉冲激光照射目标景物； (2)目标景物经成像系统成像到空间光调制器上，空间光调制器根据加载其上的二维随机调制图像对得到的目标景物的图像进行编码调制； (3)将目标景物调制后图像的光强会聚后得到调制后的不同距离回波的总光强，并由单点探测器接收； (4)利用高速数据采集模块采集单点探测器探测的不同距离回波的总光强； (5)重复步骤(I) (4)对目标景物进行M次测量，得到M次测量的回波总光强，最后利用压缩感知算法完成目标景物三维信息的获取。
8.如权利要求7所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取方法，其特征在于，在步骤(4)中，需要对高速数据采集模块每次采集的不同距离回波的总光强进行一维随机编码调制，其中，一维随机调制向量为B=lXr，r为一维随机调制向量元素数。
9.如权利要求8所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取方法，其特征在于，所述M为小于二维随机调制图像总像素数和一维随机调制向量元素数的乘积的自然数。
10.如权利要求9所述的基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取方法，其特征在于，在步骤(5)中，利用压缩感知算法完成目标景物三维信息获取的具体方法为: (1)设定二维随机调制图像总像素数A=pXq，P为二维随机调制图像的横向分辨率，q为二维随机调制图像的纵向分辨率；一维随机调制向量B=IXr,目标景物的测量次数为M，生成一个MXA维的矩阵O1和一个MXB维的矩阵Φ2，利用矩阵O1生成M幅二维随机调制图像O1 (i)，利用矩阵Φ2生成M个一维随机调制向量Φ2 (j)，其中i，j=l，2，3，4…Μ;
全文摘要
本发明公开了一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取方法，包括脉冲激光光源发出脉冲激光照射目标景物并成像到空间光调制器上，然后根据加载其上的二维随机调制图像对目标景物图像进行编码调制；并将调制后图像的光强会聚后得到调制后的不同距离回波的总光强，并由单点探测器接收；利用高速数据采集模块采集单点探测器探测的不同距离回波的总光强；再用一维随机调制矩阵调制不同距离回波的总光强并求和，得到两次调制后的所有距离回波的总光强，重复上述步骤对目标景物进行多次测量，得到多次测量的回波总光强，最后利用压缩感知算法进行一次计算完成目标景物三维信息的获取。本发明还公开了一种基于压缩感知脉冲编码调制的三维信息获取装置。
文档编号G01B11/24GK103234479SQ20131012556
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月10日 优先权日2013年4月10日
发明者刘旭, 李 东, 李海峰, 夏新星, 王金成, 刘向东 申请人:浙江大学