一种被动式超快过程采集装置及方法与流程

1.本发明涉及计算摄像学领域，尤其涉及一种被动式超快过程采集装置及方法。


背景技术：

2.近年来，计算摄像学已经成为计算机视觉、数字信号处理、图形学等领域的前沿研究热点，对超快过程的采集和处理引起广泛的关注。超快过程的相关研究工作对于军事、天文、医学等领域有着重要的意义。
3.在日常摄影中，照相机的闪光灯能在1/1000秒内“定格时间”——这一速度快到可以捕捉到棒球击球手迅速挥臂击球的动作，但对于更快的变化过程，比如化学反应过程、光合作用能量传递过程等，传统的闪光灯就显得无能为力了。如果相机闪光灯速度太慢，就会漏掉这些转瞬即逝的镜头。因此，科学家们一直努力钻研，力求研制更细微、更精确的“时间窗口”，用其观察物质世界。相关方面的研究也被称作超快过程研究。
4.最近，一些单镜头超快摄影技术被开发出来，如串行时间编码放大成像(steam)、压缩超快摄影(cup)、顺序定时全光映射摄影(stamp)和多次曝光的频率识别算法(帧)。然而，由于脉冲宽度或脉冲重复频率、成像传感器的速度或图像重建方法的限制，在超快摄影中，成像速度、光谱分辨率和帧数之间的折衷仍然是一个挑战。
5.传统测量超快过程的装置是采用主动式的，需要在超快过程的拍摄过程中加入主动光源，这使得超快过程的拍摄条件十分苛刻。


技术实现要素：

6.针对以上现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种被动式超快过程采集装置及方法，能够实现无主动照明条件下超快过程的采集、处理和显示。
7.为达上述目的，本发明的装置采用如下技术方案：
8.一种被动式超快过程采集装置，包括光谱时间色散模块、光谱编码模块、数据采集模块以及数据处理与显示模块；所述光谱时间色散模块，用于将不同波长的光谱在时间上离散开；所述光谱编码模块，用于将超快过程经过所述光谱时间色散模块后的每一张光谱进行编码；所述数据采集模块，用于采集经过所述光谱编码模块使用压缩感知原理编码后的光谱图像；所述数据采集模块包括时间固定的门限，其曝光时间依据所述光谱时间色散模块中每张光谱图像之间的时间间隔而定；所述数据处理与显示模块，用于对所述数据采集模块采集到的光谱数据进行处理与显示。
9.进一步地，所述光谱时间色散模块包括色散介质。
10.进一步地，所述光谱编码模块包括两块对称的阿米西棱镜和一块编码孔径；所述光谱编码模块依据压缩感知原理，将超快过程经过所述光谱时间色散模块后形成的高光谱图像序列进行光谱偏移、压缩感知编码和光谱复位，经编码后的光谱图像和未经编码时的物理位置相同。
11.进一步地，所述数据采集模块中，时间固定的门限采用具有固定采集子帧时间间
隔的增强电荷耦合器件。
12.本发明一种被动式超快过程采集方法，其具体步骤如下：(1)将超快过程的不同波长的光谱在时间上离散开；(2)对离散后的每一张光谱依据压缩感知原理进行编码；(3)利用时间固定的门限采集经过编码后的光谱图像，其中，采集的曝光时间依据步骤(1)离散过程中每张光谱图像之间的时间间隔而定；(4)对采集到的光谱数据进行处理与显示。
13.本发明的装置采用一定长度的色散介质，实现超快过程中不同波长的光谱分离；采用基于压缩感知算法的光谱编码系统，实现光谱数据的编码。因此，本发明通过光谱的时间离散并进行编码，之后通过曝光时间依据光谱时间色散模块中每张光谱图像之间的时间间隔而定的、一个时间固定的门限iccd采样，获得了一种全新数据采集模式的无主动照明条件下超快过程的拍摄，具有采集装置不依赖于主动照明、数据采集模块具有特定曝光时间的特点，便于在无主动照明光源环境下超快过程的采集，并且减少了数据采集模块的总曝光时长。
附图说明
14.图1为本发明装置的结构示意图；
15.图2为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
16.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
17.如图1所示，本发明一种被动式超快过程采集和处理装置包括：光谱的时间色散模块10、光谱编码模块20、数据采集模块30、数据处理与显示模块40。
18.具体地，光谱的时间色散模块10用于光谱时间色散模块用于将被观测过程每个时刻的光谱在时间维度进行搬移；光谱编码模块20用于将超快过程经过时间色散后的每一张光谱通过编码孔径进行编码；数据采集模块30用于采集经过光谱编码后的光谱图像；
19.需要说明的是，本发明的实施例中，光谱的时间色散模块10包括一定长度的色散介质，用于将不同波长的光谱在时间上离散开，如对于中心波长为510nm的绿光和中心波长为512nm的绿光，使它们通过长度约为1785.5m的卷曲石英介质，即可产生500ps的时间差，达到离散的效果。光谱编码模块20包括两块对称的阿米西棱镜、一块编码孔径；数据采集模块30包括一个时间固定的门限iccd，例如，曝光门限为500ps的pi-max4 iccd；数据处理与显示模块40，包括使用matlab对采集到的光谱数据进行处理与显示的软件系统。
20.本实施例的装置在采集时，超快过程经被动式光源照射后，首先经过光谱的时间色散模块，转化成在时间上离散的不同通道的光谱图像，然后经过光谱编码模块后转化为物理位置不变的具有随机编码特征的光谱图像，随后数据采集模块的采集门限在依据光谱时间色散模块中每张光谱图像之间的时间间隔而定的一个曝光时间内，采集经过光谱的时间色散模块，在时间维度离散开的一段超快过程。最后数据处理与显示模块使用一套基于matlab的软件系统对采集到的光谱数据进行处理与显示。


技术特征：
1.一种被动式超快过程采集装置，包括光谱时间色散模块、光谱编码模块、数据采集模块以及数据处理与显示模块，其特征在于，所述光谱时间色散模块，用于将不同波长的光谱在时间上离散开；所述光谱编码模块，用于将超快过程经过所述光谱时间色散模块后的每一张光谱进行编码；所述数据采集模块，用于采集经过所述光谱编码模块使用压缩感知原理编码后的光谱图像；所述数据采集模块包括时间固定的门限，其曝光时间依据所述光谱时间色散模块中每张光谱图像之间的时间间隔而定；所述数据处理与显示模块，用于对所述数据采集模块采集到的光谱数据进行处理与显示。2.根据权利要求1所述的一种被动式超快过程采集装置，其特征在于，所述光谱时间色散模块包括色散介质。3.根据权利要求1所述的一种被动式超快过程采集装置，其特征在于，所述光谱编码模块包括两块对称的阿米西棱镜和一块编码孔径；所述光谱编码模块依据压缩感知原理，将超快过程经过所述光谱时间色散模块后形成的高光谱图像序列进行光谱偏移、压缩感知编码和光谱复位，经编码后的光谱图像和未经编码时的物理位置相同。4.根据权利要求1所述的一种被动式超快过程采集装置，其特征在于，所述数据采集模块中，时间固定的门限采用具有固定采集子帧时间间隔的增强电荷耦合器件。5.一种被动式超快过程采集方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：(1)将超快过程的不同波长的光谱在时间上离散开；(2)对离散后的每一张光谱依据压缩感知原理进行编码；(3)利用时间固定的门限采集经过编码后的光谱图像，其中，采集的曝光时间依据步骤(1)离散过程中每张光谱图像之间的时间间隔而定；(4)对采集到的光谱数据进行处理与显示。

技术总结
本发明公开了一种被动式超快过程采集装置及方法。该装置包括：光谱时间色散模块用于将不同波长的光谱在时间上离散开；光谱编码模块，用于将超快过程经过所述光谱时间色散模块后的每一张光谱进行编码；数据采集模块，用于采集经过所述光谱编码模块使用压缩感知原理编码后的光谱图像；数据采集模块包括时间固定的门限，其曝光时间依据所述光谱时间色散模块中每张光谱图像之间的时间间隔而定；数据处理与显示模块，用于对数据采集模块采集到的光谱数据进行处理与显示。本发明实现了超快过程的被动式采集和处理分析，具有采集装置不依赖于主动照明、数据采集模块具有特定曝光时间的特点。点。点。


技术研发人员：胡雪梅 孙一凡 岳涛
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2020.08.25
技术公布日：2022/2/24