[發明專利]基于稀疏約束的強度關聯成像高速三維重構系統及方法

有效

• 申請號: 201410318056.1
• 申請日: 2014-07-04
• 公開（公告）號: CN104112294B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 喻虹;韓申生;徐旭陽
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及三維信息處理領域，特別是一種基于稀疏約束的強度關聯成像高速三維重構系統及方法，它可應用于可見光及X光強度關聯成像領域。

背景技術

強度關聯成像不同于常規成像，探測器拍攝到的并非物體圖像本身，而是記錄熱光場的漲落信息，再通過后續信息處理來獲取目標物體圖像。因此，在強度關聯成像應用中，一個重要的問題是重構目標物體圖像。采用關聯算法能快速得到重構圖像，但重構圖像信噪比低，只適合于噪聲影響較低的實驗室成像。根據壓縮感知(Compressive?Sensing)理論，當長度為N的信號X為稀疏且測量矩陣A滿足特定條件時，可以通過CS算法由遠少于N的M次測量數據恢復出信號。對于噪聲影響較大的遠距離三維成像實用系統，可以利用CS方法實現強度關聯圖像重構。

CS重構圖像信噪比高，但數據計算量大，所需重構時間較長。對于二維強度關聯成像，只需重構單幀圖像，重構算法所需時間尚可接受。但對于三維成像，是對二維切片圖像分別進行單幀重構，再由二維切片組合得到物體的三維信息，重構時間由圖像序列的幀數決定，要實現高分辨率的三維成像，需要對數千幀圖像進行重構，重構時間難以滿足應用需求。借助大型計算機或者集群雖然能夠實現快速并行計算，但所需成本高，且無法實現戶外移動計算。

浙江大學的劉旭等提出了一種基于壓縮感知的三維物體成像的簡單計算方法，只需要兩次CS計算就可以獲得目標物體的三維信息，但需要反射鏡和空間光調制器DMD等，這些器件只對可見光發生作用，對于高穿透性的X光，沒有對應器件，無法應用于X光強度關聯成像。

基于稀疏約束的強度關聯成像(GISC)方法是中科院上海光機所龔文林等提出的，通過關聯計算實現了遙感三維成像，但成像信噪比低，圖像模糊，而CS重構方法理論上能獲得較高信噪比的圖像。

強度關聯成像進行m次測量，采集得到的數據為：(1)二維參考圖像構成的參考序列{Ir₁,…,Ir_i,…Ir_m}，每幀二維參考圖像Ir_i的像素數為n，用矩陣A來表示參考序列，一幀二維參考圖像構成A的一行，則矩陣A為m行n列；(2)一維信號數據構成的信號序列{It₁,…,It_i,…It_m}，每幀一維信號數據It_i包含k個元素，用矩陣Y來表示信號序列，一幀一維信號數據構成Y的一行，則矩陣Y為m行k列矩陣。

待求三維重構目標為二維重構圖像構成的圖像序列{I₁,…,I_j,…I_k}，傳統CS算法是通過依次求解每幀二維重構圖像實現三維重構。在三維并行CS算法中，每幀二維重構圖像I_j的像素數為n，圖像序列的幀數為k，用矩陣X來表示三維重構目標，一幀二維重構圖像構成X的一列，則矩陣X為n行k列矩陣，三維CS重構過程就是由已知的Y和A求解X的過程，可表示為：

AX＝Y，

其中，AX_j＝Y_j，X_j為n元素向量，Y_j為m元素向量，X＝[X₁,…,X_j,…X_k]，Y＝[Y₁,…,Y_j,…Y_k]。

根據CS理論，由(其中φ代表稀疏變換)可知，稀疏約束條件下強度關聯成像三維重構就是求解欠定方程組可轉化為求解線性規劃問題：

發明內容

本發明要解決的技術問題在于克服上述在先技術的缺陷，提供一種基于稀疏約束的強度關聯成像高速三維重構系統及方法。該三維重構系統及方法實現準實時強度關聯成像三維圖像重構，具有計算速度快、信噪比高、成本低和功耗小的特點，可應用于可見光及X光強度關聯成像。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于稀疏約束的強度關聯成像高速三維重構系統，其特征在于其構成包括數據采集單元、信號處理機、高速存儲器、GPU并行計算控制器、GPU計算卡組、三維處理機、三維成像顯示器；

所述的數據采集單元由CCD和PMT構成，所述的GPU計算卡組由多塊GPU計算卡并聯構成；所述的信號處理機、GPU并行計算控制器、三維處理機與高速存儲器之間采用高速光纜連接，所述的GPU計算卡組與GPU并行計算控制器通過PCI-E總線連接，所述的三維成像顯示器與三維處理機相連接；