[發明專利]基于壓縮感知和正交調制實現多圖像壓縮和重建的方法

有效

• 申請號: 201710035233.9
• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN106887026B
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 周昕;周媛媛;張羅致
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00;G06T9/00;H04N9/31
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本發明公開了一種基于壓縮感知和正交調制實現多圖像壓縮和重建的方法，屬于光學單像素成像領域，可以解決傳統單像素相機中對巨大幅圖像進行壓縮采樣和重建時，所帶來的即使僅需重建局部分塊圖像也需要大量數據處理的缺陷。本發明主要是利用正交調制技術來實現圖像的分塊重建或者多幅圖像中的部分重建，其步驟可概述為：首先將原圖像進行均勻分塊，對每個分塊圖像對應的感知矩陣乘以相應的正交基矩陣，得到包含正交信息的新的隨機矩陣，該隨機矩陣相當于傳統壓縮感知中的感知矩陣；再利用壓縮感知原理進行數據采集；在圖像重建時，只需用相應的正交基矩陣的轉置乘以采集到的總數據，即可提取出對應的分塊圖像數據，再進行重建運算。這種方法可以僅恢復需要的部分圖像數據，因而減輕了數據處理的負擔。

技術領域

本發明屬于光學單像素成像領域，具體說是一種動態照明單像素成像方法。

背景技術

傳統的奈圭斯特采樣定律告訴我們，要想精確地重構出原始信號，必須要以大于信號最高頻率的兩倍進行采樣。然而這種方法卻產生了巨大的冗余數據，只有少量的數據被使用，信號的帶寬利用率不高。因此如何以較少的比特數來表示信號，以降低存儲、傳輸和處理的負擔是我們必須解決的問題。Donoho提出了壓縮感知的理論(Donoho DL.Compressed sensing[J].IEEE Transaction on Information Theory.2006,52(4):1289-1306.)，以壓縮感知(或稱直接感知)的方式去掉了冗余數據后的信息，實現了邊采集邊壓縮的過程。通過一組隨機的部分采樣像素就可重建出原始圖像，也就是說利用較少的重要數據即可恢復出原始信號。到目前為止，壓縮感知理論最重要的應用是美國Rice大學研究出的單像素相機，利用數字微鏡陣列進行線性采樣測量，得到測量值向量，然后進行精確重構。

圖1為Rice大學研究出的單像素相機原理圖。該成像系統可以分為三個模塊：光路調制模塊，數據采集模塊，圖像重構模塊。其工作原理是：首先根據測量矩陣設置數字微轉鏡器件(DMD)的翻轉狀態，在像面上對光學圖像進行線性采樣；然后利用光電倍增管測量收集總光能量，并采用數據采集卡進行A/D轉換及存儲；最后由測量矩陣和采樣測量值，利用重構算法重構出目標圖像。該系統屬于被動型成像系統，存在一些局限性，其重構圖像的分辨率是由DMD的排列模式決定的，可以由測量矩陣進行設定。但是由于DMD的排列模式是有限的，因此只能進行有限分辨率圖像的重建。

為了能夠增加圖像重建分辨率的靈活性，并適應主動型成像系統的需要，可以采用投射光源(如液晶投影儀)將生成的隨機測量圖片投射到物體上的方式，來代替上述DMD的功能，實現動態照明的單像素成像。現有的動態照明單像素成像，是將按照一定概率分布隨機生成的一幅幅圖片，通過投影儀依次投射在被測物體上以完成壓縮感知過程，再重建出被測物體圖像，這是一種對單幅圖像壓縮采集再重建恢復的過程。如果對于多幅圖像，則需要重復多次單幅圖像的壓縮采集過程，并記錄大量數據；或者對于由若干分塊子圖像所組成的巨大圖像，在僅需要重建某部分分塊子圖像信息時，卻不得不對整幅巨大圖像進行恢復重建運算，因而產生一些不必要的數據重建，信息的處理量大大增加，浪費運算開銷。

發明內容

本發明在動態照明的單像素成像方法基礎上，為了實現在記錄的多幅圖像中僅重建部分圖像，或者在巨大的圖像中僅提取所需要的部分信息，提出了一種可以對整幅圖像進行分塊重建的方法；能夠按需要選擇重建圖像分辨率，并可以僅重建所需的分塊圖像，節省運算開銷，即對多幅圖像進行壓縮感知處理并記錄，然后重建時從記錄中僅提取所需信息。