[發明專利]基于隨機循環矩陣的彩色單像素成像方法及系統

有效

• 申請號: 201810700735.3
• 申請日: 2018-06-29
• 公開（公告）號: CN108833919B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 賈同;李永強;陳東岳;王驥;童振
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: H04N19/132
• 分類號: H04N19/132;H04N19/90;H04N19/176;H04N9/31
• 代理公司: 21212 大連東方專利代理有限責任公司
• 代理人: 唐楠;李洪福

本發明公開了一種基于隨機循環矩陣的彩色單像素成像方法及系統，所述成像系統包括在Discovery 4100開發板上加裝的DDR2 SDRAM，板載FPGA，空間調制器、信號采集與處理模塊、信號恢復與重構模塊和透鏡及分光鏡組成的光路。本發明利用測量矩陣控制空間調制器從而對光信號進行編碼，采用“邊采樣，邊壓縮”的方式處理數據，并結合分光鏡分解速率快實時性好的優點，形成了一套彩色單像素成像系統，解決了傳統成像設備中海量數據給信號的傳遞與存儲帶來的難題，利用分塊自適應步長梯度投影恢復算法將圖像品質得以大幅提升，其分辨率可達256*256。

技術領域

本發明屬于壓縮感知成像領域，具體涉及一種基于隨機循環矩陣的彩色單像素成像方法及系統。

背景技術

隨著社會的快速進步和計算機視覺領域的高速發展，人們對成像設備的高性能需求大大加深，特別是在一些特殊的應用領域。傳統的成像設備，幾乎都采用“先采樣，后壓縮”的方式處理傳感器獲得的數據，但巨大的數據量給信號的傳遞與存儲增加了極大的難度，還會在采集與壓縮的過程中造成大量的浪費。同時，傳統成像設備需要昂貴的高速傳輸電路與接口，還需要容量巨大的存儲器來實現數據的實時存儲，這無疑增加了傳統成像設備的成本。此外，由于人們對成像設備的需求加大加深，特別在一些特殊的應用領域，傳統的成像設備很難滿足人們日益增長的需求。隨著壓縮感知理論的提出，由該理論為基礎的單像素成像設備采取“邊采樣，邊壓縮”的方式處理數據，它與傳統的成像設備相比，具有更多的優秀性能，并在很多領域實現了突破。

發明內容

針對傳統成像設備的不足和當前背景的發展需求，本發明提出基于隨機循環矩陣的彩色單像素成像方法及系統。本發明采用的技術手段如下：

一種基于隨機循環矩陣的彩色單像素成像方法，具有以下步驟：

S1、將分辨率為N1×N1的目標恢復圖像分解為若干個N3×N3的小塊，對于每一個小塊采用相同的測量矩陣進行壓縮感知測量；

S2、設計并在計算機中生成空間調制器(DMD)需要的測量矩陣，測量矩陣的維數為M×N2，N2＝N3×N3，使之能夠對光信號進行編碼；

S3、測量矩陣通過FPGA發送到DDR2 SDRAM中；

S4、FPGA從DDR2 SDRAM讀取測量矩陣的一行元素值即N2個元素值，然后把這N2個元素值轉化為一個N3×N3維矩陣，并將其投影在空間調制器上；

S5、空間調制器投影出圖像后，在設計好的光路中由FPGA接收經放大濾波、A/D轉換后的硅光電二極管(硅光電池)產生的電信號(即硅光電二極管產生的電信號經放大濾波、A/D轉換后被FPGA接收)，并將其儲存在DDR2SDRAM中；

S6、重復步驟S4～步驟S5，M-1次；M為測量次數；

S7、FPGA將儲存在DDR2 SDRAM中的經放大濾波、A/D轉換后的硅光電二極管產生的電信號發送給計算機，利用分塊自適應步長梯度投影恢復算法(BASGP)對每個小塊圖像進行重建，再按分解的順序排列組合，最終形成新的重建圖像。

所述步驟S2的具體步驟如下：

S2.1、目標恢復圖像的分辨率為N1×N1，而每個小塊的分辨為N3×N3，測量次數為M，則將測量矩陣設為A，測量矩陣A的大小為M×N2，N2＝N3×N3；

利用測量矩陣類型生成N2個元素組成的倒序序列S₁作為測量矩陣的第h行，h的初值為1(比如第h行可以由Logistic混沌序列生成或者由隨機生成的基于LDPC編碼的校驗矩陣中的任一行向量生成)，其中S₁＝{a_N2，a_N2-1，···，a₂，a₁}，若h＝M，則得到M×N2的矩陣，并直接執行步驟S2.6，若h＜M，則執行步驟S2.2；