[發明專利]一種并行壓縮感知GPU加速實時成像系統與方法

有效

• 申請號: 202110512028.3
• 申請日: 2021-05-11
• 公開（公告）號: CN113365014B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 李虎;劉雪峰;姚旭日;翟光杰;岳欽崟;竇申成;劉璠
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家空間科學中心
• 主分類號: H04N7/01
• 分類號: H04N7/01;H04N19/176;H04N9/31
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;楊青

1.一種并行壓縮感知GPU加速實時成像系統，其特征在于，所述系統包括并行流水線式處理的光學單元(I)、電學單元(II)和后端數據流水線處理單元(III)；其中，

所述光學單元(I)，用于收集光信號，得到目標圖像信號，經分段和調制后發送至電學單元(II)；

所述電學單元(II)，用于進行并行互補壓縮感知成像，完成并行互補測量，將低分辨率圖像數據發送至后端數據流水線處理單元(III)；

所述后端數據流水線處理單元(III)，用于將若干個子測量信號和相應子測量矩陣進行合并后采用GPU加速壓縮感知高速重建算法實現高分辨圖像重建與實時顯示；

所述光學單元(I)包括：視場光闌和成像物鏡鏡頭(1)、空間光調制器(2)和會聚收光部件(3)；其中，

所述視場光闌和成像物鏡鏡頭(1)，用于收集目標透射、反射或輻射出的光信號，并成像到空間光調制器(2)上；

所述空間光調制器(2)，用于對目標圖像信號進行分段并行隨機調制，將不同位置的光反射到所述會聚收光部件(3)；

所述會聚收光部件(3)，用于將會聚收集到的光傳輸到電學單元(II)；

所述電學單元(II)包括：光電陣列探測器(4)、隨機數發生器(5)、信號同步控制模塊(6)、數據采集緩存(7)；

所述光電陣列探測器(4)，用于并行地探測到分段光信號，轉化為電信號輸出至數據采集緩存部件(7)；

所述數據采集緩存部件(7)，用于即時、持續地將低分辨圖像傳輸至后端數據流水線處理單元(III)；

所述隨機數發生器(5)，用于控制空間光調制器(2)對光信號進行分段并行隨機調制；還用于生成二值光信號隨機分布的散斑；

所述信號同步控制模塊(6)，用于通過信號同步控制光電陣列探測器(4)、隨機數發生器(5)和數據采集緩存(7)；

所述后端數據流水線處理單元(III)包括：數據共享服務部件(8)、高分辨圖像重建與顯示部件(9)以及通用計算GPU加速壓縮感知高速重建部件(10)；其中，

所述數據共享服務部件(8)，用于接收并存儲低分辨圖像數據；

高分辨圖像重建與顯示部件(9)，用于持續不斷地處理數據共享服務部件(8)的低分辨率圖像數據，通過函數調用通用計算GPU加速壓縮感知高速重建部件(10)以快速重建出高分辨圖像并實時顯示；

所述通用計算GPU加速壓縮感知高速重建部件(10)，用于對每個子測量信號和相應子測量矩陣進行合并，利用低分辨圖像、分塊隨機矩陣和稀疏基，采用GPU加速壓縮感知高速重建算法實現高分辨圖像重建；

所述進行并行互補壓縮感知成像，完成并行互補測量；具體包括：

將空間光調制器(2)上N×N有效成像區域分成若干塊，每個塊的大小為C×C，并行成像到光電陣列探測器(4)的N/C×N/C像素上，則光電陣列探測器(4)上獲取的對應第i個觀察向量列Y⁽ⁱ⁾滿足下式：

Y⁽ⁱ⁾＝Φ⁽ⁱ⁾(X⁽ⁱ⁾)+E⁽ⁱ⁾

其中，X⁽ⁱ⁾為以列優先方式表示空間光調制器(2)中的第i分塊，Φ⁽ⁱ⁾為第i分塊子場景圖像的投影算子；

設為由在空間光調制器(2)上形成的目標場景組成塊中的其中一塊，并且設φ,為分別顯示在空間光調制器(2)上的互補測量二值模式，y,為光電陣列探測器(4)采集到的互補壓縮測量，是互補壓縮測量差分矢量，則在光電陣列探測器(4)上獲得的每個測量值如下所示：

其中，e₁和e₂表示互補壓縮測量采集到的兩次隨機噪聲；

由下式得到互補矩陣的一次測量給出Δy為：

其中，表示元素乘積；

所述對每個子測量信號和相應子測量矩陣進行合并，具體包括：

將空間光調制器(2)的有效成像區域分為若干個大小相同的元素塊B×B，每個元素塊為一個光電陣列探測(4)的并行SPC重建塊，B為C的整數倍，C×C為基本元素塊；

生成空間光調制器(2)上的對應每個光電陣列探測(4)并行SPC編碼塊掩模C×C，并進行互補正負測量；

針對與測量矩陣相對應的單位測量向量以逐塊和逐列的方式依次并行取多個SPC編碼塊，經掩模向量化后合并到整個測量矩陣中；

將觀測結果中的并行塊按列優先順序排列，每個并行塊的觀測值的列向量來自與測量序列對應的塊的線性組合，使得測量矩陣所有分塊的觀測值向量與每個掩模向量同步，重構每個原始圖像塊的壓縮塊觀測值向量；

所述快速重建出高分辨圖像并實時顯示，具體包括：

在GPU上準備分塊測量矩陣，分別生成尺寸為的全采樣分塊投影矩陣和尺寸為的欠采樣分塊測量矩陣，并轉換為CUDA稀疏矩陣格式；其中，m表示測量次數，m≤C×C；

在GPU上將多幀低分辨圖像合并為一幀，大小為N×N，將觀測值與正負互補測量圖像進行差分計算，將每一幀分為塊，并按列將每一幀置為列向量，大小為從而得到分塊觀測值向量組；

根據CUDA稀疏矩陣格式和GPU核函數定義重建每塊圖像，并將多塊拼接成一幀或多幀高分辨率圖像并實時顯示。