[發(fā)明專利]一種并行壓縮感知GPU加速實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)與方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110512028.3
• 申請(qǐng)日: 2021-05-11
• 公開（公告）號(hào): CN113365014B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李虎;劉雪峰;姚旭日;翟光杰;岳欽崟;竇申成;劉璠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
• 主分類號(hào): H04N7/01
• 分類號(hào): H04N7/01;H04N19/176;H04N9/31
• 代理公司: 北京方安思達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;楊青

本發(fā)明公開了一種并行壓縮感知GPU加速實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)與方法，所述系統(tǒng)包括并行流水線式處理的光學(xué)單元(I)、電學(xué)單元(II)和后端數(shù)據(jù)流水線處理單元(III)；其中，所述光學(xué)單元(I)，用于收集光信號(hào)，得到目標(biāo)圖像信號(hào)，經(jīng)分段和調(diào)制后發(fā)送至電學(xué)單元(II)；所述電學(xué)單元(II)，用于進(jìn)行并行互補(bǔ)壓縮感知成像，完成并行互補(bǔ)測(cè)量，將低分辨率圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至后端數(shù)據(jù)流水線處理單元(III)；所述后端數(shù)據(jù)流水線處理單元(III)，用于采用GPU加速壓縮感知高速重建算法實(shí)現(xiàn)高分辨圖像重建與實(shí)時(shí)顯示。本發(fā)明采用光學(xué)單元、電學(xué)單元和GPU加速重建部件并行流水線方案，實(shí)現(xiàn)壓縮感知實(shí)時(shí)采集低分辨圖像、實(shí)時(shí)重建與顯示高分辨圖像。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種并行壓縮感知GPU加速實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)與方法，有別于傳統(tǒng)直接測(cè)量的計(jì)算成像體制的成像方法。

背景技術(shù)

光信號(hào)的成像探測(cè)是人類感知周圍環(huán)境和認(rèn)識(shí)世界的重要手段，毫不夸張的說，沒有成像技術(shù)的誕生和發(fā)展，就沒有現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)。數(shù)字化和智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代(AIoT)驅(qū)動(dòng)著對(duì)探測(cè)器時(shí)間分辨率和空間分辨率的要求越來越高，探測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)模激增，成像方式和光電探測(cè)技術(shù)在各方面性能不斷改進(jìn)和提高，成像體制也經(jīng)歷著巨大的飛躍，迅速推進(jìn)著人類感知世界的進(jìn)程。

一方面，在應(yīng)用場(chǎng)景需求端，探測(cè)場(chǎng)景像素規(guī)模的增大，時(shí)間分辨率和空間分辨率的更高需求從未停止。另一方面，非可見光波段的較高分辨率探測(cè)器成本仍然較高，隨著分辨率的提高可見光探測(cè)器成本越來越高。現(xiàn)有分辨率探測(cè)器無法以“所見即所得”的直接測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)對(duì)海量像素規(guī)模的場(chǎng)景實(shí)時(shí)成像，而現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)設(shè)備以傳統(tǒng)方式要進(jìn)一步達(dá)到更高的時(shí)間分辨率和控件分辨率則難上加難。如何應(yīng)對(duì)成像像素規(guī)模、時(shí)間分辨率、空間分辨率要求的數(shù)據(jù)率、實(shí)時(shí)顯示要求與傳輸帶寬、探測(cè)器成本、存儲(chǔ)資源之間的矛盾，成為成像系統(tǒng)技術(shù)研究的重要方向和難點(diǎn)。壓縮感知成像以減少采樣量、降低探測(cè)器分辨率要求為動(dòng)機(jī)，將新的信號(hào)處理體制壓縮感知理論創(chuàng)造性地應(yīng)用于成像領(lǐng)域。其中，單像素相機(jī)是壓縮感知成像最具代表性的新成像體制，它采用沒有空間分辨率的點(diǎn)探測(cè)器通過調(diào)制采樣的間接測(cè)量方式，將壓縮與采樣一并進(jìn)行，以遠(yuǎn)低于奈奎斯特-香農(nóng)采樣定律要求的采樣數(shù)進(jìn)行信號(hào)測(cè)量，隨后通過后端數(shù)據(jù)處理的重建算法會(huì)付出具有空間分辨率的成像目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了以無空間分辨率的點(diǎn)探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)低成本探測(cè)器、低傳輸帶寬，又能保證維持空間分辨率圖像獲取的最終成像目標(biāo)。

但是，探測(cè)分辨率需求的進(jìn)一步提高，光學(xué)采集前端也受到了現(xiàn)有空間光學(xué)調(diào)制前端調(diào)制頻率的限制，同時(shí)基于壓縮感知成像理論的壓縮感知成像模型也面臨著大規(guī)模場(chǎng)景下測(cè)量矩陣構(gòu)造難度和重建算法的復(fù)雜度迅速提高，傳統(tǒng)串行單像素相機(jī)架構(gòu)也不能滿足需求，亟待新的提高性能策略的引入。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是在于克服傳統(tǒng)成像體制使用常規(guī)探測(cè)器和傳輸帶寬在高分辨快速采集與實(shí)時(shí)顯示方面的不足，采用分而治之處理和并行化系統(tǒng)思想對(duì)單像素相機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展，從而提供一種并行壓縮感知GPU加速實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)與方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例1提出了一種并行壓縮感知GPU加速實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括并行流水線式處理的光學(xué)單元、電學(xué)單元和后端數(shù)據(jù)流水線處理單元；其中，

所述光學(xué)單元，用于收集光信號(hào)，得到目標(biāo)圖像信號(hào)，經(jīng)分段和調(diào)制后發(fā)送至電學(xué)單元；

所述電學(xué)單元，用于進(jìn)行并行互補(bǔ)壓縮感知成像，完成并行互補(bǔ)測(cè)量，將低分辨率圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至后端數(shù)據(jù)流水線處理單元；

所述后端數(shù)據(jù)流水線處理單元，用于采用GPU加速壓縮感知高速重建算法實(shí)現(xiàn)高分辨圖像重建與實(shí)時(shí)顯示。

作為上述系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述光學(xué)單元包括：視場(chǎng)光闌和成像物鏡鏡頭(1)、空間光調(diào)制器和會(huì)聚收光部件；其中，

所述視場(chǎng)光闌和成像物鏡鏡頭，用于收集目標(biāo)透射、反射或輻射出的光信號(hào)，并成像到空間光調(diào)制器上；