基于压缩感知和正交调制实现多图像压缩和重建的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压缩感知和正交调制实现多图像压缩和重建的方法，属于光学单像素成像领域，可以解决传统单像素相机中对巨大幅图像进行压缩采样和重建时，所带来的即使仅需重建局部分块图像也需要大量数据处理的缺陷。本发明专利技术主要是利用正交调制技术来实现图像的分块重建或者多幅图像中的部分重建，其步骤可概述为：首先将原图像进行均匀分块，对每个分块图像对应的感知矩阵乘以相应的正交基矩阵，得到包含正交信息的新的随机矩阵，该随机矩阵相当于传统压缩感知中的感知矩阵；再利用压缩感知原理进行数据采集；在图像重建时，只需用相应的正交基矩阵的转置乘以采集到的总数据，即可提取出对应的分块图像数据，再进行重建运算。这种方法可以仅恢复需要的部分图像数据，因而减轻了数据处理的负担。

Method for compressing and reconstructing multiple images based on compressed sensing and orthogonal modulation

The invention discloses a method for compressed sensing and orthogonal modulation to achieve multi image compression and reconstruction based on single pixel imaging, which belongs to the optical field, can solve the traditional single pixel camera on the huge image compression sampling and reconstruction, even if only the reconstruction of partial block image defects also need a large amount of data processing. The invention is mainly to achieve the reconstruction of block reconstruction or multiple images in the image by using the orthogonal modulation technique, the steps can be summarized as follows: firstly, the original image is divided into blocks evenly, orthogonal matrix of sensing matrix multiplied by each sub block image corresponding to the corresponding, get a new random matrix containing orthogonal information the random matrix, the equivalent of the traditional compressed sensing matrix perception; using compressed sensing principle of data acquisition; in image reconstruction, only with the corresponding orthogonal basis matrix transpose multiplied by the collected data, then block out the corresponding image data, and then reconstruction operations. This method can recover only part of the image data needed, thus reducing the burden of data processing.

【技术实现步骤摘要】
基于压缩感知和正交调制实现多图像压缩和重建的方法
本专利技术属于光学单像素成像领域，具体说是一种动态照明单像素成像方法。
技术介绍
传统的奈圭斯特采样定律告诉我们，要想精确地重构出原始信号，必须要以大于信号最高频率的两倍进行采样。然而这种方法却产生了巨大的冗余数据，只有少量的数据被使用，信号的带宽利用率不高。因此如何以较少的比特数来表示信号，以降低存储、传输和处理的负担是我们必须解决的问题。Donoho提出了压缩感知的理论(DonohoDL.Compressedsensing[J].IEEETransactiononInformationTheory.2006,52(4):1289-1306.)，以压缩感知(或称直接感知)的方式去掉了冗余数据后的信息，实现了边采集边压缩的过程。通过一组随机的部分采样像素就可重建出原始图像，也就是说利用较少的重要数据即可恢复出原始信号。到目前为止，压缩感知理论最重要的应用是美国Rice大学研究出的单像素相机，利用数字微镜阵列进行线性采样测量，得到测量值向量，然后进行精确重构。图1为Rice大学研究出的单像素相机原理图。该成像系统可以分为三个模块：光路调制模块，数据采集模块，图像重构模块。其工作原理是：首先根据测量矩阵设置数字微转镜器件(DMD)的翻转状态，在像面上对光学图像进行线性采样；然后利用光电倍增管测量收集总光能量，并采用数据采集卡进行A/D转换及存储；最后由测量矩阵和采样测量值，利用重构算法重构出目标图像。该系统属于被动型成像系统，存在一些局限性，其重构图像的分辨率是由DMD的排列模式决定的，可以由测量矩阵进行设定。但是由于DMD的排列模式是有限的，因此只能进行有限分辨率图像的重建。为了能够增加图像重建分辨率的灵活性，并适应主动型成像系统的需要，可以采用投射光源(如液晶投影仪)将生成的随机测量图片投射到物体上的方式，来代替上述DMD的功能，实现动态照明的单像素成像。现有的动态照明单像素成像，是将按照一定概率分布随机生成的一幅幅图片，通过投影仪依次投射在被测物体上以完成压缩感知过程，再重建出被测物体图像，这是一种对单幅图像压缩采集再重建恢复的过程。如果对于多幅图像，则需要重复多次单幅图像的压缩采集过程，并记录大量数据；或者对于由若干分块子图像所组成的巨大图像，在仅需要重建某部分分块子图像信息时，却不得不对整幅巨大图像进行恢复重建运算，因而产生一些不必要的数据重建，信息的处理量大大增加，浪费运算开销。
技术实现思路
本专利技术在动态照明的单像素成像方法基础上，为了实现在记录的多幅图像中仅重建部分图像，或者在巨大的图像中仅提取所需要的部分信息，提出了一种可以对整幅图像进行分块重建的方法；能够按需要选择重建图像分辨率，并可以仅重建所需的分块图像，节省运算开销，即对多幅图像进行压缩感知处理并记录，然后重建时从记录中仅提取所需信息。图2为本专利技术的结构原理图。在传统的对单幅图像进行压缩感知处理的基础上，本专利技术提出对整幅图像进行分块恢复的新方法；或者也可以看作是对多幅图像整体进行记录，然后仅恢复重建其中一幅图像的方法。首先将原图像进行均匀分块，对每个分块图像对应的测量矩阵乘以与之相应的正交基矩阵，得到新的随机矩阵；对单个分块图像来说，包含了正交信息的随机矩阵就相当于传统压缩感知中的测量矩阵；再利用压缩感知原理，对整幅图像进行数据采集记录。当需要从数据中恢复部分信息时，则对记录数据进行重建处理，即乘以与待恢复部分相应正交基矩阵的转置，便可提取出需要恢复的图像数据。本专利技术所述的基于压缩感知和正交调制实现多图像压缩和重建的方法，包括以下步骤：(1)将含有整幅图像的物体放于液晶投影仪后方，然后根据由正交基矩阵和随机矩阵相乘得到的新的随机矩阵，制作成随机图片送入液晶投影仪后投射出来，此投射出的随机图片是分块的，不同的块是含有不同正交信息的测量矩阵；随机图片精准定位地投射到物体上，使整幅图像里包含的各个分块图像，恰好与随机图片上各个测量矩阵对应；从物体透射出来的光再由透镜收集，并聚焦到硅光探测器上进行响应接收；(2)探测器响应的电信号经数据采集器采集数据，然后转换为数字量并保存在计算机中；投影仪每输出一幅投影随机图片，数据采集器记录一个与透射总光强相应的电信号量；投影nM次后得到nM×1维的测量值y，M的大小是由设定的采样率决定；(3)假如需要重建整幅图像中的某部分，则用与该部分对应的正交基矩阵的转置，乘以采集到的测量值y，即可提取出该部分图像相应的数据，然后再用重建算法从提取出的数据中恢复出该部分图像。其中，上述步骤(1)的具体实现过程如下：(1a)按照需要对整幅图像进行均匀分块，并且也对投影仪投射出的随机图片进行相应分块。假设需要对重建的部分图像按照N×N的分辨率进行恢复，而整幅图像需要被均匀分为n块，则采样次数(即测量值y的数量)M＝N×N×采样率％。根据压缩感知原理，测量值一般可表示为其中Φ为随机生成的、大小为M×N2的测量矩阵，且图像X还需要经过适当变换的稀疏矩阵进行稀疏。按照受限等距性(RIP)性质和准确重构原理(ERP)可知，要能够从压缩采样中提取有用信息，需要满足测量矩阵和稀疏矩阵不相关。(1b)物体图像被均匀分为了n块(X1,X2,...,Xn)，因此就需要对应生成n个大小为M×N2的随机矩阵。为了能够实现从测量值y中提取部分图像信息，还需要对每个随机矩阵进行正交调制。其过程为：首先，生成一个大小为nM×nM的正交基矩阵，在本专利技术中该正交基矩阵是通过haar小波基生成，其每个列向量之间相互正交；然后，将生成的正交基矩阵按照每M个列向量进行提取，则可得到n个大小为nM×M的正交基矩阵Ψ1，Ψ2，...，Ψn，其中Ψ1TΨ1＝C，(此处C为M×M大小，所有元素取值完全相同的常数矩阵)，Ψ1TΨ2＝0，...，Ψ1TΨn＝0；再将这n个正交基矩阵和前述n个随机矩阵对应相乘，得到编码矩阵为(1c)由于生成的正交基矩阵的元素值通常是有正有负(即双极性)，所以测量矩阵和它相乘后得到的编码矩阵通常也为双极性矩阵；在实验过程中，需要根据各个编码矩阵的行向量生成从投影仪投射的随机图片，但随机图片不可能具有负值的灰度级，因此我们还要对各编码矩阵进行如下处理：找出各编码矩阵中的最小负值，然后给各编码矩阵中的每个元素都加上该负值的绝对值，这样得到的编码矩阵的元素值都变成了非负值；随后再找出所有元素值中的最大值，用每个元素值除以最大值后四舍五入再乘以255，这样所有元素值都控制在了0-255之间，则上述各编码矩阵可以表示为新的形式：(此处Ci为nM×N2大小，所有元素取值完全相同的常数矩阵)。(1d)新的编码矩阵的每一行有N2个元素，因此投影仪投射出的每一幅随机图片，是由这n个新的编码矩阵的每一行，重组构造成的n个分辨率为N×N的分块图片的集合。每一幅随机图片上的n个分块图片，在通过投影仪投射到物体上时，还需要与整幅图像上的n个分块图像准确对位。由于新的编码矩阵含有nM行，因此按照上述方法也就可以生成nM幅随机图片。这些随机图片经投影仪投射并采样记录nM次，则探测器采集到的光强信息应为各个分块图像相应测量值的总和，即采集到的测量总数据为：所述步骤(2)的具体实现如下：(2a)探测器响应的电信号，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用动态照明的单像素成像方法，实现多幅图像压缩记录及部分重建，或者单幅巨大图像的压缩记录及分块重建，其特征在于包含以下数据采集阶段，数据保存阶段，图像重建阶段三个步骤：(1)数据采集阶段：采用动态照明光源(如液晶投影仪)，将包含全部图像的物体放于投影仪后方；根据正交基矩阵和随机矩阵相乘得到的编码矩阵，按照一定规则生成一组随机图片，然后送入液晶投影仪后依次投射到物体上；这些随机图片都是分块的，不同的块含有不同正交信息的测量矩阵，具体实现方法见后；每一幅随机图片投射时，还要确保与物体上相应图像信息准确定位；从物体透射出来的光再由透镜收集，并聚焦到硅光探测器上：(1a)按照需要对整幅图像进行均匀分块，并且也对投影仪投射出的随机图片进行相应分块。假设需要对重建的部分图像按照N×N的分辨率进行恢复，而整幅图像需要被均匀分为n块，采样次数(即测量值的数量)M＝N×N×采样率％，根据压缩感知原理，测量值

【技术特征摘要】
1.一种利用动态照明的单像素成像方法，实现多幅图像压缩记录及部分重建，或者单幅巨大图像的压缩记录及分块重建，其特征在于包含以下数据采集阶段，数据保存阶段，图像重建阶段三个步骤：(1)数据采集阶段：采用动态照明光源(如液晶投影仪)，将包含全部图像的物体放于投影仪后方；根据正交基矩阵和随机矩阵相乘得到的编码矩阵，按照一定规则生成一组随机图片，然后送入液晶投影仪后依次投射到物体上；这些随机图片都是分块的，不同的块含有不同正交信息的测量矩阵，具体实现方法见后；每一幅随机图片投射时，还要确保与物体上相应图像信息准确定位；从物体透射出来的光再由透镜收集，并聚焦到硅光探测器上：(1a)按照需要对整幅图像进行均匀分块，并且也对投影仪投射出的随机图片进行相应分块。假设需要对重建的部分图像按照N×N的分辨率进行恢复，而整幅图像需要被均匀分为n块，采样次数(即测量值的数量)M＝N×N×采样率％，根据压缩感知原理，测量值Φ为随机生成的测量矩阵，图像X经过稀疏矩阵进行稀疏，稀疏矩阵可以根据具体情况灵活选取，常用的有离散余弦变换基，小波变换基，傅里叶变换基等。根据受限等距性(RIP)性质和准确重构原理(ERP)可知，要从压缩采样中提取有用信息，则需要满足测量矩阵和稀疏矩阵不相关。(1b)物体图像被均匀分为了n块(X1,X2,...,Xn)，因此对应生成n个大小为M×N2的随机矩阵，为了能够实现从总的测量值中提取部分图像信息，还需要对每个随机矩阵进行正交调制。首先，生成一个大小为nM×nM的正交基矩阵，在本发明中该正交基矩阵是通过haar小波基生成，其每个列向量之间相互正交；然后，将生成的正交基矩阵按照每M个列向量进行提取，则可生成n个大小为nM×M的正交基矩阵Ψ1，Ψ2，...，Ψn，其中Ψ1TΨ1＝C，(此处C为M×M大小，所有元素取值完全相同的常数矩阵)，Ψ1TΨ2＝0，...，Ψ1TΨn＝0；再将生成的n个正交基矩阵和n个随机矩阵对应相乘，得到编码矩阵为(1c)编码矩阵的每一行有N2个元素，因此投影仪投射出的每一幅随机图片，是由这n个新的编码矩阵的每一行，重组构造成的n个分辨率为N×N的分块图片的集合。每一幅随机图片上的n个分块图片，在通过投影仪投射到物体上时，还需要与整幅图像上的n个分块图像准确对位。由于编码矩阵含有nM行，因此按照上述方法也就可以生成nM幅随机图片。这些随机图片经投影仪投射并采样记录nM次，则探测器采集到的光强信息应为各个分块图像测量值的总和，即采集到的总数据为：(2)数据保存阶段：探测器响应的电信号经数据采集器采集数据，然后转换为数字量并保存在计算机中；投影仪每输出一幅投影图片，数据采集器记录一个与透射总...

【专利技术属性】
技术研发人员：周昕，周媛媛，张罗致，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51