一种基于压缩感知的快速目标成像方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了基于压缩感知的快速目标成像方法和系统，包括：S1、将DMD上目标场景的原始图像均匀地划分为多个原始图像块；S2、根据原始图像块的矩阵大小和采样率，构建一确定性的测量矩阵，所述测量矩阵满足：每列中1的个数为1，每行中1的个数相同且每行中1的个数根据采样率来设定；S3、利用步骤S2构建的所述测量矩阵，对所述多个原始图像块进行并行采样，得到各原始图像块对应的采样信号；S4、计算每一采样信号的相对灰度值变化，并根据所述相对灰度值变化，自适应地为每一采样信号的原始图像块分配相对稀疏度，利用所述相对稀疏度来进行分块重构，输出所述目标场景的重构图像。

A fast target imaging method and system based on compressed sensing

The present invention discloses a fast target imaging method and system based on compressed sensing, including: S1, the original image of the target scene on the DMD is evenly divided into multiple original image blocks; S2, based on the matrix size and sampling rate of the original image block, a deterministic measurement matrix is constructed, and the measurement matrix is satisfied: 1 in each column. The number is 1, the number of 1 in each row is the same and the number of 1 in each row is set according to the sampling rate; S3, the measured matrix constructed by step S2, the multiple original image blocks are sampled in parallel, and the sample signals corresponding to the original image blocks are obtained; S4, the relative gray value of each sampling signal is changed, and the root is calculated. According to the change of the relative gray value, the relative sparsity is allocated to the original image block of each sampling signal adaptively, and the relative sparsity is used to reconstruct the block and output the reconstructed image of the target scene.

【技术实现步骤摘要】
一种基于压缩感知的快速目标成像方法和系统
本专利技术涉及计算机与图像处理
，尤其是涉及基于压缩感知的快速目标成像方法和系统。
技术介绍
传统的信号处理遵循奈奎斯特采样定理：只有当采样频率大于待采样信号带宽的两倍时，才能很好地恢复信号。随着图像处理技术的不断发展和应用，奈奎斯特定理渐渐显现出局限性：在一些应用场合对图像和视频进行处理时，需要以很高的采样率对图像进行采集，之后又要进行压缩才能对图像进行处理，造成了资源的浪费。因此，运用压缩感知的原理，使压缩与采样同时进行，可以很好的解决资源浪费，数据传输慢等问题。传统的压缩成像技术主要是以一种串行的工作方式来输出压缩采样的图像信号，它主要运用一个孔径编码器来实现对光信号的调制，然后在接收端使用单个光电探测器来接受信号，最后利用一个像素记录的多次电压值实现对场景图像的恢复。这就使得目前的压缩成像系统的采样过程较为耗时；另一方面，由于使用的测量矩阵大多为随机矩阵，例如，当我们选择数字微镜阵列(DMD)来进行光信息调制时，我们把DMD中的微镜翻转+12°记为+1，微镜翻转-12°记为0，这样我们只能向DMD中写入随机二进制伯努利矩阵，这种矩阵在信号采样与重构时的效率太低，需要在较高的采样率下才能很好地恢复图像，不利于快速成像。以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本专利技术的专利技术构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提出一种基于压缩感知的快速目标成像方法和系统，利用面阵探测器替代传统单像素相机的单点探测器，并基于确定性的测量矩阵对目标场景进行分块并行采样，并在重构时利用自适应分配的稀疏度，能够很好地恢复出目标场景图像。本专利技术为达上述目的所提供的技术方案如下：一种基于压缩感知的快速目标成像方法，包括以下步骤：S1、将DMD上目标场景的原始图像均匀地划分为多个原始图像块；S2、根据原始图像块的矩阵大小和采样率，构建一确定性的测量矩阵，所述测量矩阵满足：每列中1的个数为1，每行中1的个数相同且每行中1的个数根据采样率来设定；S3、利用步骤S2构建的所述测量矩阵，对所述多个原始图像块进行并行采样，得到各原始图像块对应的采样信号；S4、计算每一采样信号的相对灰度值变化，并根据所述相对灰度值变化，自适应地为每一采样信号的原始图像块分配相对稀疏度，利用所述相对稀疏度来进行分块重构，输出所述目标场景的重构图像测量矩阵在压缩感知成像技术中起着关键的作用，它的性能直接影响信号的压缩与重构效果。测量矩阵的选择需要满足RIP准则，所以现有的测量矩阵主要是随机高斯矩阵、随机伯努利矩阵等随机矩阵，这种测量矩阵重构效率低，且难以在硬件上实现，而本专利技术中使用易在硬件(DMD)上实现的确定性测量矩阵来进行采样与重构；另外，本专利技术通过并行分块采样的方式解决了目前单像素相机采样次数过多的缺点，更适应于超分辨率成像，同时设计的确定性测量矩阵满足很好的行不相关性以及列不相关性，可以很好的计算出各个块之间的相对稀疏度差异，在运用正交匹配追踪法(OMP)进行图像重构时能够以较低的采样率很好的恢复目标场景的图像。优选地，所述测量矩阵的每行中1的个数或其中f表示采样率。优选地，步骤S4中，根据所述相对灰度值变化，自适应地为每一采样信号的原始图像块分配相对稀疏度具体包括：将所有采样信号的所述相对灰度值变化按大小进行排序，并判断相应的原始图像块的实际稀疏度的相对大小，根据判断结果为各原始图像块分配相适应的相对稀疏度；其中，所述相对灰度值变化越大，则相应的原始图像块的实际稀疏度越大，反之，则所述实际稀疏度越小。优选地，步骤S4中进行所述分块重构具体包括：对每一采样信号采用OMP算法分别进行重构，再拼接合成所述目标场景的重构图像。本专利技术另还提出了一种基于压缩感知的快速目标成像系统，包括前端成像透镜、位于成像透镜后端的DMD、位于DMD后端的面阵探测器、存储器和处理器，其中，所述成像透镜用于对目标场景进行成像并将原始图像打在DMD上；所述存储器上存储有一计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现如下步骤：S1、将DMD上目标场景的原始图像均匀地划分为多个原始图像块；S2、根据原始图像块的矩阵大小和采样率，构建一确定性的测量矩阵，所述测量矩阵满足：每列中1的个数为1，每行中1的个数相同且每行中1的个数根据采样率来设定；S3、利用步骤S2构建的所述测量矩阵，对所述多个原始图像块进行并行采样，得到各原始图像块对应的采样信号；S4、计算每一采样信号的相对灰度值变化，并根据所述相对灰度值变化，自适应地为每一采样信号的原始图像块分配相对稀疏度，利用所述相对稀疏度来进行分块重构，得到所述目标场景的重构图像；其中，所述面阵探测器用于接收并行采样得到的采样信号并进行光电转换。附图说明图1是本专利技术实施例的分块并行压缩采样的过程示意图；图2是利用随机高斯矩阵和本专利技术设计的确定性测量矩阵分别进行并行压缩采样后重构出的重构图像与原始图像的对比图；图3是直接基于默认的稀疏度进行重构以及基于自适应分配的相对稀疏度进行重构得到的重构图像与原始图像的对比图。具体实施方式下面结合附图和具体的实施方式对本专利技术作进一步说明。本专利技术的一具体实施方式提供了一种基于压缩感知的快速目标成像方法，包括以下步骤：S1、将DMD上目标场景的原始图像均匀地划分为多个原始图像块；S2、根据原始图像块的矩阵大小和采样率，构建一确定性的测量矩阵，所述测量矩阵满足：每列中1的个数为1，每行中1的个数相同且每行中1的个数根据采样率来设定；S3、利用步骤S2构建的所述测量矩阵，对所述多个原始图像块进行并行采样，得到各原始图像块对应的采样信号；S4、计算每一采样信号的相对灰度值变化，并根据所述相对灰度值变化，自适应地为每一采样信号的原始图像块分配相对稀疏度，利用所述相对稀疏度来进行分块重构，输出所述目标场景的重构图像。本专利技术上述具体实施方式提供的基于压缩感知的快速目标成像方法可用于一成像系统中，该成像系统主要包括位于前端的成像透镜、位于成像透镜后端的DMD、位于DMD后端的面阵探测器、存储器和处理器。参考图1(图中的虚线表征对应关系)，所述成像透镜对目标场景10进行成像之后打到DMD20上，使得DMD上呈现目标场景的原始图像。所述存储器上存储了计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可实现前述成像方法的步骤。所述成像系统例如是一单像素相机，但该单像素相机与传统单像素相机相比，具有区别，除了使用本专利技术的前述成像方法，还在系统硬件上作了改进：将原先的单点探测器使用面阵探测器30替代，以为分块并行压缩采样提供硬件基础。面阵探测器用于接收采样信号并进行光电转换，例如，图像块21的采样信号31，图像块22的采样信号32。对图像块进行压缩采样的过程可以用公式y＝A*x，其中A表示测量矩阵，x表示原始的图像块，y表示对图像块采样得到的采样信号。继续参考图1，在一具体实施例中，假设每个图像块(例如图像块21、22)的大小为32×32，设定采样率为25％，则测量矩阵的每行中1的个数或其中f表示采样率，则设计的确定性测量矩阵大小为8×3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压缩感知的快速目标成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将DMD上目标场景的原始图像均匀地划分为多个原始图像块；S2、根据原始图像块的矩阵大小和采样率，构建一确定性的测量矩阵，所述测量矩阵满足：每列中1的个数为1，每行中1的个数相同且每行中1的个数根据采样率来设定；S3、利用步骤S2构建的所述测量矩阵，对所述多个原始图像块进行并行采样，得到各原始图像块对应的采样信号；S4、计算每一采样信号的相对灰度值变化，并根据所述相对灰度值变化，自适应地为每一采样信号的原始图像块分配相对稀疏度，利用所述相对稀疏度来进行分块重构，输出所述目标场景的重构图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的快速目标成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将DMD上目标场景的原始图像均匀地划分为多个原始图像块；S2、根据原始图像块的矩阵大小和采样率，构建一确定性的测量矩阵，所述测量矩阵满足：每列中1的个数为1，每行中1的个数相同且每行中1的个数根据采样率来设定；S3、利用步骤S2构建的所述测量矩阵，对所述多个原始图像块进行并行采样，得到各原始图像块对应的采样信号；S4、计算每一采样信号的相对灰度值变化，并根据所述相对灰度值变化，自适应地为每一采样信号的原始图像块分配相对稀疏度，利用所述相对稀疏度来进行分块重构，输出所述目标场景的重构图像。2.如权利要求1所述的基于压缩感知的快速目标成像方法，其特征在于：所述测量矩阵的每行中1的个数或其中f表示采样率。3.如权利要求1所述的基于压缩感知的快速目标成像方法，其特征在于：步骤S4中，根据所述相对灰度值变化，自适应地为每一采样信号的原始图像块分配相对稀疏度具体包括：将所有采样信号的所述相对灰度值变化按大小进行排序，并判断相应的原始图像块的实际稀疏度的相对大小，根据判断结果为各原始图像块分配相适应的相对稀疏度；其中，所述相对灰度值变化越大，则相应的原始图像块的实际稀疏度越大，反之，则所述实际稀疏度越小。4.如权利要求1所述的基于压缩感知的快速目标成像方法，其特征在于：步骤S4中进行所述分块重构具体包括：对每一采样信号采用OMP算法分别进行重构，再拼接合成所述目标场景的重构图像。5.一种基于压缩感知的快速目标成像系统，其特征在于：包括前端成像透镜、位于成像透镜后端的DMD、位于DMD后端的面阵探测器、存储器和处理器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程雪岷，陈晚前，程凯常，郝群，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44