基於多通道採集影像和壓縮感知的高效成像技術研究

《基於多通道採集影像和壓縮感知的高效成像技術研究》是依託天津大學，由張淑芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於多通道採集影像和壓縮感知的高效成像技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張淑芳
• 依託單位：天津大學

項目摘要

低功耗、高質量的快速壓縮測量技術和高效圖像重構算法是推動壓縮感知理論在圖像採集和處理領域套用的關鍵。本項目利用多通道採集影像(MCSI)在焦平面上具有的物理相似性特點，將光學壓縮成像和CMOS圖像感測器緊密結合，構建一種基於塊的、壓縮率可分級的高效壓縮成像系統。研究內容主要包括：（1）基於Toeplitz結構矩陣，研究面向MCSI的0-1二維偽隨機編碼掩膜的構造理論與方法，實現光學域零功耗的分塊並行壓縮採樣；（2）依據MCSI光學域壓縮測量值在CMOS圖像感測器像素陣列中的分布特徵，研究基於參數的壓縮率可分級策略及相應的電路實現技術，達到功耗和成像質量間的良好折中；（3）研究基於全變分理論和圖像序列幀間冗餘特性的高效分塊重構算法，實現重構速度和精度的有機統一。該研究成果可為新型低功耗圖像感測器的設計提供理論支持和方法指導，對功耗嚴重受限的無線多媒體感測器網路節點設計提供一種新的解決方案。

結題摘要

近年來提出的壓縮感知理論將信號採樣和壓縮合併進行，能以較低採樣率採樣並通過最最佳化方法獲得高質量的重建圖像。本項目主要從編碼掩膜構造、圖像壓縮測量系統設計和圖像重構三個方面進行了相關研究，取得了一定的研究成果。 (1) 基於多通道採集影像的偽隨機編碼掩膜構造。通過研究多通道採集影像個數與圖像塊大小間的對應關係確定了兩者間的最優映射對；提出了兩種結構簡單，易於硬體實現的測量矩陣，即：基於圖像分塊的Toeplitz結構塊循環測量矩陣和基於LDPC矩陣的半循環半隨機式的測量矩陣；基於圖像塊各像素間的相關性分布特徵，將二值偽隨機測量矩陣的M個一維行向量分別摺疊成N ×N 的二維偽隨機矩陣，並以此為基礎設計出相應的二維編碼掩膜矢量圖。 (2) 基於壓縮感知的圖像壓縮測量系統設計。基於壓縮感知的圖像壓縮測量值獲取系統是將壓縮感知理論推向實用化的關鍵，本項目建立以測量值個數為參數的最優壓縮率可分級策略；並利用光敏二極體OPT101搭建了基於多通道採集影像的壓縮成像系統演示平台，並利用FPGA控制CMOS和CCD圖像感測器進行圖像採集和壓縮測量系統的研究。 (3) 基於全變分理論和圖像序列幀間冗餘特性的高效圖像重構算法研究。針對現有TVAL3算法進行分塊重構時會存在塊效應的不足，提出了一種基於TV準則的圖像分塊重構算法；為了利用視頻序列幀間冗餘特性，提出了一種基於TVAL3的視頻序列冗餘重構算法；針對MC-BCS-SPL算法僅在空域對圖像進行維納濾波，主觀質量較差的問題，提出了一種基於自適應卡爾曼的時域增強算法。該研究為壓縮感知成像系統的實用化提供理論支持和方法指導，並能有效促進信號處理、微電子技術和最最佳化理論等學科間的交叉融合。