基于压缩传感理论的单像素相机成像研究

作     者：李正炜 

作者单位：中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 

学位级别：硕士

导师姓名：陈涛;王建立

授予年度：2012年

学科分类：1304[艺术学-美术学] 13[艺术学] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：压缩传感 单像素相机 梯度投影 TVAL3 测量矩阵 

摘      要：传统的图像传输过程中,采集的图像数据经过压缩之后,只保留一部分有效信息、,这无疑造成很大的采集、存储资源和成本的浪费。近年由Candes、 Romberg、Tao和Donoho等人提出的压缩传感理论,为解决这种资源浪费提供了理论基础。基于压缩传感理论的单像素相机成像系统,只需要单个探测器,同时进行图像采集和压缩,这大大降低了系统的规模、成本和复杂度,节省了存储资源。 本文深入研究单像素相机结构系统原理,将单像素相机成像系统分为三个模块,光路调制模块、数据采集模块、图像重构模块。 1)光路调制模块 根据测量矩阵设置DMD翻转状态,在像面上对光学图像进行线性采样。主要对稀疏二进制随机矩阵、二进制分块对角矩阵、部分沃尔什矩阵进行了研究,结合的重构算进行了模拟和实际的拍摄实验。 2)数据采集模块 采用光电倍增管测量收集的总光能量,并采用数据采集卡进行A/D转换及存储。 3)图像重构模块 由测量矩阵和采样测量值,利用重构算法重构出目标图像。主要对梯度投影算法和TVAL3这两种算法进行了研究,并编写了这两种重构算法的软件平台。 本文对单像素相机不同测量矩阵和重构算法进行了分析比较,提出了只由0、1组成的测量矩阵精确重构出目标图片时需满足一定的稀疏性条件,对梯度投影重构算法与TVAL3重构算法进行了详细分析比较,编写了软件重构平台为单像素相机实际应用提供了软件基础,搭建了室内实验平台,分别对测量矩阵采用稀疏二进制矩阵并利用梯度投影重构算法进行重构和测量矩阵采用离散沃尔什矩阵并利用TVAL3重构算法进行重构这两种组合进行了室内实验。实验结果表明单像素相机能实现高分辨率图像拍摄且抗干扰能力强。采用后一种组合重构速度和重构效果要比前一种组合要好得多,测量率为5%时可分辨出目标轮廓,测量率为10%0%能精确重构出目标图片,可以作为单像素相机实际应用时的测量矩阵和重构算法。