[发明专利]基于随机循环矩阵的彩色单像素成像方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于随机循环矩阵的彩色单像素成像方法及系统，所述成像系统包括在Discovery 4100开发板上加装的DDR2 SDRAM，板载FPGA，空间调制器、信号采集与处理模块、信号恢复与重构模块和透镜及分光镜组成的光路。本发明利用测量矩阵控制空间调制器从而对光信号进行编码，采用“边采样，边压缩”的方式处理数据，并结合分光镜分解速率快实时性好的优点，形成了一套彩色单像素成像系统，解决了传统成像设备中海量数据给信号的传递与存储带来的难题，利用分块自适应步长梯度投影恢复算法将图像品质得以大幅提升，其分辨率可达256*256。

技术领域

本发明属于压缩感知成像领域，具体涉及一种基于随机循环矩阵的彩色单像素成像方法及系统。

背景技术

随着社会的快速进步和计算机视觉领域的高速发展，人们对成像设备的高性能需求大大加深，特别是在一些特殊的应用领域。传统的成像设备，几乎都采用“先采样，后压缩”的方式处理传感器获得的数据，但巨大的数据量给信号的传递与存储增加了极大的难度，还会在采集与压缩的过程中造成大量的浪费。同时，传统成像设备需要昂贵的高速传输电路与接口，还需要容量巨大的存储器来实现数据的实时存储，这无疑增加了传统成像设备的成本。此外，由于人们对成像设备的需求加大加深，特别在一些特殊的应用领域，传统的成像设备很难满足人们日益增长的需求。随着压缩感知理论的提出，由该理论为基础的单像素成像设备采取“边采样，边压缩”的方式处理数据，它与传统的成像设备相比，具有更多的优秀性能，并在很多领域实现了突破。

发明内容

针对传统成像设备的不足和当前背景的发展需求，本发明提出基于随机循环矩阵的彩色单像素成像方法及系统。本发明采用的技术手段如下：

一种基于随机循环矩阵的彩色单像素成像方法，具有以下步骤：

S1、将分辨率为N1×N1的目标恢复图像分解为若干个N3×N3的小块，对于每一个小块采用相同的测量矩阵进行压缩感知测量；

S2、设计并在计算机中生成空间调制器(DMD)需要的测量矩阵，测量矩阵的维数为M×N2，N2＝N3×N3，使之能够对光信号进行编码；

S3、测量矩阵通过FPGA发送到DDR2 SDRAM中；

S4、FPGA从DDR2 SDRAM读取测量矩阵的一行元素值即N2个元素值，然后把这N2个元素值转化为一个N3×N3维矩阵，并将其投影在空间调制器上；

S5、空间调制器投影出图像后，在设计好的光路中由FPGA接收经放大滤波、A/D转换后的硅光电二极管(硅光电池)产生的电信号(即硅光电二极管产生的电信号经放大滤波、A/D转换后被FPGA接收)，并将其储存在DDR2SDRAM中；

S6、重复步骤S4～步骤S5，M-1次；M为测量次数；

S7、FPGA将储存在DDR2 SDRAM中的经放大滤波、A/D转换后的硅光电二极管产生的电信号发送给计算机，利用分块自适应步长梯度投影恢复算法(BASGP)对每个小块图像进行重建，再按分解的顺序排列组合，最终形成新的重建图像。

所述步骤S2的具体步骤如下：

S2.1、目标恢复图像的分辨率为N1×N1，而每个小块的分辨为N3×N3，测量次数为M，则将测量矩阵设为A，测量矩阵A的大小为M×N2，N2＝N3×N3；

利用测量矩阵类型生成N2个元素组成的倒序序列S₁作为测量矩阵的第h行，h的初值为1(比如第h行可以由Logistic混沌序列生成或者由随机生成的基于LDPC编码的校验矩阵中的任一行向量生成)，其中S₁＝{a_N2，a_N2-1，···，a₂，a₁}，若h＝M，则得到M×N2的矩阵，并直接执行步骤S2.6，若h＜M，则执行步骤S2.2；