[发明专利]一种并行压缩感知GPU加速实时成像系统与方法

权利要求书

1.一种并行压缩感知GPU加速实时成像系统，其特征在于，所述系统包括并行流水线式处理的光学单元(I)、电学单元(II)和后端数据流水线处理单元(III)；其中，

所述光学单元(I)，用于收集光信号，得到目标图像信号，经分段和调制后发送至电学单元(II)；

所述电学单元(II)，用于进行并行互补压缩感知成像，完成并行互补测量，将低分辨率图像数据发送至后端数据流水线处理单元(III)；

所述后端数据流水线处理单元(III)，用于将若干个子测量信号和相应子测量矩阵进行合并后采用GPU加速压缩感知高速重建算法实现高分辨图像重建与实时显示；

所述光学单元(I)包括：视场光阑和成像物镜镜头(1)、空间光调制器(2)和会聚收光部件(3)；其中，

所述视场光阑和成像物镜镜头(1)，用于收集目标透射、反射或辐射出的光信号，并成像到空间光调制器(2)上；

所述空间光调制器(2)，用于对目标图像信号进行分段并行随机调制，将不同位置的光反射到所述会聚收光部件(3)；

所述会聚收光部件(3)，用于将会聚收集到的光传输到电学单元(II)；

所述电学单元(II)包括：光电阵列探测器(4)、随机数发生器(5)、信号同步控制模块(6)、数据采集缓存(7)；

所述光电阵列探测器(4)，用于并行地探测到分段光信号，转化为电信号输出至数据采集缓存部件(7)；

所述数据采集缓存部件(7)，用于即时、持续地将低分辨图像传输至后端数据流水线处理单元(III)；

所述随机数发生器(5)，用于控制空间光调制器(2)对光信号进行分段并行随机调制；还用于生成二值光信号随机分布的散斑；

所述信号同步控制模块(6)，用于通过信号同步控制光电阵列探测器(4)、随机数发生器(5)和数据采集缓存(7)；

所述后端数据流水线处理单元(III)包括：数据共享服务部件(8)、高分辨图像重建与显示部件(9)以及通用计算GPU加速压缩感知高速重建部件(10)；其中，

所述数据共享服务部件(8)，用于接收并存储低分辨图像数据；

高分辨图像重建与显示部件(9)，用于持续不断地处理数据共享服务部件(8)的低分辨率图像数据，通过函数调用通用计算GPU加速压缩感知高速重建部件(10)以快速重建出高分辨图像并实时显示；

所述通用计算GPU加速压缩感知高速重建部件(10)，用于对每个子测量信号和相应子测量矩阵进行合并，利用低分辨图像、分块随机矩阵和稀疏基，采用GPU加速压缩感知高速重建算法实现高分辨图像重建；

所述进行并行互补压缩感知成像，完成并行互补测量；具体包括：

将空间光调制器(2)上N×N有效成像区域分成若干块，每个块的大小为C×C，并行成像到光电阵列探测器(4)的N/C×N/C像素上，则光电阵列探测器(4)上获取的对应第i个观察向量列Y⁽ⁱ⁾满足下式：

Y⁽ⁱ⁾＝Φ⁽ⁱ⁾(X⁽ⁱ⁾)+E⁽ⁱ⁾

其中，X⁽ⁱ⁾为以列优先方式表示空间光调制器(2)中的第i分块，Φ⁽ⁱ⁾为第i分块子场景图像的投影算子；

设为由在空间光调制器(2)上形成的目标场景组成块中的其中一块，并且设φ,为分别显示在空间光调制器(2)上的互补测量二值模式，y,为光电阵列探测器(4)采集到的互补压缩测量，是互补压缩测量差分矢量，则在光电阵列探测器(4)上获得的每个测量值如下所示：

其中，e₁和e₂表示互补压缩测量采集到的两次随机噪声；

由下式得到互补矩阵的一次测量给出Δy为：

其中，表示元素乘积；

所述对每个子测量信号和相应子测量矩阵进行合并，具体包括：

将空间光调制器(2)的有效成像区域分为若干个大小相同的元素块B×B，每个元素块为一个光电阵列探测(4)的并行SPC重建块，B为C的整数倍，C×C为基本元素块；

生成空间光调制器(2)上的对应每个光电阵列探测(4)并行SPC编码块掩模C×C，并进行互补正负测量；

针对与测量矩阵相对应的单位测量向量以逐块和逐列的方式依次并行取多个SPC编码块，经掩模向量化后合并到整个测量矩阵中；

将观测结果中的并行块按列优先顺序排列，每个并行块的观测值的列向量来自与测量序列对应的块的线性组合，使得测量矩阵所有分块的观测值向量与每个掩模向量同步，重构每个原始图像块的压缩块观测值向量；

所述快速重建出高分辨图像并实时显示，具体包括：

在GPU上准备分块测量矩阵，分别生成尺寸为的全采样分块投影矩阵和尺寸为的欠采样分块测量矩阵，并转换为CUDA稀疏矩阵格式；其中，m表示测量次数，m≤C×C；

在GPU上将多帧低分辨图像合并为一帧，大小为N×N，将观测值与正负互补测量图像进行差分计算，将每一帧分为块，并按列将每一帧置为列向量，大小为从而得到分块观测值向量组；

根据CUDA稀疏矩阵格式和GPU核函数定义重建每块图像，并将多块拼接成一帧或多帧高分辨率图像并实时显示。