专利名称：压缩采样方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号采样图像重构等领域，特别涉及一种压缩采样方法及装置。
技术背景
在信号压缩重构领域，香农-乃奎斯特采样定律指出，当采样频率不低于信号的截止频率的2倍时，原始信号可以由sine函数准确的重构出来。但是采样此种方式所采集到的数据之间存在很高的冗余，非常不利于存储和传输，需要对采集得到的数据做进一步压缩。从整个流程来看，利用很高的代价采集到的数据最后通过压缩的方法又丢弃了很多数据。
为此，基于压缩感知理论(D. L. Donoho,“Compressed sensing, ” IEEE Transactions on Information Theory, vol. 52, no. 4, pp. 1289-1306, Apr. , 2006),特别提出一种可以直接获取压缩数据的压缩采样方法。该方法通过随机投影的方式来直接获取压缩数据，然后利用信号在一组基上的稀疏性这一先验信息，通过最优化方法对原始信号实现准确重构。然而这种方法压缩的成本较高，同时效率还需要大幅的提高。为了快速的重构出原始信号，一些快速投影算子被相继提出，例如基于结构随机矩阵的概念提出了一种快速压缩采样方法。随机采样矩阵通过随机排列一个正交矩阵的行列或随意给定元素的符号来获得。此外，此外，一些基于块矩阵的随机投影方法也被提出。原始信号首先被分成若干的块，然后每个块独立的进行和采样。由于分块信号之间存在不同的统计特性，在给定稀疏基上的稀疏程度存在较大的差异。当不同块采集等量的数据时，重构结果中会产生很严重的块效应。为了在不同块上获得同等质量的重构结果，需要在稀疏程度较低的块上采集更多的数据，而在稀疏度较高的块上可以采集较少的数据，不能实现在不同分块区域采集不同的数据量。发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
为此，本发明的第一个目的在于提供一种压缩采样方法，该方法可以实现不同块之间不同稀疏程度之间的一个平衡，从而重构出更高质量的图像。本发明的第二个目的在于提供一种压缩采样装置。为达到上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种压缩采样方法，包括如下步骤采集目标物体信号，随机生成一个稀疏基，如果所述稀疏基不能稀疏表示所述目标物体信号，则重新随机生成稀疏基，直到所述稀疏基能够稀疏表示所述目标物体信号，将所述稀疏基设为初始稀疏基；对所述初始稀疏基进行转置，预设随机置换矩阵和随机矩阵，据此生成快速投影算子；将所述采集到的目标物体信号根据随机矩阵拆分成至少一个子分量，根据所述快速投影算子求解所述子分量的最优化值，得到优化后的稀疏分量；将所述优化后的稀疏分量按顺序组合，确定所述优化后的稀疏分量在所述初始稀疏基下的稀疏系数，根据所述稀疏系数重构出待采样信号。
根据本发明实施例的压缩采样方法，通过信号的稀疏基，利用随机打乱不同块在稀疏基下的系数，实现了不同块之间不同稀疏程度之间的一个平衡，从而重构出更高质量的图像。本发明提出的压缩采样方法能够确保在具有稀疏程度的块上采集不同数据量的数据，随机投影算子具有较低的计算复杂度，并且能获得较高的重构质量。
基。
疏基。
在本发明的一个实施例中，采用预设的二维块离散小波变换随机生成所述稀疏在本发明的一个实施例中，采用16X16的二维块离散小波变换随机生成所述稀在本发明的一个实施例中，通过以下两种方式之一生成所述的预设随机矩阵(1)根据高斯随机数生成所述的预设随机矩阵；(2)随机抽取正交矩阵的不同行列生成所述的预设随机矩阵在本发明的一个实施例中，根据高斯随机数生成所述的预设随机矩阵为MX256维随机矩阵。
在本发明的一个实施例中，采用下面的公式判断所述稀疏基能否稀疏表示所述目标物体信号，
θ = ψ*
其中，f表示目标物体信号，Ψ表示随机生成的稀疏基，< 为Ψ的转置矩阵，θ 表示多维信号f在稀疏基Ψ上的变化系数；当θ只有部分有值或θ小部分的系数包含了大部分的能量时，所述目标物体信号f可以由稀疏基Ψ稀疏表示。
在本发明的一个实施例中，采用如下公式生成所述快速投影算子，
权利要求
1.一种压缩采样方法，其特征在于，包括以下步骤采集目标物体信号，随机生成一个稀疏基，如果所述稀疏基不能稀疏表示所述目标物体信号，则重新随机生成稀疏基，直到所述稀疏基能够稀疏表示所述目标物体信号，将所述稀疏基设为初始稀疏基；对所述初始稀疏基进行转置，预设随机置换矩阵和随机矩阵，生成快速投影算子；将所述采集到的目标物体信号根据随机矩阵拆分成至少一个子分量，根据所述快速投影算子求解所述子分量的最优化值，得到优化后的稀疏分量；将所述优化后的稀疏分量按顺序组合，确定所述优化后的稀疏分量在所述初始稀疏基下的稀疏系数，根据所述稀疏系数重构出待采样信号。
2.如权利要求1所述的压缩采样方法，其特征在于，采用预设的二维块离散小波变换随机生成所述稀疏基。
3.如权利要求2所述的压缩采样方法，其特征在于，采用16X16的二维块离散小波变换随机生成所述稀疏基。
4.如权利要求1所述的压缩采样方法，其特征在于，通过以下两种方式之一生成所述的预设随机矩阵(1)根据高斯随机数生成所述的预设随机矩阵；(2)随机抽取正交矩阵的不同行列生成所述的预设随机矩阵。
5.如权利要求4所述的压缩采样方法，其特征在于，根据高斯随机数生成所述的预设随机矩阵为MX256维随机矩阵。
6.如权利要求1所述的压缩采样方法，其特征在于，采用下面的公式判断所述稀疏基能否稀疏表示所述目标物体信号，θ = ￥*f其中，f表示目标物体信号，Ψ表示随机生成的稀疏基，为Ψ的转置矩阵，θ表示多维信号f在稀疏基Ψ上的变化系数；当θ只有部分有值或θ小部分的系数包含了大部分的能量时，所述目标物体信号f可以由稀疏基Ψ稀疏表示。
7.如权利要求1所述的压缩采样方法，其特征在于，采用如下公式生成所述快速投影算子，Φ,Φ =BΦΨΨ其中，表示快速投影算子，W表示随机置换矩阵，ΦB表示随机矩阵，Ψ表示随机生成的稀疏基，为ψ的转置矩阵。
8. —种压缩采样装置，其特征在于，包括 采集模块，所述采集模块用于采集目标物体信号；初始稀疏基生成模块，所述初始稀疏基生成模块和所述采集模块相连，用于随机生成一个初始稀疏基，如果所述稀疏基不能稀疏表示所述目标物体信号，则重新随机生成稀疏基，直到所述稀疏基能够稀疏表示所述目标物体信号，将所述稀疏基设为初始稀疏基； 稀疏基转置模块，所述稀疏基转置模块和所述初始稀疏基生成模块相连，用于对所述初始稀疏基进行转置，得到转置后的稀疏基；快速投影算子生成模块，所述快速投影算子生成模块和所述稀疏基转置模块相连，预设随机置换矩阵和随机矩阵，据此生成快速投影算子；优化模块，所述优化模块分别和所述采样模块以及所述快速投影算子生成模块相连， 用于将所述采集到的目标物体信号根据随机矩阵拆分成至少一个子分量，根据所述快速投影算子求解所述子分量的最优化值，得到优化后的稀疏分量；信号重构模块，所述信号重构模块和所述优化模块相连，用于将所述优化后的稀疏分量按顺序组合，确定所述优化后的稀疏分量在所述初始稀疏基下的稀疏系数，根据所述稀疏系数重构出待采样信号。
9.如权利要求8所述的压缩采样装置，其特征在于，所述初始稀疏基生成模块采用预设的二维块离散小波变换随机生成所述稀疏基。
10.如权利要求9所述的压缩采样装置，其特征在于，所述初始稀疏基生成模块采用 16X16的二维块离散小波变换随机生成所述稀疏基。
11.如权利要求10所述的压缩采样装置，其特征在于，所述快速投影算子生成模块根据高斯随机数生成所述的预设随机矩阵。
12.如权利要求11所述的压缩采样装置，其特征在于，所述快速投影算子生成模块根据高斯随机数生成所述的预设随机矩阵是MX 256维随机矩阵。
13.如权利要求8所述的压缩采样装置，其特征在于，所述初始稀疏基生成模块采用下面的公式判断所述稀疏基能否稀疏表示所述目标物体信号，θ = ￥*f其中，f表示目标物体信号，Ψ表示随机生成的稀疏基，为Ψ的转置矩阵，θ表示多维信号f在稀疏基Ψ上的变化系数；当θ只有部分有值或θ小部分的系数包含了大部分的能量时，所述目标物体信号f可以由稀疏基Ψ稀疏表示。
14.如权利要求8所述的压缩采样装置，其特征在于，所述快速投影算子生成模块采用如下公式生成所述快速投影算子，其中，φ表示快速投影算子，W表示随机置换矩阵，ΦB表示随机矩阵，Ψ表示随机生成的稀疏基，为ψ的转置矩阵。
全文摘要
本发明提出一种压缩采样方法，包括采集目标物体信号，选取一个能够稀疏表示所述目标物体信号的稀疏基；根据初始稀疏基以及预设随机置换矩阵和随机矩阵，生成快速投影算子；根据所述快速投影算子求解所述子分量的最优化值，得到优化后的稀疏分量；确定优化后的稀疏分量在所述初始稀疏基下的稀疏系数，根据所述稀疏系数重构出待采样信号。本发明提出的快速压缩采样的方法能够确保在具有稀疏程度的块上采集不同数据量的数据，随机投影算子具有较低的计算复杂度，并且能获得较高的重构质量。本发明还公开了一种压缩采样装置。
文档编号H04N7/26GK102523450SQ20111045687
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者付长军, 季向阳, 戴琼海 申请人:清华大学