基于投影编码的单像素成像方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数字图像处理领域，特别涉及一种便携式单像素相机成像平台以及基于层次模型与轮廓信息的单像元相机快速成像方法。
【背景技术】
[0002]近些年来，在信号和图像处理领域，稀疏信号复原问题受到了越来越多的关注。而压缩传感理论这个新兴领域正是围绕此问题而生，稀疏理论表示当信号在某些特殊情况下被采样时，就可以违反奈奎斯特定律，而用更少的测量获取足够多的信号的信息。
[0003]压缩传感理论的主要应用方向就是刚出现的单像素相机成像技术。鉴于其应用前景，单像素相机应用已经吸引了越来越多人的兴趣并且始终处于研究热点的中心。然而，棱镜和光圈一直是这个平台不可或缺的一部分，这造成了实验模拟与工业应用之间的巨大的差距。
[0004]除此之外，由于对图像分辨率的要求越来越高，压缩感知成像速度问题日渐突出。在压缩感知理论框架下，提高图像成像速度有两种方式，一种是优化最终的图像复原算法，另一种则是通过优化测量矩阵的生成，降低计算量从而进行加速。针对第二种思路，现今的大部分方法采用随机方式来产生测量矩阵。随机方式的优点是容易实现，但随着需要的图像的分辨率的提高，计算量大幅增长，导致成像效率显著下降，一定程度上限制了单像元成像技术的应用。
【发明内容】
[0005]针对上述单像素相机结构复杂，应用不灵活以及计算量大幅增长，成像效率显著下降的技术问题，本发明的目的是提供一种基于投影编码的单像素成像方法。
[0006]本发明的技术方案是，
[0007]—种基于投影编码的单像素成像方法，包括以下步骤:
[0008]步骤一:搭建单像素成像平台；
[0009]单像素成像平台包括便携式投影仪、光功率计和计算机，并通过三脚架固定在一起；计算机用于产生由0、1组成的特定分辨率随机编码矩阵，并负责数据采集结束后的图像复原工作；便携式投影仪将计算机产生的编码图样投射至图片上实现对图像的编码；固定在投影仪上的光功率计充当单像素探测器，用于获取图片反射光的光强作为一次测量结果;
[0010]步骤二:进行压缩传感测量
[0011]对于压缩感知理论:y = Ax，其中:x列向量代表信号，在实际操作中，对应着需要复原的图像;A代表编码矩阵，在实际操作中每一行对应于计算机产生的一个由0、1组成随机编码矩阵，A的行数表示产生的编码矩阵个数；y列向量代表测量结果，每一次测量的反射光强作为I的一个值，它的行数代表测量次数；
[0012]步骤三:图像复原，确定最终需要得到的图像的分辨率为M*N，其中，M为所需图像像素的行数，N为所需图像像素的列数；确定起始层次的图像分辨率为m*n，其中m为起始图像像素的行数，η为起始图像像素的列数；Μ，N, m, η均为整数；确定轮廓阈值δ ;
[0013]步骤四:使用计算机生成不同分辨率的编码矩阵，效果图见图3，初始分辨率定在m*n，从而获得不同分辨率的随机测量矩阵金字塔M1, M2,...，Mk，每个不同分辨率编码矩阵对应于不同分辨率的复原图片I1, I2,, Ik;
[0014]步骤五:利用lfoptimizat1n 算法(这里可以使用 http: //www.acm.caltech.edu/1 lmagic/提供的I ^magic toolbox算法工具箱)对初始分辨率m*n的图片进行复原，获得第一层分辨率复原图像I1，初始化循环次数k = I !I1-Optimizat1n算法即L1-范数优化算法。
[0015]步骤六:遍历已恢复的图像上的像素点，获取此分辨率图像的轮廓信息，方法是:遍历复原图像，挑选领域像素个数值大于三并且像素值I1Uy)大于轮廓阈值S的像素点作为第i轮的轮廓信息G1;
[0016]步骤七:计算与下一层分辨率之间的步长，确定下一层编码矩阵对应的分辨率，方法是:选取S1= G ^^作为i层与i+Ι之间的自适应步长，即步长S i是第i轮的轮廓信息G1与第i轮复原图像像素值I i的比值；
[0017]步骤八:计算下一层分辨率的编码矩阵，方法是:计算更新SjM1,即步长S1与第i层分辨率矩阵M1的乘积作为i+Ι层的随机编码矩阵M 1+1;
[0018]步骤九:利用Mi+1结合I ^optimizat1n算法获得i+Ι层复原图像Ii+1，比较其分辨率与M*N的大小，若其分辨率大于等于M*N，则11+1为所求复原图像，否则继续步骤六。
[0019]本发明的有益技术效果:
[0020]本发明利用便携式投影仪的简易型，可以轻松实现单像素相机平台的搭建，并且由于没有使用棱镜不会出现失焦问题，除此之外，利用物体轮廓信息，并且结合提出的由粗到精模型指导测量矩阵的生成，从而降低单像元成像复原的算法复杂度，加快单像元相机的成像速度。
【附图说明】
[0021]图1是单像素成像平台的示意图。
[0022]图2是本发明的工作流程图。
[0023]图3是计算机产生的不同分辨率下的编码矩阵和利用轮廓信息优化后的编码矩阵
【具体实施方式】
[0024]下面，将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0025]图2为本发明的工作流程图，一种基于投影编码的单像素成像方法，包括以下步骤:
[0026]步骤I中所述的单像元成像系统搭建，如图1所示，本发明的一个具体实施例中的单像元成像系统示意图。本发明利用光功率计、便携式投影仪以及计算机组成单像素相机成像系统。其中，在压缩理论框架中，计算机用于产生由0、I组成的特定分辨率随机编码矩阵，并负责数据采集结束后的图像复原工作；便携式投影仪将计算机产生的编码图样投射至图片上实现对图像的编码；固定在投影仪上的光功率计充当单像素探测器，用于获取图片反射光的光强作为一次测量结果。本实施例中成像系统搭建其中单像元探头为Newport818-UV/DB，功率计为Newport 1916-R-USB，便携式投影仪为酷乐视Q6，计算机处理器为酷睿i5-3470，CPU主频为3.20GHz。设备之间的距离可以随实际情况而定，本实施光功率计架设在便携式投影仪镜头上方同一位置，距离图像50厘米。
[0027]按照步骤2，进行压缩传感测量。
[0028]对于压缩感知理论:y = Αχ, x列向量代表信号，在实际操作中，对应着需要复原的图像;A代表编码矩阵，在实际操作中每一行对应于计算机产生的一个由0、1组成随机编码矩阵，A的行数表示产生的编码矩阵个数；y列向量代表测量结果，每一次测量的反射光强作为I的一个值，它的行数代表测量次数。
[0029]按照步骤3，本实施例定义将获取一个分辨率200*200的图像，初始图像分辨率为20*20。本实施例自动分了 3个层次，确定轮廓阈值δ = 0.3 ；
[0030]按照步骤4和5，采用传统的压缩感知图像复原方法，快速复原出初始分辨率20*20的图像I1，初始化循环次数k = I ;本发明采用Llmagic中提供的工具箱(参考文献:Emmanuel Candesj Justin Romberg and Caltech.11-magic!Recovery of Sparse Signalsvia Convex Programming.)，来复原初始分辨率的图像；
[0031]按照步骤6，遍历已恢复的图像上的像素点，获取此分辨率图像的轮廓信息，方法是遍历复原图像，挑选领域像素个数值大于三并且像素值I1Uy)大于轮廓阈值0.3的像素点作为第i轮的轮廓信息Gi;
[0032]按照步骤7，计算与下一层分辨率之间的步长，确定下一层编码矩阵对应的分辨率，方法是选取S1= G ^^作为i层与i+Ι之间的自适应步长，即步长S i是第i轮的轮廓信息G1与第i轮复原图像像素值I i的比值；
[0033]按照步骤8:计算下一层分辨率的编码矩阵，方法是计算更新SjM1，即步长S1与第i层分辨率矩阵M1的乘积作为i+Ι层的随机编码矩阵M 1+1；
[0034]按照步骤9，利用Mi+1结合I「optimizat1n算法获得i+Ι层复原图像Ii+1，比较其分辨率与200*200的大小，若大于等于则11+1为所求复原图像，否则继续步骤六。
[0035]以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将
【发明内容】
限制在实施例所描述的具体形式中，依据本
【发明内容】
主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本
【发明内容】
的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。
【主权项】
1.一种基于投影编码的单像素成像方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:搭建单像素成像平台； 单像素成像平台包括便携式投影仪、光功率计和计算机，并通过三脚架固定在一起；计算机用于产生由0、1组成的特定分辨率随机编码矩阵，并负责数据采集结束后的图像复原工作；便携式投影仪将计算机产生的编码图样投射至图片上实现对图像的编码；固定在投影仪上的光功率计充当单像素探测器，用于获取图片反射光的光强作为一次测量结果；步骤二:进行压缩传感测量 对于压缩感知理论:y = Ax，其中:x列向量代表信号，在实际操作中，对应着需要复原的图像;A代表编码矩阵，在实际操作中每一行对应于计算机产生的一个由0、1组成随机编码矩阵，A的行数表示产生的编码矩阵个数；y列向量代表测量结果，每一次测量的反射光强作为I的一个值，它的行数代表测量次数； 步骤三:图像复原，确定最终需要得到的图像的分辨率为M*N，其中，M为所需图像像素的行数，N为所需图像像素的列数；确定起始层次的图像分辨率为m*n，其中m为起始图像像素的行数，η为起始图像像素的列数；Μ, N, m, η均为整数；确定轮廓阈值δ ； 步骤四:使用计算机生成不同分辨率的编码矩阵，初始分辨率定在m*n，从而获得不同分辨率的随机测量矩阵金字塔M1, M2,...，Mk，每个不同分辨率编码矩阵对应于不同分辨率的复原图片I1, 12，...，Ik; 步骤五:利用L1-范数优化算法对初始分辨率m*n的图片进行复原，获得第一层分辨率复原图像I1，初始化循环次数k = I ; 步骤六:遍历已恢复的图像上的像素点，获取此分辨率图像的轮廓信息，方法是:遍历复原图像，挑选领域像素个数值大于三并且像素值I1(Xj)大于轮廓阈值S的像素点作为第i轮的轮廓信息G1; 步骤七:计算与下一层分辨率之间的步长，确定下一层编码矩阵对应的分辨率，方法是:选取S1= G ^^作为i层与i+Ι之间的自适应步长，即步长S i是第i轮的轮廓信息G ,与第i轮复原图像像素值I1的比值； 步骤八:计算下一层分辨率的编码矩阵，方法是:计算更新SjM1即步长S i与第i层 分辨率矩阵M1的乘积作为i+Ι层的随机编码矩阵M 1+1； 步骤九:利用Mi+1结合I ^optimizat1n算法获得i+Ι层复原图像Ii+1，比较其分辨率与M*N的大小，若其分辨率大于等于M*N，则11+1为所求复原图像，否则继续步骤六。
【专利摘要】本发明公开了一种基于投影编码的单像素成像方法，属于数字图像处理领域；首先，利用便携式投影仪、计算机以及光功率计搭建单像素成像平台，便携式投影仪用于灵活的投射计算机产生的压缩传感编码矩阵；其次，在此基础上，为了快速获得物体轮廓信息用于提前降低冗余的计算，通过利用物体轮廓信息，采用一种由粗到精模型指导测量矩阵的生成，从而降低单像元成像复原的算法复杂度，加快单像元相机的成像速度。
【IPC分类】H04N9/31, H04N5/225, H04N5/232
【公开号】CN105141811
【申请号】CN201510226259
【发明人】张政, 于浩, 王炜, 徐玮, 熊志辉
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年5月6日