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基本信息
- 項目名稱：
- 低采樣陣列超分辨成像方法研究——基于球面像差效應(yīng)和壓縮感知理論的超分辨成像系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡介：
- 這篇論文中，我們提出了一種基于球面像差效應(yīng)和壓縮感知理論的低采樣陣列高分辨率成像方法。其基本過程是原始物體（場景）通過具有顯著球面像差的特殊光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光路混疊，然后經(jīng)過較低規(guī)模的采樣陣列降采樣，采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像重構(gòu)得到較高分辨率圖像。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著社會飛速信息化的進(jìn)程，人們對圖像分辨率的要求越來越高。傳統(tǒng)相機(jī)成像分辨率嚴(yán)重依賴與圖像傳感器的性能，而高分辨率的圖像傳感器制造工藝復(fù)雜代價高，并且成像時產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。因而傳統(tǒng)的成像方法面臨傳感器陣列制造工藝的限制和海量數(shù)據(jù)存儲等難以突破的瓶頸問題。 這篇論文中，我們提出了一種基于球面像差效應(yīng)和壓縮感知理論的低采樣陣列高分辨率成像方法。其基本過程是原始物體（場景）通過具有顯著球面像差的特殊光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光路混疊，然后經(jīng)過較低規(guī)模的采樣陣列降采樣，采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像重構(gòu)得到較高分辨率圖像。設(shè)計和仿真結(jié)果表明該成像方法具有很高的可行性。 相對于傳統(tǒng)的超分辨成像方法（例如插值），該方法保留了更多存在于原始數(shù)據(jù)中的信息，而并非基于經(jīng)驗的偽信息。相對于其他壓縮感知成像模型（如單像素相機(jī)），該方法易于物理實(shí)現(xiàn)，成本和執(zhí)行復(fù)雜度低，仿真結(jié)果還表明該方法成像效果能與其他壓縮感知成像模型相媲美。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 隨著社會飛速信息化的進(jìn)程，人們對圖像分辨率的需求越來越高。通常人們解決該問題的思路是從工藝制造和系統(tǒng)設(shè)計的角度提高圖像采集和處理系統(tǒng)的硬件規(guī)模和密集度。然而高分辨率的應(yīng)用需求使得傳統(tǒng)的成像方法面臨傳感器陣列制造工藝的限制和海量數(shù)據(jù)存儲等難以突破的瓶頸問題。 本項目從稀疏采樣角度，利用最新的壓縮感知理論，提出了解決傳統(tǒng)超高分辨率成像瓶頸的方法。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 本項目創(chuàng)新地提出了利用光學(xué)透鏡的球面像差效應(yīng)進(jìn)行混疊觀測從而實(shí)現(xiàn)壓縮感知，在采樣的時候同時進(jìn)行壓縮，形成一種易于物理實(shí)現(xiàn)的低采樣率高分辨率的光學(xué)成像系統(tǒng)。 相對于傳統(tǒng)的超分辨成像方法（例如插值），該方法保留了更多存在于原始數(shù)據(jù)中的信息，而并非基于經(jīng)驗的偽信息。相對于其他壓縮感知成像模型（如單像素相機(jī)），該方法易于物理實(shí)現(xiàn)，成本和執(zhí)行復(fù)雜度低。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義
- 本作品在一定程度上解決了傳統(tǒng)超分辨率成像方法的瓶頸問題。相較于普通光學(xué)成像系統(tǒng)，本作品提出的方法，不同之處在于特殊的光學(xué)鏡頭和解算算法。因此能比較容易地移植到其他成像系統(tǒng)。 1、該方法可應(yīng)用在航天和天文照相等需要超高分辨率的應(yīng)用中，降低對傳感器陣列規(guī)模的要求。 2、以較低規(guī)模的采樣陣列采樣后，還可以通過一般的圖像壓縮方法進(jìn)一步降低碼率，這在某些對帶寬敏感的應(yīng)用中也有一定意義。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 隨著社會飛速信息化的進(jìn)程，人們對圖像分辨率的要求越來越高。傳統(tǒng)相機(jī)成像分辨率嚴(yán)重依賴與圖像傳感器的性能，而高分辨率的圖像傳感器制造工藝復(fù)雜代價高，并且成像時產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。因而傳統(tǒng)的成像方法面臨傳感器陣列制造工藝的限制和海量數(shù)據(jù)存儲等難以突破的瓶頸問題。 這篇論文中，我們提出了一種基于球面像差效應(yīng)和壓縮感知理論的低采樣陣列高分辨率成像方法。其基本過程是原始物體（場景）通過具有顯著球面像差的特殊光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光路混疊，然后經(jīng)過較低規(guī)模的采樣陣列降采樣，采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像重構(gòu)得到較高分辨率圖像。設(shè)計和仿真結(jié)果表明該成像方法具有很高的可行性。 相對于傳統(tǒng)的超分辨成像方法（例如插值），該方法保留了更多存在于原始數(shù)據(jù)中的信息，而并非基于經(jīng)驗的偽信息。相對于其他壓縮感知成像模型（如單像素相機(jī)），該方法易于物理實(shí)現(xiàn)，成本和執(zhí)行復(fù)雜度低，仿真結(jié)果還表明該方法成像效果能與其他壓縮感知成像模型相媲美。
獲獎情況
- 1、本項目提出的方法“基于球面像差混疊觀測的超分辨率成像方法”已經(jīng)申請發(fā)明專利。申請?zhí)枺?01110107640.9 2、本項目所發(fā)表英文論文《Super-Resolution Imager via Compressive Sensing》被IEEE 第十屆國際信號處理學(xué)術(shù)會議(ICSP2010)收錄，并被EI檢索。 3、本作品受到加拿大麥克馬斯特大學(xué)電子與計算機(jī)工程系武筱林教授的推薦。 4、本項目在教育部G10查新站進(jìn)行了科技查新。 5、本作品在第八屆陜西省“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲特等獎。
鑒定結(jié)果
- 情況屬實(shí)，同意申報
參考文獻(xiàn)
- 科技查新報告，編號201136000G100128
同類課題研究水平概述
- 2006年Emmanuel J. Candès, Justin Romberg和Terence Tao從數(shù)學(xué)上證明了測量一個信號經(jīng)過傅立葉變換后的部分隨機(jī)系數(shù)，可以精確的重構(gòu)出原始信號，為壓縮感知奠定了理論基礎(chǔ)。隨后 Candès和Donoho在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上正式提出了壓縮感知的概念。其核心思想是在模擬采樣前端同時實(shí)現(xiàn)采樣和壓縮。 在壓縮感知從理論到實(shí)際應(yīng)用的研究中，Candès等人證明了隨機(jī)采樣矩陣并不是必須的，只需保證采樣矩陣具有所謂的RIP性質(zhì)（Restricted Isometry Property，有限等距特性）即可。所以說該理論能夠被應(yīng)用與實(shí)際的關(guān)鍵是要構(gòu)造一個具有如此性質(zhì)而又易于物理實(shí)現(xiàn)的矩陣。DeVore等人利用逼近理論給出了一種構(gòu)造如此矩陣的方法。Indyk 等人給出了一種利用編碼理論構(gòu)造矩陣的方法。但是，這些構(gòu)造方法大多都更接近于復(fù)雜的偽隨機(jī)算法，在實(shí)際的系統(tǒng)中并不太容易實(shí)現(xiàn)。W. Yin等人的工作則是將壓縮感知理論實(shí)際化工程化過程中非常重要的工作。在這些工作中Toeplitz和循環(huán)矩陣被首次提出用來作為觀測矩陣。由于Toeplitz或者循環(huán)矩陣與信號相乘與線性移不變系統(tǒng)沖擊響應(yīng)函數(shù)和信號的卷積是等價的，而現(xiàn)行移不變系統(tǒng)又是多數(shù)現(xiàn)行物理系統(tǒng)的普遍模型，因此這對于壓縮感知理論的物理實(shí)現(xiàn)具有非常重要的意義。但是，這些工作仍然比較關(guān)注隨機(jī)卷積核的構(gòu)造，而這對實(shí)際的物理實(shí)現(xiàn)仍然構(gòu)成相當(dāng)大的困難。 在壓縮感知的物理實(shí)現(xiàn)上，目前國際上唯一比較成功的例子是美國Rice大學(xué)的單像素照相機(jī)。該相機(jī)只有一個光學(xué)傳感器，通過數(shù)字微鏡芯片（DMD）隨機(jī)反射從物體投射過來的光線以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)混疊采樣。這套裝置確實(shí)比較好地反應(yīng)了壓縮感知的概念，但是由于該相機(jī)每次曝光只能實(shí)現(xiàn)一次混疊采樣，因此它成一幅圖像需要很多的曝光次數(shù)（雖然從采樣率的角度講是減少了），一次成像要花費(fèi)5分鐘左右的時間。而且由于光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，整套裝置體積龐大，大約要占據(jù)1平方米左右的面積。所以該系統(tǒng)離實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離。
