專利名稱：壓縮采樣方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及信號采樣圖像重構等領域，特別涉及一種壓縮采樣方法及裝置。
技術背景
在信號壓縮重構領域，香農(nóng)-乃奎斯特采樣定律指出，當采樣頻率不低于信號的截止頻率的2倍時，原始信號可以由sine函數(shù)準確的重構出來。但是采樣此種方式所采集到的數(shù)據(jù)之間存在很高的冗余，非常不利于存儲和傳輸，需要對采集得到的數(shù)據(jù)做進一步壓縮。從整個流程來看，利用很高的代價采集到的數(shù)據(jù)最后通過壓縮的方法又丟棄了很多數(shù)據(jù)。
為此，基于壓縮感知理論(D. L. Donoho,“Compressed sensing, ” IEEE Transactions on Information Theory, vol. 52, no. 4, pp. 1289-1306, Apr. , 2006),特別提出一種可以直接獲取壓縮數(shù)據(jù)的壓縮采樣方法。該方法通過隨機投影的方式來直接獲取壓縮數(shù)據(jù)，然后利用信號在一組基上的稀疏性這一先驗信息，通過最優(yōu)化方法對原始信號實現(xiàn)準確重構。然而這種方法壓縮的成本較高，同時效率還需要大幅的提高。為了快速的重構出原始信號，一些快速投影算子被相繼提出，例如基于結構隨機矩陣的概念提出了一種快速壓縮采樣方法。隨機采樣矩陣通過隨機排列一個正交矩陣的行列或隨意給定元素的符號來獲得。此外，此外，一些基于塊矩陣的隨機投影方法也被提出。原始信號首先被分成若干的塊，然后每個塊獨立的進行和采樣。由于分塊信號之間存在不同的統(tǒng)計特性，在給定稀疏基上的稀疏程度存在較大的差異。當不同塊采集等量的數(shù)據(jù)時，重構結果中會產(chǎn)生很嚴重的塊效應。為了在不同塊上獲得同等質(zhì)量的重構結果，需要在稀疏程度較低的塊上采集更多的數(shù)據(jù)，而在稀疏度較高的塊上可以采集較少的數(shù)據(jù)，不能實現(xiàn)在不同分塊區(qū)域采集不同的數(shù)據(jù)量。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述的技術缺陷之一。
為此，本發(fā)明的第一個目的在于提供一種壓縮采樣方法，該方法可以實現(xiàn)不同塊之間不同稀疏程度之間的一個平衡，從而重構出更高質(zhì)量的圖像。本發(fā)明的第二個目的在于提供一種壓縮采樣裝置。為達到上述目的，本發(fā)明第一方面的實施例提出了一種壓縮采樣方法，包括如下步驟采集目標物體信號，隨機生成一個稀疏基，如果所述稀疏基不能稀疏表示所述目標物體信號，則重新隨機生成稀疏基，直到所述稀疏基能夠稀疏表示所述目標物體信號，將所述稀疏基設為初始稀疏基；對所述初始稀疏基進行轉(zhuǎn)置，預設隨機置換矩陣和隨機矩陣，據(jù)此生成快速投影算子；將所述采集到的目標物體信號根據(jù)隨機矩陣拆分成至少一個子分量，根據(jù)所述快速投影算子求解所述子分量的最優(yōu)化值，得到優(yōu)化后的稀疏分量；將所述優(yōu)化后的稀疏分量按順序組合，確定所述優(yōu)化后的稀疏分量在所述初始稀疏基下的稀疏系數(shù)，根據(jù)所述稀疏系數(shù)重構出待采樣信號。
根據(jù)本發(fā)明實施例的壓縮采樣方法，通過信號的稀疏基，利用隨機打亂不同塊在稀疏基下的系數(shù)，實現(xiàn)了不同塊之間不同稀疏程度之間的一個平衡，從而重構出更高質(zhì)量的圖像。本發(fā)明提出的壓縮采樣方法能夠確保在具有稀疏程度的塊上采集不同數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)，隨機投影算子具有較低的計算復雜度，并且能獲得較高的重構質(zhì)量。
基。
疏基。

在本發(fā)明的一個實施例中，采用預設的二維塊離散小波變換隨機生成所述稀疏在本發(fā)明的一個實施例中，采用16X16的二維塊離散小波變換隨機生成所述稀在本發(fā)明的一個實施例中，通過以下兩種方式之一生成所述的預設隨機矩陣(1)根據(jù)高斯隨機數(shù)生成所述的預設隨機矩陣；(2)隨機抽取正交矩陣的不同行列生成所述的預設隨機矩陣在本發(fā)明的一個實施例中，根據(jù)高斯隨機數(shù)生成所述的預設隨機矩陣為MX256維隨機矩陣。
在本發(fā)明的一個實施例中，采用下面的公式判斷所述稀疏基能否稀疏表示所述目標物體信號，
θ = ψ*
其中，f表示目標物體信號，Ψ表示隨機生成的稀疏基，< 為Ψ的轉(zhuǎn)置矩陣，θ 表示多維信號f在稀疏基Ψ上的變化系數(shù)；當θ只有部分有值或θ小部分的系數(shù)包含了大部分的能量時，所述目標物體信號f可以由稀疏基Ψ稀疏表示。
在本發(fā)明的一個實施例中，采用如下公式生成所述快速投影算子，
權利要求
1.一種壓縮采樣方法，其特征在于，包括以下步驟采集目標物體信號，隨機生成一個稀疏基，如果所述稀疏基不能稀疏表示所述目標物體信號，則重新隨機生成稀疏基，直到所述稀疏基能夠稀疏表示所述目標物體信號，將所述稀疏基設為初始稀疏基；對所述初始稀疏基進行轉(zhuǎn)置，預設隨機置換矩陣和隨機矩陣，生成快速投影算子；將所述采集到的目標物體信號根據(jù)隨機矩陣拆分成至少一個子分量，根據(jù)所述快速投影算子求解所述子分量的最優(yōu)化值，得到優(yōu)化后的稀疏分量；將所述優(yōu)化后的稀疏分量按順序組合，確定所述優(yōu)化后的稀疏分量在所述初始稀疏基下的稀疏系數(shù)，根據(jù)所述稀疏系數(shù)重構出待采樣信號。
2.如權利要求1所述的壓縮采樣方法，其特征在于，采用預設的二維塊離散小波變換隨機生成所述稀疏基。
3.如權利要求2所述的壓縮采樣方法，其特征在于，采用16X16的二維塊離散小波變換隨機生成所述稀疏基。
4.如權利要求1所述的壓縮采樣方法，其特征在于，通過以下兩種方式之一生成所述的預設隨機矩陣(1)根據(jù)高斯隨機數(shù)生成所述的預設隨機矩陣；(2)隨機抽取正交矩陣的不同行列生成所述的預設隨機矩陣。
5.如權利要求4所述的壓縮采樣方法，其特征在于，根據(jù)高斯隨機數(shù)生成所述的預設隨機矩陣為MX256維隨機矩陣。
6.如權利要求1所述的壓縮采樣方法，其特征在于，采用下面的公式判斷所述稀疏基能否稀疏表示所述目標物體信號，θ = ￥*f其中，f表示目標物體信號，Ψ表示隨機生成的稀疏基，為Ψ的轉(zhuǎn)置矩陣，θ表示多維信號f在稀疏基Ψ上的變化系數(shù)；當θ只有部分有值或θ小部分的系數(shù)包含了大部分的能量時，所述目標物體信號f可以由稀疏基Ψ稀疏表示。
7.如權利要求1所述的壓縮采樣方法，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表示隨機置換矩陣，ΦB表示隨機矩陣，Ψ表示隨機生成的稀疏基，為ψ的轉(zhuǎn)置矩陣。
8. —種壓縮采樣裝置，其特征在于，包括 采集模塊，所述采集模塊用于采集目標物體信號；初始稀疏基生成模塊，所述初始稀疏基生成模塊和所述采集模塊相連，用于隨機生成一個初始稀疏基，如果所述稀疏基不能稀疏表示所述目標物體信號，則重新隨機生成稀疏基，直到所述稀疏基能夠稀疏表示所述目標物體信號，將所述稀疏基設為初始稀疏基； 稀疏基轉(zhuǎn)置模塊，所述稀疏基轉(zhuǎn)置模塊和所述初始稀疏基生成模塊相連，用于對所述初始稀疏基進行轉(zhuǎn)置，得到轉(zhuǎn)置后的稀疏基；快速投影算子生成模塊，所述快速投影算子生成模塊和所述稀疏基轉(zhuǎn)置模塊相連，預設隨機置換矩陣和隨機矩陣，據(jù)此生成快速投影算子；優(yōu)化模塊，所述優(yōu)化模塊分別和所述采樣模塊以及所述快速投影算子生成模塊相連， 用于將所述采集到的目標物體信號根據(jù)隨機矩陣拆分成至少一個子分量，根據(jù)所述快速投影算子求解所述子分量的最優(yōu)化值，得到優(yōu)化后的稀疏分量；信號重構模塊，所述信號重構模塊和所述優(yōu)化模塊相連，用于將所述優(yōu)化后的稀疏分量按順序組合，確定所述優(yōu)化后的稀疏分量在所述初始稀疏基下的稀疏系數(shù)，根據(jù)所述稀疏系數(shù)重構出待采樣信號。
9.如權利要求8所述的壓縮采樣裝置，其特征在于，所述初始稀疏基生成模塊采用預設的二維塊離散小波變換隨機生成所述稀疏基。
10.如權利要求9所述的壓縮采樣裝置，其特征在于，所述初始稀疏基生成模塊采用 16X16的二維塊離散小波變換隨機生成所述稀疏基。
11.如權利要求10所述的壓縮采樣裝置，其特征在于，所述快速投影算子生成模塊根據(jù)高斯隨機數(shù)生成所述的預設隨機矩陣。
12.如權利要求11所述的壓縮采樣裝置，其特征在于，所述快速投影算子生成模塊根據(jù)高斯隨機數(shù)生成所述的預設隨機矩陣是MX 256維隨機矩陣。
13.如權利要求8所述的壓縮采樣裝置，其特征在于，所述初始稀疏基生成模塊采用下面的公式判斷所述稀疏基能否稀疏表示所述目標物體信號，θ = ￥*f其中，f表示目標物體信號，Ψ表示隨機生成的稀疏基，為Ψ的轉(zhuǎn)置矩陣，θ表示多維信號f在稀疏基Ψ上的變化系數(shù)；當θ只有部分有值或θ小部分的系數(shù)包含了大部分的能量時，所述目標物體信號f可以由稀疏基Ψ稀疏表示。
14.如權利要求8所述的壓縮采樣裝置，其特征在于，所述快速投影算子生成模塊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表示隨機置換矩陣，ΦB表示隨機矩陣，Ψ表示隨機生成的稀疏基，為ψ的轉(zhuǎn)置矩陣。
全文摘要
本發(fā)明提出一種壓縮采樣方法，包括采集目標物體信號，選取一個能夠稀疏表示所述目標物體信號的稀疏基；根據(jù)初始稀疏基以及預設隨機置換矩陣和隨機矩陣，生成快速投影算子；根據(jù)所述快速投影算子求解所述子分量的最優(yōu)化值，得到優(yōu)化后的稀疏分量；確定優(yōu)化后的稀疏分量在所述初始稀疏基下的稀疏系數(shù)，根據(jù)所述稀疏系數(shù)重構出待采樣信號。本發(fā)明提出的快速壓縮采樣的方法能夠確保在具有稀疏程度的塊上采集不同數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)，隨機投影算子具有較低的計算復雜度，并且能獲得較高的重構質(zhì)量。本發(fā)明還公開了一種壓縮采樣裝置。
文檔編號H04N7/26GK102523450SQ20111045687
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權日2011年12月30日
發(fā)明者付長軍, 季向陽, 戴瓊海 申請人:清華大學