基于壓縮感知的高光譜成像技術研究
發(fā)布時間：2021-10-09 11:09
高光譜成像技術是一種同時獲得空間信息和光譜信息的遙感技術,是現代遙感領域的重要探測技術手段之一。傳統(tǒng)高光譜成像技術包括點視場掃描,線視場掃描和面視場凝視獲取等方法,這些方法基于奈奎斯特采樣理論進行數據采集,要保證信息得到準確保留,采樣頻率必須要大于探測信號所包含最大頻率的兩倍,并經過數據壓縮和解壓的過程,才得到最終數據。這種信息處理流程會帶來計算空間和存儲空間的浪費,因為系統(tǒng)首先需要存儲含有大量冗余信息的采集數據,再經過復雜的壓縮算法實現壓縮,最終得到很少量的有效數據,這對于一些運算和存儲能力有限的系統(tǒng)來說,比如星上系統(tǒng),無疑增加了一定的壓力。壓縮感知是一種可以實現壓縮和采樣同時進行的信息處理理論,能解決以上過程帶來的矛盾,基于壓縮感知的光譜成像系統(tǒng)也已經成為目前研究的熱點之一,本文在探究壓縮感知成像機理的基礎上,做了具有以下創(chuàng)新點的研究內容:1.提出了多狹縫組合編碼的高分辨率視頻光譜成像方法（SGCSHI,Slit Group Coded Scanning Hyperspectral Imager）。SGCSHI按照壓縮感知理論進行狹縫編碼,可實現欠采樣條件下全部信息的獲取,實驗表明...
【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)上海市
【文章頁數】：121 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
1ORRIS系（a）ORRIS系統(tǒng)的示意圖（b）行方向
第1章引言3圖1.1.1ORRIS系統(tǒng)原理示意圖[35]（a）ORRIS系統(tǒng)的示意圖（b）行方向與波段方向之間具有角度θ（c）子圖像的復制和過濾處理以及每個波段的光譜圖像的重新映射Figure1.1.1PrincipleofORRISsystem[35](a)SchematicoftheORRISsystem(b)Thereisanangleθbetweentherowdirectionandwavebanddirection(c)Replicatingandfilteringprocessingofsubimages,andtheremappingofspectralimagesateachband隨著信息處理理論和新型光電器件的發(fā)展，更多的新型光譜成像系統(tǒng)也逐漸被提出，其中計算光譜成像技術在充分挖掘數字信號更本質特點的基礎上，基于新型的數學模型可以實現更高效的信息獲齲1.1.2計算光譜成像技術發(fā)展計算機的飛速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的模擬信號處理轉向數字信號處理，數字信號的處理方式為實際應用帶來了極大的方便。由模擬信號到數字信號需要經過合理的采樣才能保持對完整信息的保持，Nyquist采樣定理規(guī)定了對信號采樣率的理論下限，指出采樣頻率需要高于信號包含最高頻率的兩倍，才能由采樣信號準確重建原始信號而不丟失任何信息[36]。另一方面，對于很多領域的實際應用，信號本身的帶寬就比較巨大，而隨著各方面技術的飛速發(fā)展，對信號的傳輸速度、計算速度和存儲空間等的要求也變得愈來愈高。一般的，在信號處理領域中，常見的解決方案是對數據進行壓縮，包含有損壓縮和無損壓縮，無論哪一種數據壓縮方法，本質上都是基于信號本身具有大量冗余信息。從這個意義而言，Nyquist采樣定理并沒有精確的體現信號所含有的信息量。信號的稀疏性是衡量信號本身存在的非零量的多少，而零元素通�？梢员灰暈闊o用信息，比如對信號進行稀疏變換后，丟棄零元素而保留非零元素，就可以以相對較少的數據量進行反變換重構以獲取全部信息，因
統(tǒng)將目標投影至數字微鏡器件(DMD)上，DMD是一種可以實現“0”、“1”二值編碼功能的空間光調制器，反射信號聚焦到單元探測器上，經過多次測量獲得重構圖像所需的編碼數據，但是該系統(tǒng)同時存在缺陷，需要在時間上的多次測量，實時性較差，不適于動態(tài)場景[61]。2009年，TingSun等人在單像素系統(tǒng)上增加了分光器件，由單點探測變?yōu)榫�列探測，增加了光譜信息，實現了光譜成像系統(tǒng)（CHSI）[62]。2013年，YitzhakAugust提出CHSISS系統(tǒng)[63]，實現了對場景信息進行空間信息和光譜信息同時壓縮測量，更是將壓縮感知理論加以充分利用，圖1.1.2給出了從單像素成像系統(tǒng)到空間-譜間同時壓縮的光譜成像系統(tǒng)的發(fā)展示意圖。圖1.1.2基于壓縮感知的成像系統(tǒng)發(fā)展（a）單像素系統(tǒng)[61](b)線列探測成像系統(tǒng)[62](c)空-譜壓縮成像系統(tǒng)[63]Figure1.1.2Developmentofimagingsystembasedoncompressedsensing(a)Single-pixelImager(SI)(b)CompressiveSensingHyperspectralImager(CHSI)(c)CompressiveSensingHyperspectralImagerinBothSpatialAndSpectra（CHSISS）如圖1.1.3所示，分別給出了CHSI和CHSISS的在低采樣率條件下成像結果，從圖中可以看出，兩者都得到了比較好的恢復結果，包括空間信息和光譜信息，這充分體現出了壓縮感知理論的優(yōu)勢。但是必須指出的是圖像等信息的恢復離實際應用需求還是具有比較大的差距的，這也是壓縮感知理論在實際應用中所面臨的共同問題。(a)(b)(c)
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于全變分正則項的CASSI數據重構算法[J]. 王業(yè)超,陳曉麗,鐘曉明,趙海博,張麗莎,蘇云. 航天返回與遙感. 2020(01)
[2]電子式多狹縫組合編碼高光譜成像系統(tǒng)[J]. 劉世界,李春來,徐睿,唐國良,王建宇. 光學學報. 2020(01)
[3]“高分五號”衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機的研制[J]. 劉銀年. 航天返回與遙感. 2018(03)
[4]連續(xù)推掃計算光譜成像技術[J]. 相里斌,呂群波,劉揚陽,孫建穎,王建威,姚濤,裴琳琳,李偉艷. 光譜學與光譜分析. 2018(04)
[5]一種基于壓縮感知理論的LCTF光譜超分辨方法[J]. 汪琪,馬靈玲,李傳榮,周勇勝,唐伶俐. 北京理工大學學報. 2018(01)
[6]多幀圖像編碼孔徑光譜成像技術[J]. 劉世界,張旭東,張月,李春來,王建宇. 紅外與毫米波學報. 2017(06)
[7]基于壓縮感知的偏振光成像技術研究[J]. 王朋,榮志斌,何俊華,呂沛. 紅外與激光工程. 2016(02)
[8]基于DMD的高動態(tài)范圍場景成像技術[J]. 何舒文,王延杰,孫宏海,張雷,吳培. 光子學報. 2015(08)
[9]壓縮感知綜述[J]. 尹宏鵬,劉兆棟,柴毅,焦緒國. 控制與決策. 2013(10)
[10]稀疏優(yōu)化算法綜述[J]. 于春梅. 計算機工程與應用. 2014(11)
博士論文
[1]基于壓縮感知理論的水下成像技術和圖像壓縮編碼技術研究[D]. 呂沛.中國科學院研究生院(西安光學精密機械研究所) 2012
碩士論文
[1]基于自適應壓縮感知的圖像處理算法研究[D]. 許雪.北京理工大學 2016
本文編號：3426250
【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)上海市
【文章頁數】：121 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
1ORRIS系（a）ORRIS系統(tǒng)的示意圖（b）行方向
第1章引言3圖1.1.1ORRIS系統(tǒng)原理示意圖[35]（a）ORRIS系統(tǒng)的示意圖（b）行方向與波段方向之間具有角度θ（c）子圖像的復制和過濾處理以及每個波段的光譜圖像的重新映射Figure1.1.1PrincipleofORRISsystem[35](a)SchematicoftheORRISsystem(b)Thereisanangleθbetweentherowdirectionandwavebanddirection(c)Replicatingandfilteringprocessingofsubimages,andtheremappingofspectralimagesateachband隨著信息處理理論和新型光電器件的發(fā)展，更多的新型光譜成像系統(tǒng)也逐漸被提出，其中計算光譜成像技術在充分挖掘數字信號更本質特點的基礎上，基于新型的數學模型可以實現更高效的信息獲齲1.1.2計算光譜成像技術發(fā)展計算機的飛速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的模擬信號處理轉向數字信號處理，數字信號的處理方式為實際應用帶來了極大的方便。由模擬信號到數字信號需要經過合理的采樣才能保持對完整信息的保持，Nyquist采樣定理規(guī)定了對信號采樣率的理論下限，指出采樣頻率需要高于信號包含最高頻率的兩倍，才能由采樣信號準確重建原始信號而不丟失任何信息[36]。另一方面，對于很多領域的實際應用，信號本身的帶寬就比較巨大，而隨著各方面技術的飛速發(fā)展，對信號的傳輸速度、計算速度和存儲空間等的要求也變得愈來愈高。一般的，在信號處理領域中，常見的解決方案是對數據進行壓縮，包含有損壓縮和無損壓縮，無論哪一種數據壓縮方法，本質上都是基于信號本身具有大量冗余信息。從這個意義而言，Nyquist采樣定理并沒有精確的體現信號所含有的信息量。信號的稀疏性是衡量信號本身存在的非零量的多少，而零元素通�？梢员灰暈闊o用信息，比如對信號進行稀疏變換后，丟棄零元素而保留非零元素，就可以以相對較少的數據量進行反變換重構以獲取全部信息，因
統(tǒng)將目標投影至數字微鏡器件(DMD)上，DMD是一種可以實現“0”、“1”二值編碼功能的空間光調制器，反射信號聚焦到單元探測器上，經過多次測量獲得重構圖像所需的編碼數據，但是該系統(tǒng)同時存在缺陷，需要在時間上的多次測量，實時性較差，不適于動態(tài)場景[61]。2009年，TingSun等人在單像素系統(tǒng)上增加了分光器件，由單點探測變?yōu)榫�列探測，增加了光譜信息，實現了光譜成像系統(tǒng)（CHSI）[62]。2013年，YitzhakAugust提出CHSISS系統(tǒng)[63]，實現了對場景信息進行空間信息和光譜信息同時壓縮測量，更是將壓縮感知理論加以充分利用，圖1.1.2給出了從單像素成像系統(tǒng)到空間-譜間同時壓縮的光譜成像系統(tǒng)的發(fā)展示意圖。圖1.1.2基于壓縮感知的成像系統(tǒng)發(fā)展（a）單像素系統(tǒng)[61](b)線列探測成像系統(tǒng)[62](c)空-譜壓縮成像系統(tǒng)[63]Figure1.1.2Developmentofimagingsystembasedoncompressedsensing(a)Single-pixelImager(SI)(b)CompressiveSensingHyperspectralImager(CHSI)(c)CompressiveSensingHyperspectralImagerinBothSpatialAndSpectra（CHSISS）如圖1.1.3所示，分別給出了CHSI和CHSISS的在低采樣率條件下成像結果，從圖中可以看出，兩者都得到了比較好的恢復結果，包括空間信息和光譜信息，這充分體現出了壓縮感知理論的優(yōu)勢。但是必須指出的是圖像等信息的恢復離實際應用需求還是具有比較大的差距的，這也是壓縮感知理論在實際應用中所面臨的共同問題。(a)(b)(c)
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于全變分正則項的CASSI數據重構算法[J]. 王業(yè)超,陳曉麗,鐘曉明,趙海博,張麗莎,蘇云. 航天返回與遙感. 2020(01)
[2]電子式多狹縫組合編碼高光譜成像系統(tǒng)[J]. 劉世界,李春來,徐睿,唐國良,王建宇. 光學學報. 2020(01)
[3]“高分五號”衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機的研制[J]. 劉銀年. 航天返回與遙感. 2018(03)
[4]連續(xù)推掃計算光譜成像技術[J]. 相里斌,呂群波,劉揚陽,孫建穎,王建威,姚濤,裴琳琳,李偉艷. 光譜學與光譜分析. 2018(04)
[5]一種基于壓縮感知理論的LCTF光譜超分辨方法[J]. 汪琪,馬靈玲,李傳榮,周勇勝,唐伶俐. 北京理工大學學報. 2018(01)
[6]多幀圖像編碼孔徑光譜成像技術[J]. 劉世界,張旭東,張月,李春來,王建宇. 紅外與毫米波學報. 2017(06)
[7]基于壓縮感知的偏振光成像技術研究[J]. 王朋,榮志斌,何俊華,呂沛. 紅外與激光工程. 2016(02)
[8]基于DMD的高動態(tài)范圍場景成像技術[J]. 何舒文,王延杰,孫宏海,張雷,吳培. 光子學報. 2015(08)
[9]壓縮感知綜述[J]. 尹宏鵬,劉兆棟,柴毅,焦緒國. 控制與決策. 2013(10)
[10]稀疏優(yōu)化算法綜述[J]. 于春梅. 計算機工程與應用. 2014(11)
博士論文
[1]基于壓縮感知理論的水下成像技術和圖像壓縮編碼技術研究[D]. 呂沛.中國科學院研究生院(西安光學精密機械研究所) 2012
碩士論文
[1]基于自適應壓縮感知的圖像處理算法研究[D]. 許雪.北京理工大學 2016
本文編號：3426250
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