基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及計算攝像學中的壓縮鬼成像技術領域，特別涉及一種基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]近年來，計算攝像學已經(jīng)成為交叉視覺、圖形學、攝像學、信號處理等領域的國際前沿熱點研宄，如何充分利用計算方法不斷提升新的成像設備引起了廣泛的關注。鬼成像為光照條件復雜、噪聲嚴重的環(huán)境中的成像提供了一種新的靈活的成像方法，充分的利用計算攝像學的手段提升這種成像的性能具有十分重要的意義。
[0003]鬼成像技術的發(fā)展大體經(jīng)過三個主要的階段，有其對應的光學成像裝置雛形:Bennink et.al在2002年首先提出的鬼成像技術，這種成像技術是一種基于量子強度波動關聯(lián)理論的雙光子關聯(lián)成像技術，這種成像技術利用兩路光路采集到的信息的關聯(lián)耦合，實現(xiàn)了利用非空間解析的探測器對場景的采集和重構，這種初期的鬼成像裝置也被成為量子鬼成像；Gatti et.al等人在2004年提出這種成像方法的理論基礎不僅僅局限于量子光學理論，經(jīng)典光學理論也同樣適用。他們提出在量子鬼成像裝置中利用偽熱光源取代量子光源，成功的實現(xiàn)了與量子光源效果近似的關聯(lián)成像技術，這是鬼成像發(fā)展的第二個階段，經(jīng)典鬼成像；為了進一步提升鬼成像技術的應用潛力，2009年，J.Shapiro et.al等人提出取代參考光路上的高分辨率成像，利用能夠記憶和存儲照明模式的空間光調(diào)制器來完成的鬼成像技術，即:計算鬼成像。在計算鬼成像中，單像素采集裝置非常靈活，易于在不同的采集維度得到擴展，比如三維鬼成像時在空間方位角維度的拓展，而多譜段鬼成像是對鬼成像在譜段維度的擴展。
[0004]理論上，鬼成像技術是基于區(qū)別于傳統(tǒng)光學理論的關聯(lián)光學理論。傳統(tǒng)光學是直接對光場強度的分布進行觀察和測量，關聯(lián)光學則是對光場的強度的關聯(lián)測量和觀察?，F(xiàn)有的成像技術主要利用的是光場的一階關聯(lián)信息(強度與位相)，而‘鬼’成像主要利用光場的二階關聯(lián)信息，從本質(zhì)上來說，二階關聯(lián)是一種強度波動的統(tǒng)計相關的測量。這種統(tǒng)計相關測量能夠極大程度的減少由于光路傳輸過程中光學環(huán)境擾動引入的噪聲，為鬼成像裝置在光學條件復雜和噪聲嚴重等光學環(huán)境中的成像提供了理論依據(jù)，比如遙感鬼成像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的旨在至少解決上述的技術缺陷之一。
[0006]為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構方法。該方法有效的降低了壓縮鬼成像技術所需要的采集次數(shù)，并提升了壓縮鬼成像重構圖像的質(zhì)量。
[0007]本發(fā)明的另一個目的在于提出一種基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構系統(tǒng)。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面的實施例公開了一種基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構方法，包括以下步驟:從自然圖像數(shù)據(jù)庫的每一個自然圖像上提取多個圖像塊；通過所述多個圖像塊學習自然圖像的過完備表達字典基，使得自然圖像塊在所述過完備表達字典基上的投影系數(shù)具有稀疏的特性；根據(jù)所述過完備表達字典基、圖像塊和自然圖像之間的關聯(lián)關系，對鬼成像的壓縮感知的重構算法進行重新建模，并對圖像全局在梯度域或二維離散余弦變換下的稀疏性、局部圖像塊在所述過完備表達字典基下的稀疏性進行約束，從而實現(xiàn)對自然圖像的重構。
[0009]根據(jù)本發(fā)明實施例的基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構方法，分析自然場景圖像塊的冗余性和相似性，利用稀疏編碼技術學習具有稀疏投影系數(shù)的過完備的詞典，在基于壓縮感知理論的鬼成像重構算法框架下引入圖像局部的過完備表達基并約束圖像塊在該表達基下的稀疏性完成鬼成像的重新建模，從而提升了再同樣采集次數(shù)下鬼成像重構圖像的重構效果。本發(fā)明的實施例利用自然圖像的局部的先驗信息，并結(jié)合基于壓縮感知理論的鬼成像技術的重構算法，實現(xiàn)鬼成像技術的高效和高質(zhì)量的重構。
[0010]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構方法還可以具有如下附加的技術特征:
[0011]在一些示例中，所述從自然圖像數(shù)據(jù)庫的每一個自然圖像上提取多個圖像塊，進一步包括:根據(jù)稀疏編碼算法，從自然圖像數(shù)據(jù)庫的每一個自然圖像上多個隨機的位置提取圖像塊。
[0012]在一些示例中，所述過完備表達字典基來源分析，包括:通過稀疏編碼訓練學習得到自然場景的基元結(jié)構基的集合，所述基元結(jié)構基的集合是過完備的并能夠普適的稀疏的表達自然場景的塊圖像。
[0013]在一些示例中，還包括:根據(jù)自然場景的先驗信息，訓練所述過完備表達字典基。
[0014]在一些示例中，所述先驗信息包括自然場景的類別。
[0015]本發(fā)明第二方面的實施例公開了一種基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構系統(tǒng)，包括:提取模塊，用于從自然圖像數(shù)據(jù)庫的每一個自然圖像上提取多個圖像塊；訓練模塊，用于通過所述多個圖像塊學習自然圖像的過完備表達字典基，使得自然圖像塊在所述過完備表達字典基上的投影系數(shù)具有稀疏的特性；重構模塊，用于根據(jù)所述過完備表達字典基、圖像塊和自然圖像之間的關聯(lián)關系，對鬼成像的壓縮感知的重構算法進行重新建模，并對圖像全局在梯度域或二維離散余弦變換下的稀疏性、局部圖像塊在所述過完備表達字典基下的稀疏性進行約束，從而實現(xiàn)對自然圖像的重構。
[0016]根據(jù)本發(fā)明實施例的基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構系統(tǒng)，分析自然場景圖像塊的冗余性和相似性，利用稀疏編碼技術學習具有稀疏投影系數(shù)的過完備的詞典，在基于壓縮感知理論的鬼成像重構算法框架下引入圖像局部的過完備表達基并約束圖像塊在該表達基下的稀疏性完成鬼成像的重新建模，從而提升了再同樣采集次數(shù)下鬼成像重構圖像的重構效果。本發(fā)明的實施例利用自然圖像的局部的先驗信息，并結(jié)合基于壓縮感知理論的鬼成像技術的重構算法，實現(xiàn)鬼成像技術的高效和高質(zhì)量的重構。
[0017]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術特征:
[0018]在一些示例中，所述提取模塊用于:根據(jù)稀疏編碼算法，從自然圖像數(shù)據(jù)庫的每一個自然圖像上多個隨機的位置提取圖像塊。
[0019]在一些示例中，所述過完備表達字典基來源分析，包括:通過稀疏編碼訓練學習得到自然場景的基元結(jié)構基的集合，所述基元結(jié)構基的集合是過完備的并能夠普適的稀疏的表達自然場景的塊圖像。
[0020]在一些示例中，所述訓練模塊用于:根據(jù)自然場景的先驗信息，訓練所述過完備表達字典基。
[0021 ] 在一些示例中，所述先驗信息包括自然場景的類別。
[0022]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0023]本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中，
[0024]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構方法的流程圖；
[0025]圖2是本發(fā)明實施例的自然圖像塊數(shù)據(jù)的提取示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明實施例的自然場景圖像的過完備表達字典基示意圖；
[0027]圖4是本發(fā)明實施例的圖像塊和圖像整體的關系映射圖；
[0028]圖5是本發(fā)明實施例的自然圖像在過完備表達字典基下的稀疏表達示意圖；以及
[0029]圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構系統(tǒng)的結(jié)構框圖。
【具體實施方式】
[0030]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0031]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0032]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。
[0033]以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構方法及系統(tǒng)。
[0034]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構方法的流程圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于自然圖像塊先驗驅(qū)動的壓縮鬼成像重構方法，包括如下步驟:
[0035]SlOl:從自然圖像數(shù)據(jù)庫的每一個自然圖像上提取多個圖像塊。
[0036]在本發(fā)明的一個實施例中，可以根據(jù)稀疏編碼算法，從自然圖像數(shù)據(jù)庫的每一個自然圖像上多個隨機的位置提取圖像塊。例如:對于自然圖像庫中的每一個圖像，通過隨機的方式確定要提取的圖像塊的位置，從該位置截取出圖像中8*8大小的圖像塊。
[0037]具體而言，如圖2所示，自然圖像塊的提取，通過對自然數(shù)據(jù)庫中的每一