專(zhuān)利名稱(chēng)：基于壓縮感知的cmos成像測(cè)量值獲取系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及壓縮成像領(lǐng)域的CMOS成像測(cè)量值獲取系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
壓縮感知(compressive sensing，CS)是近幾年提出的新研究領(lǐng)域，它以信號(hào)的稀疏表示和逼近理論為基礎(chǔ)，充分利用了信號(hào)結(jié)構(gòu)的稀疏特性，通過(guò)低維空間、欠奈奎斯特采樣數(shù)據(jù)的非相關(guān)測(cè)量實(shí)現(xiàn)高維稀疏信號(hào)的感知。它突破了奈奎斯特采樣定理的限制，將信號(hào)采樣和壓縮同時(shí)進(jìn)行，使得低采樣高分辨率信號(hào)重構(gòu)成為可能。壓縮傳感理論帶來(lái)了信號(hào)采集理論的變革，在壓縮成像、模擬信息轉(zhuǎn)換、醫(yī)學(xué)圖像處理、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和生物傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于壓縮感知的成像系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。2006年Rice大學(xué)的 Baraniuk等提出并實(shí)現(xiàn)了一種單像素壓縮感知成像系統(tǒng)，利用數(shù)字微鏡裝置(Digital Micromirror Device, DMD)完成圖像在隨機(jī)二值模型上線性投影的光學(xué)計(jì)算，DMD的一次翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)一次測(cè)量，并由單像素探測(cè)器記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。該成像系統(tǒng)為低像素相機(jī)拍攝高質(zhì)量圖像提供了可能，但它需要時(shí)序上的多次測(cè)量才能采集到圖像重構(gòu)所需的足夠數(shù)據(jù)，無(wú)法應(yīng)用在實(shí)時(shí)場(chǎng)合。MIT的R. Fergus等提出一種使用“隨機(jī)鏡頭”的相機(jī)，該相機(jī)將鏡頭用隨機(jī)反射鏡面替代。由于隨機(jī)反射鏡面是以一種不受控的方式制作的，故使用前要對(duì)相機(jī)校準(zhǔn)，即得到觀測(cè)矩陣。該相機(jī)具有超分辨率和深度估計(jì)的能力，但是對(duì)相機(jī)的校準(zhǔn)比較耗時(shí)且復(fù)雜。Duke大學(xué)的COMP-I小組提出采用多孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)更薄的相機(jī)，系統(tǒng)使用孔徑成像及金屬掩膜達(dá)到焦平面編碼的目的，最后使用壓縮感知的重構(gòu)算法得到重構(gòu)圖像。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。2008年R. Robucci等人提出了基于壓縮感知的CMOS圖像傳感器， 在A/D轉(zhuǎn)換之前應(yīng)用壓縮感知理論對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行壓縮計(jì)算，從而能以較低的功耗獲得較高的圖像分辨率。該方法首先將圖像分成不重疊的塊，然后應(yīng)用壓縮感知理論對(duì)每一圖像塊的模擬像素矩陣進(jìn)行壓縮計(jì)算。該方法的缺點(diǎn)在于對(duì)系統(tǒng)需要做大量的修改，需要模擬寄存器來(lái)存儲(chǔ)隨機(jī)矩陣和其他的附加系統(tǒng)，功耗較大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。2009年L. Jacques等人提出基于隨機(jī)卷積的CMOS壓縮成像方法，它通過(guò)對(duì)移位寄存器的控制來(lái)對(duì)光電轉(zhuǎn)換得到的模擬信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)卷積計(jì)算，達(dá)到對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行壓縮的目的。該方法與R. Robucci等人提出的方法相比，具有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，抗噪性能良好和非線性等優(yōu)點(diǎn)，但它利用移位寄存器產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，并在每一像素中放置一個(gè)一位的存儲(chǔ)單元，這樣需要額外的工藝流程，并且該方法在獲取測(cè)量值時(shí)要進(jìn)行較多次的移位操作，從而降低了圖像獲取效率，功耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種新的基于壓縮感知的CMOS成像測(cè)量值獲取系統(tǒng)及其方法，該方法以壓縮感知理論為基礎(chǔ)，引入了并行處理的理念，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換前的模擬像素矩陣以列為單位進(jìn)行壓縮計(jì)算，并行獲取多個(gè)測(cè)量值，從而獲得較高的圖像分辨CN 102186025 A
說(shuō)明書(shū)
2/4頁(yè)率。
本發(fā)明提出一種基于壓縮感知的CMOS成像測(cè)量值獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用CMOS圖像傳感器向本系統(tǒng)提供模擬像素矩陣，其特征在于，該系統(tǒng)包括線性反饋移位寄存器、移位寄存器、行選擇器、多路選擇器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中 線性反饋移位寄存器，用于產(chǎn)生作為系統(tǒng)輸入的偽隨機(jī)序列； 移位寄存器，用于將產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列壓入其中，經(jīng)過(guò)N個(gè)周期后在移位寄存器中產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列，在該時(shí)刻使移位寄存器的控制信號(hào)有效，將該長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列并行的轉(zhuǎn)存至行選擇器； 行選擇器，用于存儲(chǔ)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列，并且具有乘法器功能，并行地實(shí)現(xiàn) CMOS圖像傳感器提供的模擬像素矩陣每一列與長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列的相乘計(jì)算，獲得模擬像素矩陣的各列測(cè)量值，； 多路選擇器，用于依次選擇輸出各列測(cè)量值； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將上述選擇輸出的各列測(cè)量值經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后依次輸出測(cè)量結(jié)果。
本發(fā)明還提出了一種基于壓縮感知的CMOS成像測(cè)量值獲取方法，該方法包括以下步驟 步驟1 初始化操作，即產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為MxN的偽隨機(jī)的0-1序列，設(shè)置執(zhí)行標(biāo)記 S Js = 1 ； 步驟2 將產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列壓入移位寄存器中，經(jīng)過(guò)N個(gè)周期后在移位寄存器中產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列； 步驟3 將長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列轉(zhuǎn)存到行選擇器中； 步驟4 利用行選擇器實(shí)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的模擬像素矩陣每一列分別與長(zhǎng)度為 N的隨機(jī)向量序列的行向量相乘；在同一時(shí)間內(nèi)各列并行運(yùn)算，每一列中被選擇的模擬像素的電壓或電流值通過(guò)累加器進(jìn)行相加得到一個(gè)觀測(cè)值，從而可并行獲取N列像素的N個(gè)測(cè)量值； 步驟5 輸出每一列的測(cè)量值。通過(guò)多路選擇器依次選擇各列，N列中各列的測(cè)量值經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊A/D后依次輸出。并令執(zhí)行標(biāo)記S = S+1 ； 步驟6 設(shè)置循環(huán)次數(shù)M，如果S <= M，取下一個(gè)隨機(jī)行向量，否則轉(zhuǎn)入步驟7 ；如果S < = M，轉(zhuǎn)入步驟2重新開(kāi)始執(zhí)行，此時(shí)移位寄存器中的值已經(jīng)移動(dòng)了 N位，在線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的序列中取第二個(gè)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)序列，并轉(zhuǎn)存到行選擇器中，獲取下一組測(cè)量值所需要的隨機(jī)向量。這里的M即需要測(cè)量的觀測(cè)值的個(gè)數(shù)，一般取N/4到N/2。
步驟7 結(jié)束整個(gè)流程，依據(jù)上述步驟，經(jīng)過(guò)M次循環(huán)后，獲得了最終的MXN個(gè)測(cè)量值； 步驟8，將上述選擇輸出的各列測(cè)量值經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后依次輸出測(cè)量結(jié)果。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于壓縮感知的CMOS成像測(cè)量值獲取系統(tǒng)，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅具有采用壓縮感知成像系統(tǒng)的通用性、加密性、魯棒性和可伸縮性等特征，而且相比于采用隨機(jī)卷積的CMOS成像系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)可以縮短測(cè)量值的獲取時(shí)間，有效降低傳感器功耗，并且相比于其它采用壓縮感知的成像系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用并行處理的思想有效縮短了測(cè)量值的獲取時(shí)間，大大降低了 CMOS圖像傳感器的功耗。


圖1為本發(fā)明的基于壓縮感知的CMOS成像測(cè)量值獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的獲取測(cè)量值的流程。
具體實(shí)施例方式圖1是本發(fā)明的基于壓縮感知的CMOS成像測(cè)量值獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，通過(guò)CMOS 圖像感知傳感器，用于向本系統(tǒng)提供模擬像素矩陣，該系統(tǒng)包括 線性反饋移位寄存器LFSR，用于產(chǎn)生作為系統(tǒng)輸入的產(chǎn)生偽隨機(jī)序列； 移位寄存器，用于將產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列壓入其中，經(jīng)過(guò)N個(gè)周期后在移位寄存器中產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列，并將該長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列轉(zhuǎn)存至行選擇器； 行選擇器，用于存儲(chǔ)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列，并且作為乘法器，并行地實(shí)現(xiàn)CMOS 圖像傳感器提供的模擬像素矩陣每一列與長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列的相乘計(jì)算，得到模擬像素矩陣的各列測(cè)量值； 多路選擇器，用于依次選擇輸出上述各列測(cè)量值； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，用于將上述選擇輸出的各列測(cè)量值經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后依次輸出成像結(jié)果。
對(duì)于CMOS圖像傳感器A/D轉(zhuǎn)換前NXN的模擬像素矩陣，如果把該矩陣表示為長(zhǎng)度為N2的一維列向量，則公式y(tǒng)= Φχ = ΦΨ8中的Φ為KXN2維的隨機(jī)測(cè)量矩陣，y表示K(K << N2)維測(cè)量值，一般在K = N2/P(l時(shí)可以較大的概率精確恢復(fù)原始圖像。
為了加快壓縮采樣速度，本文以列為單位對(duì)Ν2個(gè)像素進(jìn)行并行壓縮采樣，采樣時(shí)將每一列的N個(gè)像素作為一個(gè)單位，對(duì)N列進(jìn)行并行處理，即對(duì)于每一個(gè)隨機(jī)向量，在壓縮采樣時(shí)N列都同時(shí)乘以該隨機(jī)向量，一次就可得到N個(gè)測(cè)量值，取M個(gè)隨機(jī)向量則可得到 MXN個(gè)測(cè)量值。該過(guò)程可表示為
=Φ2 Φ ]τ[χ1, X2L χΝ] = Ly1, y2L yN] 用矩陣的形式可表示為 Ymxn = ΦΜΧΝΧΝΧΝ
(1)
少11ynΛ"Φπφ12ΛX11 X12ΛΧΙΝynΛy!NΦ21φ22ΛX21 X22ΛΧ2ΝMMOMMMOMM MOMyMiyMiΛy Mn __ Μ1 Μ2Λ_ΧΝΙ ΧΝ2ΛΧΝΝ ^^^
“ ^ ^ " ^ “ (2) 其中，)(ΝΧΝ=[Χι, χ2 AxJ 表示 NXN 維的模擬像素矩陣，xi (i = 1,2,3,... ,N)為 X的N維列向量。Ymxn = [yi; Y2L yN]為測(cè)量值矩陣，yi (i = 1，2，3，...，N)為Y的M維列向量。ΦΜΧΝ= [Φ1 Φ2ΛΦΜ]Τ為隨機(jī)測(cè)量矩陣，Φ」 · = 1,2,3, ... ,Μ)為Φ的行向量。
從式(1)和式( 可以看出，在進(jìn)行壓縮采樣時(shí)，對(duì)于每一個(gè)隨機(jī)測(cè)量行向量Φ」， 通過(guò)與X中每一個(gè)列向量Xi相乘得到N個(gè)測(cè)量值，將這些測(cè)量值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到最終的輸出值。對(duì)于M << N個(gè)隨機(jī)測(cè)量行向量，總共可得到MXN個(gè)測(cè)量值，這里取M = N/P，那么該方法重構(gòu)圖像所需要的測(cè)量值的個(gè)數(shù)K = MXN = N2/P。但由于采用了并行計(jì)算的理念，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，每一個(gè)Φ」與N個(gè)列向量\的相乘可以并行進(jìn)行，從而大大加快了計(jì)算速度。
如圖2所示，本發(fā)明的基于壓縮感知的CMOS成像測(cè)量值獲取方法，其實(shí)現(xiàn)步驟如下 步驟1 初始化。利用LFSR，根據(jù)種子產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為MxN的偽隨機(jī)的0_1序列， 令S = 1。
步驟2 取隨機(jī)向量。將產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列壓入移位寄存器中，經(jīng)過(guò)N個(gè)周期后在移位寄存器中產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量。
步驟3 轉(zhuǎn)存。在控制信號(hào)作用下，將長(zhǎng)度為N的序列轉(zhuǎn)存到行選擇器中。這個(gè)長(zhǎng)度為N的序列即為CMOS圖像傳感器的模擬像素矩陣每一列所要乘的隨機(jī)測(cè)量矩陣的行向量。
步驟4 并行壓縮感知。這里利用行選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)乘法器的功能，其中行選信號(hào) SEL值為1表示該行像素被選擇，值為0表示該行像素不被選擇。在同一時(shí)間內(nèi)各列并行運(yùn)算，每一列中被選擇的模擬像素的電壓或電流值通過(guò)累加器進(jìn)行相加得到一個(gè)觀測(cè)值，從而可并行獲取N列像素的N個(gè)測(cè)量值。
步驟5 輸出每一列的測(cè)量值。通過(guò)多路選擇器依次選擇各列，N列中各列的測(cè)量值經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊A/D后依次輸出。并令S = S+1 ； 步驟6 如果S <=M，取下一個(gè)隨機(jī)行向量，否則轉(zhuǎn)入步驟7。如果S<=M，轉(zhuǎn)入步驟2重新開(kāi)始執(zhí)行，此時(shí)移位寄存器中的值已經(jīng)移動(dòng)了 N位，在LFSR產(chǎn)生的序列中取第二個(gè)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)序列，并轉(zhuǎn)存到行選擇器中，獲取下一組測(cè)量值所需要的隨機(jī)向量。
步驟7 結(jié)束整個(gè)流程。依據(jù)上述步驟，經(jīng)過(guò)M次循環(huán)后，獲得了最終的MXN各測(cè)量值。
權(quán)利要求
1.一種基于壓縮感知的CMOS成像測(cè)量值獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用CMOS圖像傳感器向本系統(tǒng)提供模擬像素矩陣，其特征在于，該系統(tǒng)包括線性反饋移位寄存器、移位寄存器、行選擇器、多路選擇器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中線性反饋移位寄存器，用于產(chǎn)生作為系統(tǒng)輸入的偽隨機(jī)序列； 移位寄存器，用于將產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列壓入其中，經(jīng)過(guò)N個(gè)周期后在移位寄存器中產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列，在該時(shí)刻使移位寄存器的控制信號(hào)有效，將該長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列并行的轉(zhuǎn)存至行選擇器；行選擇器，用于存儲(chǔ)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列，并且具有乘法器功能，并行地實(shí)現(xiàn)CMOS 圖像傳感器提供的模擬像素矩陣每一列與長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列的相乘計(jì)算，獲得模擬像素矩陣的各列測(cè)量值，；多路選擇器，用于依次選擇輸出各列測(cè)量值；模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將上述選擇輸出的各列測(cè)量值經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后依次輸出測(cè)量結(jié)果
2.一種基于壓縮感知的CMOS成像測(cè)量值獲取方法，該方法包括以下步驟步驟(1)初始化操作，即產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為MxN的偽隨機(jī)的0-1序列，設(shè)置執(zhí)行標(biāo)記S， 令S = 1 ；步驟O)將產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列壓入移位寄存器中，經(jīng)過(guò)N個(gè)周期后在移位寄存器中產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列；步驟(3)將長(zhǎng)度為N的隨機(jī)向量序列轉(zhuǎn)存到行選擇器中；步驟(4)利用行選擇器實(shí)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的模擬像素矩陣每一列分別與長(zhǎng)度為N 的隨機(jī)向量序列的行向量相乘；在同一時(shí)間內(nèi)各列并行運(yùn)算，每一列中被選擇的模擬像素的電壓或電流值通過(guò)累加器進(jìn)行相加得到一個(gè)觀測(cè)值，從而可并行獲取N列像素的N個(gè)測(cè)量值；步驟(5)輸出每一列的測(cè)量值；通過(guò)多路選擇器依次選擇各列，N列中各列的測(cè)量值經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊A/D后依次輸出；并令執(zhí)行標(biāo)記S = S+1 ；步驟(6)設(shè)置循環(huán)次數(shù)M，如果S <=M，取下一個(gè)隨機(jī)行向量，否則轉(zhuǎn)入步驟7;如果 S < = M，轉(zhuǎn)入步驟2重新開(kāi)始執(zhí)行，此時(shí)移位寄存器中的值已經(jīng)移動(dòng)了 N位，在線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的序列中取第二個(gè)長(zhǎng)度為N的隨機(jī)序列，并轉(zhuǎn)存到行選擇器中，獲取下一組測(cè)量值所需要的隨機(jī)向量；步驟(7)結(jié)束整個(gè)流程，依據(jù)上述步驟，經(jīng)過(guò)M次循環(huán)后，獲得了最終的MXN個(gè)測(cè)量值；步驟(8)，將上述選擇輸出的各列測(cè)量值經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后依次輸出測(cè)量結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于壓縮感知的CMOS成像測(cè)量值獲取系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)利用CMOS圖像感知傳感器向本系統(tǒng)提供模擬像素矩陣，其特征在于，該系統(tǒng)包括線性反饋移位寄存器、移位寄存器、行選擇器、多路選擇器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；與現(xiàn)有技術(shù)相比，不僅具有采用壓縮感知成像系統(tǒng)的通用性、加密性、魯棒性和可伸縮性等特征，而且相比于采用隨機(jī)卷積的CMOS成像系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)可以縮短測(cè)量值的獲取時(shí)間，有效降低傳感器功耗，并且相比于其它采用壓縮感知的成像系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用并行處理的思想有效縮短了測(cè)量值的獲取時(shí)間，大大降低了CMOS圖像傳感器的功耗。
文檔編號(hào)H04N5/374GK102186025SQ20111005647
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者張淑芳, 瞿廣財(cái), 徐江濤, 李凱 申請(qǐng)人:天津大學(xué)