基于压缩感知的遥感成像稀疏重构性能分析

压缩感知是一种新型的信息论，打破了传统的Shannon-Nyquist采样定理，能够以少量数据完成信号采样。稀疏重构是压缩感知由理论到实际的关键环节，为了将压缩感知有效地应用于遥感成像领域，研究了稀疏重构对遥感成像过程的影响。针对稀疏重构理论模型，分析了重构误差的成因；同时，针对典型的凸优化类算法和贪婪类算法，利用峰值信噪比指标对遥感图像重构误差进行评价。在仿真实验中，定量考察遥感图像在不同压缩采样率、不同重构算法下的稀疏重构性能。结果表明，稀疏重构算法能够成功重构遥感图像，各算法在不同压缩采样率下均表现出了较好的重构质量，整体上能够满足遥感成像应用，验证了压缩感知稀疏重构方法在遥感成像中应用的可行性。     

图像自适应分块的压缩感知采样算法

目的 在图像压缩感知过程中,不管是整体采样还是固定分块采样,都不能充分利用图像的稀疏性,存在采样率与图像重构质量的矛盾。提出了一种基于图像纹理变化的自适应分块感知采样算法ABCS(adaptive block compressed sensing),再结合JPEG量化思想,在不降低图像重构质量的前提下降低采样率,更大地提高压缩比。方法 首先进行图像预分块,计算分析各块纹理复杂度,当图像块纹理复杂度低于相应阈值,选择最佳采样率对各块观测采样,当图像块纹理复杂度高于相应阈值,需再分块,重复上述步骤,达到最小16×16块时停止分块。当最小块的纹理复杂度高于最大阈值采用JPEG量化编码,其他块选择匹配的采样率,以压缩感知方式压缩。结果 ABCS算法与典型的压缩感知重构算法结合并与其原始算法比较,在相近采样率条件下,图像重构质量提高明显,尤其在低采样率下性能更佳,如20%采样率下重构图像PSNR值达到30 dB左右。结论 提出的自适应的分块采样充分利用图像的稀疏分布,提高压缩感知的效率;高复杂纹理块采用JPEG编码处理,避免了重构质量差的缺点,同时减少了重构时间。     

稀疏度拟合的自适应图像并行压缩感知算法

为了提高图像的重构精度和处理速度,提出一种稀疏度拟合的自适应小波包图像并行压缩感知算法.首先采用小波包对大小相同但不重叠的图像块进行稀疏变换,在最优分解尺度下利用迭代方法确定满足图像重构精度的最低采样率,并采用最小二乘法对采样率进行优化处理;然后结合云计算技术,利用MapReduce框架对算法进行并行化.在实验室构建Java开发环境下的计算机集群,采用标准图像作为样本比较不同算法的压缩率、重构性能和运算时间,结果表明,该算法的重构质量和处理速度均得到显著提升.     

Contourlet域方向子带稀疏表示的图像压缩感知

为了提高压缩感知中图像的稀疏表示性能, 提出了一种Contourlet域方向子带稀疏表示的图像压缩感知算法。将图像Contourlet分解后的多个高频子带根据方向正交特点进行重组, 采用随机高斯矩阵对重组后的子带分别进行测量, 实现压缩采样; 利用正交匹配追踪法重建各子带系数, 并进行Contourlet反变换重构原图像。实验结果表明, 在相同采样率下, 算法重构图像的主观视觉效果和峰值信噪比都优于小波压缩感知算法。     

压缩感知在医学图像压缩中的应用

调研压缩感知的数学理论基础和常用方法,包括稀疏变换、测量矩阵和重构算法,利用Matlab软件实现压缩感知实验,比较几种测量矩阵的性能,提出双阈值分块正交匹配追踪重构算法。根据图像不同区域信息量的不同,采取分块处理的方法并加入采样阈值,针对不同子图像块采取不同采样率,提高采样效率;加入判断阈值,降低重构效果对采样阈值的依赖。实验结果表明,该方法能够以较低的采样率实现较高的重构精度,使压缩感知在医学图像压缩方面得到了较好应用。     

煤矿井下压缩感知图像处理算法

针对煤矿井下无线传感网络因信息传输量大而导致传感节点能量消耗快、设备寿命缩减的问题,提出一种基于小波变换的压缩感知图像处理算法。该算法采用sym8小波基对图像进行稀疏化分块处理,经测量矩阵自适应采样测量,最后通过OMP算法和小波逆变换重构图像。实验结果表明,与传统的压缩感知算法相比,该算法能够以更低的采样率获得高质量的重构图像。     

基于物联网技术的小波域分块压缩感知算法的图像重构系统设计

针对低照明度重构图像分辨率不高、重构时间长的问题,提出了基于小波域分块压缩感知算法的图像重构系统。建立低照明度图像采样模型,采用图像的景深自适应调节方法进行小波域分块压缩感知和信息融合处理。利用多尺度的Retinex算法进行小波域分块压缩感知和信息提取,提取图像的信息熵特征量。采取图像自适应增强方法进行低照度图像增强处理,使用物联网技术进行低照明度图像的三维信息重构,结合细节增强方法进行低照度图像增强处理,完成重构系统设计,实现透射率图的轮廓检测和特征重构。仿真结果表明,采用该方法进行低照明度图像重构的分辨率较高,边缘感知能力较好,且重构耗时较短,实际应用效率较高。     

基于多尺度的自适应采样图像分块压缩感知算法

基于分块的压缩感知算法适用于图像信号的处理,通过平滑迭代阈值投影法可以快速重构图像,但存在低采样率下重构图像质量较差的缺点。基于全变差分的分块压缩感知算法,在一定程度上能提升重构效果,但降低了运算速度。针对以上算法的不足,提出基于多尺度的自适应采样图像分块压缩感知算法。根据小波分解后不同层对重构结果影响所占权重不同的特性,自适应分配给每一层不同的采样率,并在重构时将平滑迭代阈值投影法应用到每一层的每一个子带的分块上。实验结果表明,与传统的迭代阈值投影法相比在重构质量上提高了1~3 d B,在重构速度上与迭代阈值投影法相当并优于全变差分法。     

基于灰度共生矩阵的图像自适应分块压缩感知方法

分块压缩感知的提出很好地弥补了大尺寸图像占用资源多、重构耗时长等不足,但重构后的图像存在明显的块效应。针对现有图像纹理复杂度分析不够准确,导致自适应采样率分配后块效应降低不理想的问题,提出了一种基于灰度共生矩阵的图像自适应分块压缩感知方法。该方法通过共生矩阵分析图像的纹理特性,自适应分配采样率,在总采样率不变的前提下使纹理复杂度高的子块获得较高的采样率,纹理复杂度低的子块获得较低的采样率,并用SAMP(Sparsity Adaptive Matching Pursuit)算法实现重构。仿真结果显示,所提方法能够有效地解决块效应问题,尤其对于局部图像而言,重构图像的画质得到了明显改善。     

空间频率与方向特征相结合的自适应采样压缩感知算法

在分块压缩感知采样过程中,为根据图像块特征更合理的分配采样率,提出一种基于纹理特征的图像分块自适应采样压缩感知算法.首先使用空间频率提取图像块纹理信息;其次根据纹理信息将图像块分为平滑块或纹理块,并确定各块的基础采样率;再使用基础采样率对平滑块采样,在基础采样率的基础上结合小波域系数统计特征调整纹理块子带系数采样率;最后使用平滑投影Landweber重建图像.实验结果证明,与已有的图像分块压缩感知算法相比,当压缩率适中时,无论是视觉效果还是客观指标方面,该算法均能明显地提高图像信号重建质量.     

基于深度先验及非局部相似性的压缩感知核磁共振成像

针对现有压缩感知核磁共振成像（CSMRI）算法在低采样率下重构质量低的问题,提出一种融合深度先验及非局部相似性的成像方法。首先,利用深度去噪器和块匹配三维滤波（BM3D）去噪器构建能够融合多种图像先验知识的稀疏表示模型;其次,将该模型作为正则化项,利用高度欠采样的k空间数据构建压缩感知核磁共振成像优化模型;最后,利用交替优化方法求解构建的优化问题。所提出的算法不仅能够通过深度去噪器利用深度先验,还能够通过BM3D去噪器利用图像的非局部相似性来进行图像重建。实验结果表明,与基于BM3D的重建算法相比,该算法在采样率为0.02、0.06、0.09及0.13情况下重构的平均峰值信噪比高出约1 dB;此外,从视觉角度,与现有的基于小波树稀疏性的核磁共振成像算法WaTMRI、基于字典学习的核磁共振成像算法DLMRI、基于字典更新及块匹配和三维滤波的核磁共振成像算法DUMRI-BM3D等相比,所提算法重构的图像包含大量纹理信息,与原始图像最接近。     

基于深度先验及非局部相似性的压缩感知核磁共振成像

针对现有压缩感知核磁共振成像（CSMRI）算法在低采样率下重构质量低的问题，提出一种融合深度先验及非局部相似性的成像方法。首先，利用深度去噪器和块匹配三维滤波（BM3D）去噪器构建能够融合多种图像先验知识的稀疏表示模型；其次，将该模型作为正则化项，利用高度欠采样的k空间数据构建压缩感知核磁共振成像优化模型；最后，利用交替优化方法求解构建的优化问题。所提出的算法不仅能够通过深度去噪器利用深度先验，还能够通过BM3D去噪器利用图像的非局部相似性来进行图像重建。实验结果表明，与基于BM3D的重建算法相比，该算法在采样率为0.02、0.06、0.09及0.13情况下重构的平均峰值信噪比高出约1 dB；此外，从视觉角度，与现有的基于小波树稀疏性的核磁共振成像算法WaTMRI、基于字典学习的核磁共振成像算法DLMRI、基于字典更新及块匹配和三维滤波的核磁共振成像算法DUMRI-BM3D等相比，所提算法重构的图像包含大量纹理信息，与原始图像最接近。     

Image reconstruction for compressed sensing based on joint sparse bases and adaptive sampling

In this paper, we focus on tackling the problem that one sparse base alone cannot represent the different content of the image well in the image reconstruction for compressed sensing, and the same sampling rate is difficult to ensure the precise reconstruction for the different content of the image. To address this challenge, this paper proposed a novel approach that utilized two sparse bases for the representation of image. Moreover, in order to achieve better reconstruction result, the adaptive sampling has been used in the sampling process. Firstly, DCT and a double-density dual-tree complex wavelet transform were utilized as two different sparse bases to represent the image alternatively in a smoothed projected Landweber reconstruction algorithm. Secondly, different sampling rates were adopted for the reconstruction of different image blocks after segmenting the entire image. Experimental results demonstrated that the images reconstructed with the two bases were largely superior to that reconstructed with a single base, and the PSNR could be improved further after using the adaptive sampling.     

自适应多尺度分块压缩感知算法

目的 基于小波域的多尺度分块压缩感知重构算法忽略了高频信号在重构过程中的作用,丢失了大量的边缘与细节信息。针对上述问题,提出一种自适应多尺度分块压缩感知算法,不仅合理利用低频信息还充分利用图像的高频信息,在图像细节复杂度提高的情况下保证图像重构质量的提高。方法 首先进行3层小波变换,得到一个低频信号和9个高频信号,分别进行小波逆变换后分成大小相同互不重叠的块,对低频部分采用2维邻块边缘自适应加权滤波的方法进行处理,对高频部分采用纹理自适应分块采样,最后利用平滑投影Landweber（SPL）算法对其进行重构。结果 与已有的分块压缩感知算法、基于边缘和方向的分块压缩感知算法和基于纹理和方向的分块压缩感知算法相比,本文算法在不同的采样率下,性能均有所提升,代表细节信息的高频信号得到充分重建,改进的算法所得到的重建图像具有较高的分辨率,尤其对细节较为丰富的图像进行重建后具有较高的峰值信噪比;2维邻块边缘自适应加权滤波有效的去除了重建图像的块效应,且重建时间平均减少了0.3 s。结论 将三层小波变换后的高频分量作为纹理部分,利用自适应多尺度分块重建出图像的轮廓与边缘;将低频分量直接视为平坦部分,邻块边缘自适应加权滤波重建出图像细节,不仅充分利用了图像的高低频信息,还减少了平坦块检测过程,使得重建时间有效缩短。经实验验证,本文算法重建图像质量较好,尤其是对复杂图像明显消除了块效应,边缘和纹理细节较清晰。因此主要适用于纹理细节较复杂的人脸图像、建筑图像和遥感图像等。     

分块可压缩传感的图像重构模型

可压缩传感或可压缩采样（Compressed Sensing或Compressive Sampling 简称CS）是数据采样同时实现压缩的新理论、新技术。分块CS（Block Compressed Sensing）的图像重构算法采用相同的采样算子以块×块的方式获取图像,解决了现有的CS方法中可压缩采样算子所需存储较大的问题,而且算法中应用线性算子、凸集投影法和Contourlet变换域的硬阈值法进一步优化恢复图像,能更有效捕获图像的复杂结构。实验结果表明分块CS的图像重构算法较现有的其他CS方法实现代价更低,且在相同CS观测数条件下,计算速度几乎相同的同时图像质量提高了3~4 dB。     

基于PCA硬阈值收缩的平滑投影Landweber图像压缩感知重构

利用压缩感知理论对图像进行测量和重构时,基于分块思想可有效提高重构速度,但同时会带来较强的块效应.为了解决该问题,在编码端提出了一种基于边缘检测的自适应分块压缩感知测量方案;在解码端提出了一种基于主成分分析(PCA)的平滑投影Landweber(SPL)重构法,该算法运用PCA训练出适合于图像结构的稀疏字典,用于进行硬阈值收缩,从而有效消除了块效应,提升了重构图像的质量.为了提高硬阈值收缩效率和减少训练复杂度,采用了3种基于块的PCA硬阈值收缩方案:全局PCA、局部PCA和分层PCA.仿真实验结果表明:所提出的自适应压缩感知测量方案与SPL重构法相结合,和传统分块压缩感知方案相比,峰值信噪比(PSNR)值均提升了1～3 dB;本文算法,无论在传统分块压缩感知方案下还是在自适应分块压缩感知方案下,与基于方向小波阈值收缩的SPL重构算法相比,均获得了更高的PSNR值.     

基于边信息的分布式视频压缩感知重建

WZ视频编码系统中的虚拟信道会因信道模型参数估计的不稳定导致系统性能下降,为了克服该问题,提出不带有虚拟信道的分布式视频压缩感知重建算法,仅靠解码端获得的压缩感知观测值对非关键帧的错误进行纠正,并利用平滑投影Landweber迭代求解联合重建模型.实验证明本文所提出算法获得了更好的率失真性能和更低的重建时间.     

基于纹理自适应全变分滤波的图像分块压缩感知优化算法

图像分块压缩感知重构模型通过分块方式解决了压缩感知中观测矩阵过大带来的计算复杂度较高和存储空间较大的问题,但分块重构时会产生块效应,其需要通过去块效应滤波加以消除。现有的滤波方法并未考虑图像纹理细节恢复问题,造成了重构质量的降低。为解决该问题,首先提出了一种基于灰度熵的纹理自适应采样方法。随后分析了分块压缩感知中块效应的产生和经自适应采样后块效应得到缓解的原因,并将全变分滤波引入到图像分块压缩感知平滑投影迭代重构过程之中,提出了一种基于图像分块纹理信息的双树离散小波硬阈值滤波和全变分滤波的自适应加权滤波模型,用其取代原平滑投影迭代算法的滤波过程,在自适应采样缓解块效应的基础上,更有效地保存图像的细节信息。仿真实验表明,与多种已有方案相比,该方案可显著提升重建图像的主客观质量,同时可有效保留图像的纹理细节。     

基于CS-GPSR的电容层析成像图像重建算法

提出将基于压缩感知(CS)理论的稀疏梯度投影(GPSR)算法应用于电容层析成像(ECT)图像重建过程中.采用离散Fourier变换(DFT)基将原始图像灰度信号进行稀疏化处理;将ECT灵敏度矩阵的各行按随机顺序进行排列,得到ECT系统观测矩阵,同时将测量电容向量的各行按相同顺序进行排列,得到观测投影向量;使用GPSR算法进行图像重建.仿真实验结果表明:基于CS理论的GPSR(CS-GPSR)算法重建图像质量明显优于LBP算法和Landweber迭代算法.本文所述算法可实现较高精度的图像重建,为ECT图像重建的研究提供了一种新的手段.     

基于卷积神经网络的压缩感知重构算法优化

压缩感知理论因其编码复杂度低、节省资源、抗干扰能力强等特点,被广泛应用于图像和视频信号处理。然而,传统的压缩感知技术也面临着重构时间长、算法复杂度高、迭代次数多、计算量大等问题。针对图像重构时间和重构质量的问题,文中提出一种新的卷积神经网络结构Combine Network(CombNet),它将压缩感知的测量值作为卷积神经网络的输入,连接一个全连接层,然后通过CombNet获得最终输出。实验结果表明,CombNet具有较低的复杂度及较好的恢复性能,在相同的采样率下,CombNet的峰值信噪比(PSNR)较TVAL3提高了7.2%~13.95%,较D-AMP提高了7.72%~174.84%。CombNet重构的耗时比传统重构算法提高了3个数量级,实现了实时重构。在采样率极低(采样率为0.01时)的情况下,CombNet的平均PSNR较D-AMP高出11.982 dB,因此所提算法具有更好的视觉吸引力。