光學(xué)遙感運(yùn)動補(bǔ)償壓縮成像

《光學(xué)遙感運(yùn)動補(bǔ)償壓縮成像》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、５６中國空間科學(xué)技術(shù)２０１４年１０月ＣｈｉｎｅｓｅＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第５期光學(xué)遙感運(yùn)動補(bǔ)償壓縮成像王澤龍朱炬波嚴(yán)奉霞劉吉英（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)系，長沙４１００７３）摘要針對單像素相機(jī)的運(yùn)動導(dǎo)致壓縮成像品質(zhì)下降問題，提出了運(yùn)動補(bǔ)償壓縮成像方法。首先建立運(yùn)動條件下壓縮采樣的精確模型，進(jìn)而分析了逐幀重構(gòu)與聯(lián)合重構(gòu)兩種圖像稀疏方法。同時探討了所提方法對于更加復(fù)雜運(yùn)動的適應(yīng)性以及所提方法成像品質(zhì)的分布特性。該方法利用成像系統(tǒng)的運(yùn)動信息重新規(guī)整壓縮采樣，避免了由降低積分時間或者減少采樣數(shù)導(dǎo)致的

2、成像品質(zhì)下降。數(shù)學(xué)仿真與半物理仿真表明，運(yùn)動補(bǔ)償壓縮成像比未經(jīng)補(bǔ)償成像結(jié)果具有更好的成像品質(zhì)。關(guān)鍵詞壓縮成像；單像素；運(yùn)動補(bǔ)償；稀疏約束重構(gòu)；光學(xué)相機(jī)；航天遙感ＤＯＩ：１０３７８０／ｊｉｓｓｎ１０００７５８Ｘ２０１４０５００８１引言［１４］單像素相機(jī)是將壓縮感知理論應(yīng)用于成像系統(tǒng)所研發(fā)的第一臺原理樣機(jī)，在光學(xué)遙感領(lǐng)域［５］具有降低探測器數(shù)目、提高測量信噪比及成像分辨率等優(yōu)勢。但是，其中存在一個光學(xué)遙感成像平臺的運(yùn)動特性與單像素相機(jī)的時序壓縮采樣的采樣時間上的矛盾：一方面，成像平臺的運(yùn)動特性使每幅場景的采樣時間

3、非常短；另一方面，單像素相機(jī)的時序壓縮采樣要求較長的采樣時間。目前，解決這一矛盾主要有兩種思路：一是縮短時序壓縮采樣每次測量的積分時間，這會直接［６］降低測量的信噪比，導(dǎo)致成像品質(zhì)下降；二是減少壓縮采樣數(shù)據(jù)量，但將不滿足稀疏重構(gòu)條［２４］件，也將導(dǎo)致像質(zhì)下降。此外，文獻(xiàn)［７］通過運(yùn)動建模實現(xiàn)了衛(wèi)星平臺的俯仰、偏航等運(yùn)動條件下壓縮編碼孔徑光譜成像，其前提是面陣探測器，且僅考慮平臺姿態(tài)變化。在關(guān)聯(lián)成像（鬼成像）領(lǐng)［８９］域，運(yùn)動目標(biāo)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像通過對參考臂探測器記錄的光場強(qiáng)度分布進(jìn)行平動關(guān)聯(lián)實現(xiàn)了高品質(zhì)成像，但要求運(yùn)動已知，

4、且參考臂探測光場視場較大，以滿足運(yùn)動目標(biāo)在成像時間內(nèi)始終處于視場范圍內(nèi)。因此上述兩途徑增加了較多約束，不滿足光學(xué)遙感單像素壓縮成像條件。單像素視頻壓［１０］縮成像利用相鄰的壓縮采樣實現(xiàn)對同一場景的重構(gòu)，其基本思想是減小成像時間內(nèi)成像系統(tǒng)與成像場景的相對運(yùn)動量，對運(yùn)動與視場不做特別要求，但在實現(xiàn)運(yùn)動條件下單像素壓縮成像時仍具有一定的局限性。本文針對這一問題提出了運(yùn)動補(bǔ)償壓縮成像方法，該方法利用成像系統(tǒng)的運(yùn)動信息重新規(guī)整壓縮采樣，避免了由降低積分時間或者減少采樣數(shù)導(dǎo)致的成像品質(zhì)下降。此外，該方法可以應(yīng)用于運(yùn)動條件下時序壓縮采樣成

5、像系統(tǒng)，在保持壓縮成像系統(tǒng)原有的優(yōu)勢前提下，還可克服運(yùn)動對成像品質(zhì)的影響。國家自然科學(xué)基金（６１４０５２５１），高分辨率對地觀測青年創(chuàng)新基金資助項目收稿日期：２０１４０１２０。收修改稿日期：２０１４０６２８２０１４年１０月中國空間科學(xué)技術(shù)５７２運(yùn)動壓縮采樣考慮到單像素壓縮成像的每次曝光時間（積分時間）相對于總的采樣時間來說很短，所以假設(shè)成像系統(tǒng)滿足“一步一?！钡哪Ｊ?，即在每次積分時間內(nèi)成像系統(tǒng)不動，僅考慮采樣間隔的運(yùn)動。并且在光學(xué)遙感成像中成像平臺，如衛(wèi)星，在無機(jī)動情況下一般可假設(shè)做勻速運(yùn)動，且運(yùn)動方向平行于成像場景

6、。基于壓縮成像系統(tǒng)與成像場景間的運(yùn)動關(guān)系可以進(jìn)一步建立成像的幾何關(guān)系，如圖１所示。對于給定的成像場景，相對運(yùn)動使得每次測量對應(yīng)的圖像（快拍）在成像的場景上沿運(yùn)動方向連續(xù)變化。由于隨機(jī)調(diào)制，每次測量對應(yīng)的快拍圖像像元分辨率對應(yīng)于隨機(jī)調(diào)制器的像元。若以第一個采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)的快拍圖像及其在整個場景上的拓展作為參考圖像，則每次測量對應(yīng)的圖像皆位于惟一的一個圖像幀，即參考圖像上包含此圖像的最小矩形圖像。所以，同一圖像幀內(nèi)的壓縮測量分別對應(yīng)具有亞像元平移的快拍圖像，不同的圖像幀對應(yīng)具有整像元平移的子圖像。例如，圖１中位于圖像Ｓ１與Ｓ２或者

7、Ｓ２與Ｓ３間的測量皆對應(yīng)亞像元的平移，它們分別位于圖像幀Ｚ１與Ｚ２內(nèi)。所以，運(yùn)動使得單像素采樣過程比靜態(tài)環(huán)境下更加復(fù)雜。圖１相對運(yùn)動情況下壓縮成像幾何關(guān)系Ｆｉｇ１Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｉｍａｇｉｎｇｇｅｏｍｅｔｒｉｃｒｅｌａｔｉｏｎｉｎｃａｓｅｏｆｍｏｔｉｏｎ下面基于運(yùn)動環(huán)境下成像的幾何關(guān)系對壓縮采樣過程進(jìn)行建模。假設(shè)壓縮采樣過程中共獲得Ｎ×Ｎ與快拍圖像ＳＮ×Ｎ，則Ｋ個采樣數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)ｙｋ對應(yīng)隨機(jī)調(diào)制矩陣Ａｋ∈Ｒｋ∈ＲＴ，ｋ＝１，２，…，Ｋ（１）ｙｋ＝ａｋｓｋ式中ａｋ＝ｖ（Ａｋ），ｓｋ＝ｖ（Ｓｋ），ｖ（·）表示矩陣的矢量化

8、算子。注意到在傳統(tǒng)成像過程中每個像元的能量一般認(rèn)為在整個像元上均勻分布，因此對應(yīng)于像元面積與該像元上平均能量密度之積。同時，通過上面的分析可知，每一個圖像幀皆是參考圖像上由（Ｎ＋１）×（Ｎ＋１）維像元構(gòu)成的圖像，且該圖像幀包含的數(shù)個快拍圖像的任一像元皆位于此圖像幀的四個相鄰像元之內(nèi)。因此，