[发明专利]一种分块最小二乘回归高速相机压缩图像重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及高速成像技术领域，特指一种分块最小二乘回归高速相机压缩图像重建方法。

背景技术

在空气动力学、流体力学、爆炸力学等诸多学科研究领域中，通常需要使用高速摄像机观测快速变化的物理或化学现象。在实际应用中，受相机数据传输接口带宽限制，高速相机拍摄的海量图像数据只能存储于相机内存中。高速相机在极短时间内产生海量图像数据，通常高达10GB，而高速相机内存容量有限，难以实现大容量图像数据存储，从而导致无法长时间拍摄高分辨率视频。

目前，在实际应用中，通常采取循环录制方式进行拍摄，这种拍摄方式会覆盖已拍摄图像，而产生信息丢失问题。为实现高速相机长时间拍摄，高速相机厂商提供了“thin-out”拍摄模式，通过降低成像分辨率或帧率，以减小相同拍摄时间内图像数据、增加录像时间。但是，这种以牺牲成像分辨率或帧率，来延长拍摄时间的“thin-out”模式，带来的直接后果是：当分辨率过低时，不能满足定量或定性分析需求；当帧率过低时，无法完整地捕捉快速变化对象。因此，从延长高速相机拍摄时长角度，非常有必要对高速相机拍摄图像进行压缩后，再存储或传输。

图像数据是高度冗余的，这决定了其具有可压缩性。通过图像压缩，可以在保证一定信息量前提下，大大降低图像数据量，有利于图像存储和传输。现有的图像压缩方法，多采用JPEG、MPEG、H.264、H.265等压缩算法或标准，这些算法或标准的优点是能够极大降低图像数据量，缺点是算法复杂非常高，即便采用专用硬件也只能实现低帧率视频（1920*1080,120@fps）压缩，难以应用于帧率为1000fps以上的高速相机中。

近期，申请号为201510717618.4的发明专利《一种延长高速相机拍摄时长的方法》”提出了一种可在FPGA上进行高速相机图像实时压缩以延长高速相机拍摄时长的方法。该方法为解决高速相机图像压缩提供了一条新思路。其基本方法是：如图1所示，在摄像机端进行图像压缩(a)、在计算机端进行图像重建(b)。

具体步骤如下：

1）在摄像机端，设置1个标记矩阵F，如图2所示，标记矩阵F大小为w*h，元素取值为0或1，w是采集图像宽度、h是采集图像高度；根据标记矩阵F中元素取值，对输入图像I_o进行压缩：当F(u,v)=0时，不采集像素p(u,v,q)，当F(u,v)=1时，采集像素p(u,v,q)，得到压缩图像I_c，下标c表示I_c为压缩图像， (u,v)是标记矩阵坐标，也是图像像素坐标；如图1所示，I_o上画“X”的像素被丢弃、不采集，未画“X”的像素被采集，I_o中的下标o表示I_o为输入图像；

2）在计算机端，创建大小为w*h的空白图像I，根据标记矩阵F，构建图3所示查找表L；根据查找表L将压缩图像I_c中像素填充到空白图像I对应像素位置，得到重排序图像I_s，下标s表示I_s为重排序图像；在重排序图像I_s中，已填充的像素来源于压缩图像I_c，未填充的像素是需要估计其像素值的；通过开关中值滤波估计未填充像素的像素值，完成压缩图像重建，得到重建图像I_r。

《一种延长高速相机拍摄时长的方法》专利中的仿真试验证明了上述方法的有效性，但是，该专利的图像重建算法，在图像重建质量、速度方面，还需进一步提升。特别是，当压缩率较高时，比如等于99%时，该专利的图像重建算法需要选择较大的图像滤波窗口，才能保证所有未采集像素被恢复出来。然而，较大尺寸滤波窗口，不但引起图像模糊问题、导致重建图像质量下降，而且明显增加图像重建时间。

为提升高速相机压缩图像重建质量，本发明公开一种分块最小二乘回归高速相机压缩图像重建方法。试验结果表明，该方法的压缩图像重建质量明显优于《一种延长高速相机拍摄时长的方法》专利方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种高质量、快速的高速相机压缩图像重建方法，用于提升高速相机压缩图像重建质量。本发明采用的技术方案是，对图像进行分块处理后，利用已知像素构建最小二乘回归模型，估计未知像素取值，具体操作步骤如下：

第一步：根据压缩标记矩阵F，对压缩图像I_c进行像素重排序，得到重排序图像I_s