[发明专利]一种并行压缩感知GPU加速实时成像系统与方法

说明书

本发明公开了一种并行压缩感知GPU加速实时成像系统与方法，所述系统包括并行流水线式处理的光学单元(I)、电学单元(II)和后端数据流水线处理单元(III)；其中，所述光学单元(I)，用于收集光信号，得到目标图像信号，经分段和调制后发送至电学单元(II)；所述电学单元(II)，用于进行并行互补压缩感知成像，完成并行互补测量，将低分辨率图像数据发送至后端数据流水线处理单元(III)；所述后端数据流水线处理单元(III)，用于采用GPU加速压缩感知高速重建算法实现高分辨图像重建与实时显示。本发明采用光学单元、电学单元和GPU加速重建部件并行流水线方案，实现压缩感知实时采集低分辨图像、实时重建与显示高分辨图像。

技术领域

本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种并行压缩感知GPU加速实时成像系统与方法，有别于传统直接测量的计算成像体制的成像方法。

背景技术

光信号的成像探测是人类感知周围环境和认识世界的重要手段，毫不夸张的说，没有成像技术的诞生和发展，就没有现代光电探测技术。数字化和智能物联网时代(AIoT)驱动着对探测器时间分辨率和空间分辨率的要求越来越高，探测数据规模激增，成像方式和光电探测技术在各方面性能不断改进和提高，成像体制也经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类感知世界的进程。

一方面，在应用场景需求端，探测场景像素规模的增大，时间分辨率和空间分辨率的更高需求从未停止。另一方面，非可见光波段的较高分辨率探测器成本仍然较高，随着分辨率的提高可见光探测器成本越来越高。现有分辨率探测器无法以“所见即所得”的直接测量方式实现对海量像素规模的场景实时成像，而现有技术指标设备以传统方式要进一步达到更高的时间分辨率和控件分辨率则难上加难。如何应对成像像素规模、时间分辨率、空间分辨率要求的数据率、实时显示要求与传输带宽、探测器成本、存储资源之间的矛盾，成为成像系统技术研究的重要方向和难点。压缩感知成像以减少采样量、降低探测器分辨率要求为动机，将新的信号处理体制压缩感知理论创造性地应用于成像领域。其中，单像素相机是压缩感知成像最具代表性的新成像体制，它采用没有空间分辨率的点探测器通过调制采样的间接测量方式，将压缩与采样一并进行，以远低于奈奎斯特-香农采样定律要求的采样数进行信号测量，随后通过后端数据处理的重建算法会付出具有空间分辨率的成像目标，实现了以无空间分辨率的点探测器进行探测低成本探测器、低传输带宽，又能保证维持空间分辨率图像获取的最终成像目标。

但是，探测分辨率需求的进一步提高，光学采集前端也受到了现有空间光学调制前端调制频率的限制，同时基于压缩感知成像理论的压缩感知成像模型也面临着大规模场景下测量矩阵构造难度和重建算法的复杂度迅速提高，传统串行单像素相机架构也不能满足需求，亟待新的提高性能策略的引入。

发明内容

本发明的目的是在于克服传统成像体制使用常规探测器和传输带宽在高分辨快速采集与实时显示方面的不足，采用分而治之处理和并行化系统思想对单像素相机进行扩展，从而提供一种并行压缩感知GPU加速实时成像系统与方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例1提出了一种并行压缩感知GPU加速实时成像系统，所述系统包括并行流水线式处理的光学单元、电学单元和后端数据流水线处理单元；其中，

所述光学单元，用于收集光信号，得到目标图像信号，经分段和调制后发送至电学单元；

所述电学单元，用于进行并行互补压缩感知成像，完成并行互补测量，将低分辨率图像数据发送至后端数据流水线处理单元；

所述后端数据流水线处理单元，用于采用GPU加速压缩感知高速重建算法实现高分辨图像重建与实时显示。

作为上述系统的一种改进，所述光学单元包括：视场光阑和成像物镜镜头(1)、空间光调制器和会聚收光部件；其中，

所述视场光阑和成像物镜镜头，用于收集目标透射、反射或辐射出的光信号，并成像到空间光调制器上；