基于分塊壓縮感知的ccd視頻壓縮測量成像系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像、視頻信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及壓縮成像系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域的壓縮測量值獲取系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓縮感知(compressive sensing，CS)是近十年發(fā)展起來的一項(xiàng)新理論和技術(shù)。傳統(tǒng)信號采樣都必須遵守奈奎斯特采樣定理，其采樣頻率至少為信號最高頻率的兩倍；傳統(tǒng)圖像視頻基于奈奎斯特采樣，再用H.264等壓縮方法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，因此常規(guī)的壓縮處理過程丟棄大量冗余信息、浪費(fèi)大量的存儲空間和計(jì)算資源。而壓縮感知以信號稀疏表示理論為前提，充分利用了信號本身的結(jié)構(gòu)稀疏性，通過選擇合適的測量矩陣，以遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣率實(shí)現(xiàn)信號同時(shí)壓縮和采樣。壓縮傳感理論帶來了信號采集理論的變革，在模擬信息轉(zhuǎn)換、壓縮成像、雷達(dá)成像、生物醫(yī)學(xué)成像、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]近年來，國內(nèi)外學(xué)者對基于壓縮感知的成像系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，這些研究大都圍繞著如何實(shí)現(xiàn)空間光調(diào)制來展開的。2006年，Rice大學(xué)Baraniuk等提出并實(shí)現(xiàn)了一種單像素照相機(jī)，利用數(shù)字微鏡器件(Digital Micromirror Device, DMD)、單像素探測器和A/D轉(zhuǎn)換器獲得壓縮測量。該成像系統(tǒng)控制系統(tǒng)復(fù)雜、成本高，采集速度慢，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)壓縮成像。
[0004]MIT的Fergus等提出了隨機(jī)鏡頭相機(jī)模型，該相機(jī)鏡頭采用隨機(jī)反射鏡面，隨機(jī)反射鏡通過測量矩陣控制。該相機(jī)具有超分辨率和深度估計(jì)能力，但相機(jī)的鏡頭校準(zhǔn)復(fù)雜耗時(shí)，存儲需求大、成像速度低。
[0005]Duke大學(xué)的COMP-1研究組提出多孔徑成像系統(tǒng)，該相機(jī)使用編碼孔徑技術(shù)完成壓縮采樣，再重構(gòu)原始圖像，但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)困難。
[0006]2008年Robucci等提出了 CMOS壓縮成像裝置，它將圖像分成不重疊子塊，通過對模擬像素進(jìn)行隨機(jī)求和與A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)壓縮采樣。該系統(tǒng)需要模擬寄存器來存儲隨機(jī)矩陣，存儲需求大、功耗較大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。
[0007]2009年Jacques等提出基于隨機(jī)卷積的CMOS壓縮成像方法，它通過移位寄存器對模擬像素進(jìn)行隨機(jī)卷積計(jì)算，實(shí)現(xiàn)壓縮采樣。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單，但獲取測量值時(shí)要進(jìn)行多次移位操作，圖像獲取效率低、功耗大。
[0008]總之，現(xiàn)行壓縮成像系統(tǒng)復(fù)雜，壓縮采樣速度慢，不能用于實(shí)時(shí)視頻壓縮采樣。眾所周知，CCD比CMOS成像效果好，但限于CCD結(jié)構(gòu)都是采用串行輸出信號，造成壓縮采樣過程中很難進(jìn)行線性投影。此外，因此，視頻壓縮成像領(lǐng)域存在著較多的技術(shù)瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]基于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種新的基于分塊壓縮感知的CCD視頻壓縮成像測量值獲取系統(tǒng)及其控制方法，該方法以分塊壓縮感知理論為基礎(chǔ)，首先將CCD圖像傳感器串行輸出的每幀模擬像素分成像素?cái)?shù)目相同的模擬子塊，再通過引入了采樣保持/電容陣列交替轉(zhuǎn)存串行輸出的模擬像素子塊，然后對模擬像素子塊進(jìn)行模擬壓縮計(jì)算，再用A/D轉(zhuǎn)換器得到壓縮計(jì)算輸出的模擬信號的數(shù)字測量值，通過分別對所有模擬子塊的壓縮測量，最終獲得視頻幀的壓縮采樣。
[0010]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
[0011]本發(fā)明首先提供了一種基于分塊壓縮感知的CCD壓縮測量視頻成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括CXD圖像傳感器、CXD驅(qū)動電路、FPGA控制器、相關(guān)雙采樣電路⑶S、可編程增益放大PGA電路、采樣保持/電容陣列、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、模擬多路開關(guān)MUX電路、模擬加法器、A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)、存儲器、編碼器和通信接口，其中:
[0012]FPGA控制器，用于產(chǎn)生CXD垂直時(shí)鐘信號、采樣保持陣列信號和A/D轉(zhuǎn)換控制信號;
[0013]CCD圖像傳感器，用于感知視頻場景的光強(qiáng)信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，在CCD圖像傳感器上產(chǎn)生用電壓信號表示的場景模擬像素矩陣；
[0014]CXD驅(qū)動電路，用于將CXD垂直時(shí)鐘信號進(jìn)行緩沖和驅(qū)動；
[0015]相關(guān)雙采樣電路⑶S，用于完成CXD輸出電壓信號的解調(diào)；
[0016]可編程增益放大器PGA電路，用于C⑶輸出電壓信號的放大，同時(shí)將相關(guān)雙采樣電路CDS后輸出的CCD電壓信號中的高頻噪聲濾出；
[0017]采樣保持/電容陣列，用于儲存CCD串行輸出的模擬像素到電容陣列上；
[0018]隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，用于產(chǎn)生二值隨機(jī)測量矩陣；
[0019]多路模擬開關(guān)MUX電路，用于控制模擬像素完成壓縮計(jì)算；
[0020]模擬加法器，用于完成模擬像素壓縮計(jì)算；
[0021 ] A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)，將壓縮計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；
[0022]存儲器，存儲轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號；
[0023]編碼器，對每幀壓縮成像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼；
[0024]所述FPGA控制器分別連接CXD圖像傳感器、CXD驅(qū)動電路、A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)、采樣保持/電容陣列、存儲器和編碼器；所述驅(qū)動電路、CCD圖像傳感器相互連接，CCD圖像傳感器連接相關(guān)雙采樣電路，相關(guān)雙采樣電路通過可編程增益放大器PGA連接至采樣保持/電容陣列，采樣保持/電容陣列通過多路模擬開關(guān)MUX連接模擬加法器和隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，模擬加法器連接至A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)。
[0025]進(jìn)一步地，該系統(tǒng)采用CXD圖像傳感器向本系統(tǒng)提供模擬像素矩陣。
[0026]進(jìn)一步地，所述可編程增益放大器PGA電路為低通濾波放大電路，可編程增益放大器PGA和相關(guān)雙采樣電路CDS共同完成CCD輸出電壓信號的處理。
[0027]進(jìn)一步地，所述的基于分塊壓縮感知的CCD視頻壓縮測量成像系統(tǒng)，其特征在于，所述采樣保持/電容陣列由2個(gè)模擬子塊構(gòu)成，兩個(gè)模擬子塊輪流轉(zhuǎn)存CCD串行輸出的模擬像素信號。
[0028]進(jìn)一步地，所述的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路產(chǎn)生M行N列的二值隨機(jī)測量矩陣，用這些隨機(jī)信號控制多路模擬開關(guān)MUX電路的瞬時(shí)通斷。
[0029]進(jìn)一步地，所述的多路模擬開關(guān)MUX電路和模擬加法器電路，在隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路輸出信號的控制下，隨機(jī)選擇模擬子塊中的部分模擬像素同時(shí)送到模擬加法器電路完成模擬壓縮計(jì)算，再將結(jié)果送到A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。
[0030]進(jìn)一步地，所述的數(shù)據(jù)通信接口有USB接口、SD卡和Gige千兆網(wǎng)口，完成數(shù)據(jù)通
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[0031]本發(fā)明還提供了一種基于分塊壓縮感知的CCD視頻壓縮測量成像的控制方法，該方法包括以下步驟:
[0032]系統(tǒng)初始化:對于LXC個(gè)模擬像素，假設(shè)將其分為T個(gè)模擬子塊，每個(gè)子塊有N個(gè)模擬像素，子塊總數(shù)T = LXC/N ;令η表示塊內(nèi)單元數(shù)，t為當(dāng)前充電的模擬子塊序號，tt為完成壓縮測量的子塊數(shù)目，m為當(dāng)前壓縮測量的子塊壓縮測量次數(shù)；令11 = l、t = l、x =(t_l)*N+n，tt = 0，m = I ;
[0033]步驟1:隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)M行N列的隨機(jī)數(shù)矩陣；啟動FPGA控制器產(chǎn)生讀取CCD圖像傳感器像素視頻幀的周期時(shí)序信號，則CCD圖像傳感器開始串行輸出模擬像素；初始化A/D轉(zhuǎn)換器工作模式；
[0034]步驟2 =FPGA控制器產(chǎn)生第x單元的充電控制信號SI，令n = n+1 ;
[0035]步驟3:判斷n>N，若條件不成立則重復(fù)執(zhí)行步驟2 ;若條件成立，表示第一個(gè)模擬子塊充電完畢，然后對模擬像素進(jìn)行壓縮測量，則令t = t+1，η = 1，轉(zhuǎn)步驟4 ;
[0036]步驟4:同時(shí)轉(zhuǎn)步驟5和步驟9，將步驟5-8與步驟9_15并行執(zhí)行:
[0037]步驟5 =FPGA控制器產(chǎn)生第x單元的充電控制信號SI，再令n = n+1 ;
[0038]步驟6:判斷n>N，條件不成立轉(zhuǎn)步驟5繼續(xù)對當(dāng)前子塊充電；若條件成立表示當(dāng)前模擬子塊充電完畢，貝>1令t = t+l、n = I，轉(zhuǎn)步驟7 ；
[0039]步驟7:判斷t>2，若條件不成立轉(zhuǎn)步驟5 ;若條件成立則令t = 1、η = 1，轉(zhuǎn)步驟8 ；
[0040]步驟8:轉(zhuǎn)步驟5執(zhí)行，然后重復(fù)對兩個(gè)模擬子塊輪流充電；
[0041]步驟9 =FPGA控制器產(chǎn)生兩個(gè)模擬子塊的輪流選通信號S2 ;
[0042]步驟10:將第m行隨機(jī)序列輸出到多路模擬開關(guān)MUX的控制端；
[0043]步驟11:啟動A/D轉(zhuǎn)換器，延時(shí)足夠時(shí)間后再讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并送存儲器單元保存；令111 = m+1 ；
[0044]步驟12:判斷m>M，若條件不成立表示當(dāng)前子塊壓縮測量未完成，則轉(zhuǎn)步驟1