[发明专利]压缩彩色图像采样和重建的方法和系统

说明书

相关申请

本申请基于并要求在2009年11月20日提交的美国临时专利申请第61/262,923号的权益，该专利申请通过引用以其全文结合在此。

技术领域

本发明的实施方案涉及在成像过程中进行压缩采样的系统和方法。

背景技术

传统的采样

数字信号分析要求将模拟信号转换为离散于作为第一个步骤。这由采样定理来控制，采样定理通常规定必须以奈奎斯特速率或高于奈奎斯特速率对模拟信号进行采样，奈奎斯特速率可以被定义为模拟信号的最高频率分量的二倍。对于高带宽信号，高采样率相应地对采集系统施加了重负载。

传统的彩色成像

可以认为本文的图像是模拟信号，该信号的幅度表示某种光学性质，例如强度、颜色和极化，这种光学性质可以在空间上变化，但在相关测量期间在时间上不会发生很大程度变化。在彩色成像中，典型地光强度由光敏传感器元件进行检测。传统的图像传感器典型地由这些独立传感器元件的二维规则镶嵌组成。彩色成像系统需要在至少三个基色上对图像进行采样，以便合成一幅彩色图像。我们使用术语“基色”是指主要颜色、辅助颜色或形成色彩空间的任意适合选择的色彩集合，在该色彩空间中成像系统表示该图像。色彩感测可以通过各种装置来实现，例如像(a)将图像分为三个完全相同的拷贝，分别将每一个拷贝过滤为基色，并且利用独立的图像传感器来感测它们中的每一个，或者(b)使用一个旋转过滤盘将利用这些基色中的每一个过滤的图像依次传送到相同的图像传感器上。

然而，获取彩色图像的最常用的设计是使用覆盖一个滤色阵列(“CFA”)的一个单一传感器。这包括直接的设计，其中每个输出像素的值由三个传感元件来确定，每个元件用于每一个基色，通常这些传感元件排列在水平或垂直条带上。

其他CFA设计，包括名称为彩色成像阵列的Bayer美国专利3,971,065中描述的一种常用的设计，使用主要以有规律的、重复的模式排列的不同颜色的滤光片。所有这些系统依赖于称为去马赛克的处理，也称为内插演算法，以便在每个像素位置上重构三个基色。传统的去马赛克算法典型地包括使用利用例如插值技术，像双线性、解调以及滤波和边缘自适应算法。传统的去马赛克算法只有在基色中图像的对应于细节的高频进行相关时或在至少一个方向上具有低的高频能量时才有效。在不具有这些高频特性时，重构的图像呈现出伪影。随机CFA也在Condat的“具有良好光谱特性的滤色阵列的模式(Random patterns for color filter arrays with good spectral properties)”(德国慕尼黑，2008年9月，第08-25号，Helmholtz Zentrum Munchen，IBB的研究报告)中进行了研究，但其中的重构也依赖于传统的去马赛克。同样，重构的图像除了被随机渲染得在视觉上较差外，还呈现出了去马赛克伪影。

信号压缩

图像压缩典型地应用在数字图像获取之后，以减少传输和存储过程中的系统数据加载。图像压缩是基于自然图像和很多合成图像在某些基上是近似稀疏的观察。这种基包括傅里叶相关基，例如JPEG和小波采用的离散余弦变换(“DCT”)，它们依赖于经验上观察的自然图像的分层自相似并且构成了JPEG2000压缩方法的基础。

广义传感

如果待采样的信号在某些基上是稀疏的，则以奈奎斯特速率进行采样在资源利用上效率较低。已经做出了很多尝试来解决这种稀疏性以降低采样率。一些技术采用了结合信号的期望结构的先验知识的限制性信号模型来减少需要估计的参数的数量。自适应多尺度感测使用信号的期望多尺度结构的先验知识。这种技术虽然在减少所需的测量次数上十分有效，但受到连续测量要求的影响，在对快速移动的目标进行成像时并不需要这种特性。

压缩传感