[发明专利]基于稀疏约束的强度关联成像高速三维重构系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维信息处理领域，特别是一种基于稀疏约束的强度关联成像高速三维重构系统及方法，它可应用于可见光及X光强度关联成像领域。

背景技术

强度关联成像不同于常规成像，探测器拍摄到的并非物体图像本身，而是记录热光场的涨落信息，再通过后续信息处理来获取目标物体图像。因此，在强度关联成像应用中，一个重要的问题是重构目标物体图像。采用关联算法能快速得到重构图像，但重构图像信噪比低，只适合于噪声影响较低的实验室成像。根据压缩感知(Compressive Sensing)理论，当长度为N的信号X为稀疏且测量矩阵A满足特定条件时，可以通过CS算法由远少于N的M次测量数据恢复出信号。对于噪声影响较大的远距离三维成像实用系统，可以利用CS方法实现强度关联图像重构。

CS重构图像信噪比高，但数据计算量大，所需重构时间较长。对于二维强度关联成像，只需重构单帧图像，重构算法所需时间尚可接受。但对于三维成像，是对二维切片图像分别进行单帧重构，再由二维切片组合得到物体的三维信息，重构时间由图像序列的帧数决定，要实现高分辨率的三维成像，需要对数千帧图像进行重构，重构时间难以满足应用需求。借助大型计算机或者集群虽然能够实现快速并行计算，但所需成本高，且无法实现户外移动计算。

浙江大学的刘旭等提出了一种基于压缩感知的三维物体成像的简单计算方法，只需要两次CS计算就可以获得目标物体的三维信息，但需要反射镜和空间光调制器DMD等，这些器件只对可见光发生作用，对于高穿透性的X光，没有对应器件，无法应用于X光强度关联成像。

基于稀疏约束的强度关联成像(GISC)方法是中科院上海光机所龚文林等提出的，通过关联计算实现了遥感三维成像，但成像信噪比低，图像模糊，而CS重构方法理论上能获得较高信噪比的图像。

强度关联成像进行m次测量，采集得到的数据为：(1)二维参考图像构成的参考序列{Ir₁,…,Ir_i,…Ir_m}，每帧二维参考图像Ir_i的像素数为n，用矩阵A来表示参考序列，一帧二维参考图像构成A的一行，则矩阵A为m行n列；(2)一维信号数据构成的信号序列{It₁,…,It_i,…It_m}，每帧一维信号数据It_i包含k个元素，用矩阵Y来表示信号序列，一帧一维信号数据构成Y的一行，则矩阵Y为m行k列矩阵。

待求三维重构目标为二维重构图像构成的图像序列{I₁,…,I_j,…I_k}，传统CS算法是通过依次求解每帧二维重构图像实现三维重构。在三维并行CS算法中，每帧二维重构图像I_j的像素数为n，图像序列的帧数为k，用矩阵X来表示三维重构目标，一帧二维重构图像构成X的一列，则矩阵X为n行k列矩阵，三维CS重构过程就是由已知的Y和A求解X的过程，可表示为：

AX＝Y，

其中，AX_j＝Y_j，X_j为n元素向量，Y_j为m元素向量，X＝[X₁,…,X_j,…X_k]，Y＝[Y₁,…,Y_j,…Y_k]。

根据CS理论，由(其中φ代表稀疏变换)可知，稀疏约束条件下强度关联成像三维重构就是求解欠定方程组可转化为求解线性规划问题：

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的缺陷，提供一种基于稀疏约束的强度关联成像高速三维重构系统及方法。该三维重构系统及方法实现准实时强度关联成像三维图像重构，具有计算速度快、信噪比高、成本低和功耗小的特点，可应用于可见光及X光强度关联成像。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于稀疏约束的强度关联成像高速三维重构系统，其特征在于其构成包括数据采集单元、信号处理机、高速存储器、GPU并行计算控制器、GPU计算卡组、三维处理机、三维成像显示器；

所述的数据采集单元由CCD和PMT构成，所述的GPU计算卡组由多块GPU计算卡并联构成；所述的信号处理机、GPU并行计算控制器、三维处理机与高速存储器之间采用高速光缆连接，所述的GPU计算卡组与GPU并行计算控制器通过PCI-E总线连接，所述的三维成像显示器与三维处理机相连接；