压缩感知遥感视频成像理论与方法研究

发布时间：2018-02-08 17:51

本文关键词： 压缩感知遥感视频成像在线稀疏表示 Bregman 压缩测量系统电路压缩测量　出处：《国防科学技术大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：视频成像系统为我们提供了高分辨率和近实时的遥感视频图像,但它面临着数据量大、遥感传输困难等问题。如何在保障成像质量的同时完成视频数据的压缩传输是我们必须面对的问题。压缩感知理论的出现为我们解决上述问题提供了颠覆性的思路,它以信号的稀疏性为基础,采用少量的压缩测量数据,通过稀疏优化高精度重构信号,这为遥感视频压缩成像提供了理论基础。本文对压缩感知遥感视频成像进行了系统的研究。建模方面,建立了压缩感知遥感视频成像的测量模型和重构模型。提出了压缩感知的遥感成像框架,指出了视频成像序列图像相关性强的特点,提出了压缩感知遥感视频成像的单帧测量模型与差分测量模型,以及相应的单帧重构模型和差分重构模型。数值仿真分析了两种测量模型和重构模型的优缺点,指出差分模型相对于单帧模型提高了数据的整体利用效率,增加了数据压缩的压缩比,提高了视频图像的重构质量。理论方面,进行了以下三方面的研究:首先,研究了遥感视频图像在线稀疏表示。介绍了视频在线稀疏表示的基本理论,提出了在线前馈和在线反馈两种遥感视频图像在线稀疏表示框架,从理论上分析比较了两种在线稀疏表示框架的优缺点,认为在线反馈稀疏表示框架更适合遥感视频图像的在线稀疏表示框架。采用了三种训练样本选取方法:迭进分块法、块匹配法和边信息法,比较了三种样本选取方法的优缺点,认为边信息法是样本选取的理想方法。回顾了最优方向法(MOD)和奇异值分解聚类法(K-SVD)两种字典训练方法,提出了全局主成分分析法(global-PCA)和独立成分分析法(ICA)两种字典训练方法。通过数值仿真,比较分析了四种字典训练方法的优缺点,仿真结果说明提出的ICA字典训练方法相对于MOD和K-SVD两种字典训练方法重构效果好、重构时间少,提出的Globe-PCA字典训练方法相对于这两种方法优势并不明显。其次,提出了基于Bregman的遥感视频图像重构方法。引入Bregman迭代方法分别求解压缩感知遥感视频成像单帧重构模型和差分重构模型,并在两种重构模型的L1-正则化稀疏约束条件下,采用经典Bregman迭代方法、线性Bregman迭代方法、加速线性Bregman迭代方法分别求解两种重构模型,提出了六种重构算法。数值仿真结果表明线性Bregman迭代方法重构性能好、实施容易,对求解压缩感知遥感重构模型有明显优势。在Lp-正则化为稀疏约束的条件下,提出了基于Lp-正则化的线性Bregman加权迭代算法。数值仿真表明,Lp-正则化约束比于L1-正则化约束稀疏性更好,提出的重构算法的重构性能更好。最后,提出了三种不同的压缩测量系统:相位调制和半帧叠加的遥感视频压缩测量系统、相关性估计的遥感视频压缩测量系统、动态估计的遥感视频压缩测量系统,通过数值仿真将三种压缩测量模型与传统的测量模型进行比较,分析了各压缩测量系统的优缺点,仿真结果表明,相位调制和半帧叠加的遥感视频压缩测量系统有利于提高成像的质量,增加视场范围。相关性估计的遥感视频压缩测量系统有利于降低视频遥感数据传输的压缩比。动态估计的遥感视频压缩测量系统适合高动态的成像场景,重构视频图像连续性好。实验验证方面,研究了单像素实验,将其作为对比实验,提出了基于电路压缩采样的压缩感知遥感线阵成像实验。实验结果表明,该成像系统成像效率更高,在遥感成像中有很高的实用价值。
[Abstract]:In this paper , the advantages and disadvantages of two kinds of methods for remote sensing video image are presented . The advantages and disadvantages of the two kinds of dictionary training methods are discussed . The advantages and disadvantages of each compression measurement system are analyzed by numerical simulation , and the advantages and disadvantages of each compression measurement system are analyzed . The simulation results show that the remote sensing video compression measurement system of phase modulation and semi - frame superposition is beneficial to improving the quality of the imaging and increasing the field of view . The remote sensing video compression measurement system is suitable for the high dynamic imaging scene , and the image continuity of the reconstructed video image is good . The experimental results show that the imaging system has higher imaging efficiency and has high practical value in remote sensing imaging .

【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP751

【参考文献】