基于距离编码的压缩传感激光三维成像的研究

摘要

压缩传感技术是近年来提出的一种新型的信号处理手段，其优点在于信号的投影测量数据量远小于基于香农采用定理的传统采样方法所获得的数据量，因而目前被广泛应用于和信号处理相关的各种领域。
　　本文分析了压缩传感三维成像技术目前存在的问题和不足，即处理数据量大、处理速度无法满足要求，测距精度无法保证、图像信噪比有待提高。提出一种距离编码的压缩传感成像技术，将传统的基于距离切片的压缩传感技术技术的运算量从N次，减小到2次，大大提升了激光三维成像的速度。
　　构建了基于距离编码的三维激光成像系统的仿真平台，编写了调制发射系统模块，接收采集系统模块，控制处理系统模块。仿真结果表明，OMP算法在稀疏度为200时以DCT和FFT基作为稀疏变换基的 H物体信噪比分别是2.90和2.97，T物体的信噪比为3.92和4.87。而GPSR以DCT基做稀疏变换的H和T物体图像的信噪比是2.98和4.85，TV算法的信噪比是13.19和19.78。验证了TV算法是最适合的算法。再使用TV算法进行三维成像仿真，其结果证明了距离编码三维成像的可行性。半实物仿真结果显示，OMP算法下，稀疏度为200时以DCT基作为稀疏变换的图像 H和 T的信噪比分别是5.25和5.05。以FFT作为稀疏变换的信噪比分别是5.08和4.63。而GPSR以DCT基做稀疏变换的图像的相应信噪比是3.34和4.69。采用高斯随机采样矩阵相比于伯努利随机采样矩阵的效果在整体图像上，尤其在 H图像上有所提高。GPRS算法上也在H物体的信噪比上有提高。结果证明随机高斯矩阵比单纯的伯努利随机采样矩阵的测量结果要好。
　　搭建激光三维成像实验平台，调制发射系统采用激光器、DMD微镜、凸透镜组成，接收采集系统采用PIN探测器、跨阻放大器和高速采样器组成，控制处理系统采用用来触发信号的PIN探测器和用来控制系统的计算机组成。实验目标为形状规则的H、I、T等字母形状物体，实验环境为黑暗的密闭环境，系统达到35.97的系统信噪比，并能对不同反射率的规则物体重构出较为清晰的像。
　　最后探究采样率和测量平均累积次数对成像图像的影响，经计算表明TV算法在5%的采样率下仍可以还原出较为规则的图像，而随着平均累积次数的提高，成像图像信噪比也在不断提高。接着采用了三种不同的编码方式，证明了三种编码方法都较好地保持了一定的测距精度。其中线性编码的H图像测距精度最小，达到0.38 m，指数编码的T图像测距精度最小，达到0.71 m。对于距离误差而言，根号编码的H图像测距误差最小，达到0.38 m，指数编码的T图像测距误差最小，达到1.34 m。最后我们采用了空间滤波的方法，根据三组测量结果，H测距精度最小的是根号编码下中值滤波，为0.23 m，T测距精度最小是指数编码下的二维滤波，为0.34 m。在距离偏差方面，H最好的测距精度是线性编码下的自适应维纳滤波，为0.38 m，T最好的测距精度是指数编码下的二维排序滤波，为1.31 m，测距精度都有所提高。在图像的空间滤波下，中值滤波得到的像素信噪比最高，相比于原始图像提高到原来的1.26倍。

目录

第1章 绪论

1.1 课题的来源及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 压缩传感成像国外研究现状介绍

1.2.2 压缩传感成像国内研究现状介绍

1.2.3 国内外研究综述

1.3 论文主要研究内容

第2章 基于距离编码的压缩传感激光三维成像理论

2.1 压缩传感成像基本理论

2.1.1 稀疏变换

2.1.2 压缩传感测量方法

2.1.3 压缩传感还原算法

2.2 压缩传感激光三维成像的距离编码理论

2.3 本章小结

第3章 基于距离编码的压缩传感三维成像的仿真研究

3.1 基于距离编码的激光三维成像系统仿真模型

3.2 压缩传感三维图像的重建仿真及结果分析

3.3 压缩传感高斯测量矩阵的半实物仿真及结果分析

3.4 本章小结

第4章 基于距离编码的压缩传感三维成像系统的研究

4.1 调制发射系统

4.2 接收采集系统

4.3 控制处理系统

4.4 系统性能分析

4.5 本章小结

第5章 基于距离编码的压缩传感激光三维成像的实验研究

5.1 采样率和积累次数对重构距离像的影响

5.2 距离编码及解码方式对重构距离像的影响

5.3 距离编码的空间滤波方式对重构图像的影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢