专利名称：基于压缩感知成像系统的探测器非线性饱和矫正还原方法
技术领域：
本发明属于成像技术领域，特别是一种基于压缩感知成像系统的探测器非线性饱和矫正还原方法。
背景技术：
自从压缩感知的理论被提出来后，压缩感知技术与成像系统的结合越来越多，技术也日趋成熟，从Rice大学Marco F. Duarte等人所发明的单像素相机，到基于压缩感知的三维成像系统，不断的有各种不同类型，不同用途的基于压缩感知的成像系统出现，而这些系统都充分体现了压缩感知技术所带来的益处，如成像速度更加快，省去了复杂的机械扫描结构等。但是在使用压缩感知对系统的原始信号进行还原时，首先需要系统获得一组经过高斯矩阵调制过的测量值，而测量值的准确与否直接影响了系统的最终信号还原效果。所以测量值的精确测量是在基于压缩感知的成像系统中非常关键的一个步骤。 当系统探测器对测量值进行探测时，由于探测器本身的探测响应的非线性，会导致所探测到的测量值产生非线性饱和现象，影响获得的测量值的准确性，从而影响成像系统的还原效果，而且只要在探测器测量中存在非线性的问题，如果不加处理，就会对还原效果产生非常明显的影响，大大降低成像系统的还原效率，减低图像质量。传统的基于压缩感知成像系统的还原方法中，只是简单的对所得到的测量值进行还原，并没有说明该类问题的解决方法，如果探测器出现上述的非线性饱和情况，则成像质量就会受到影响。所以在测量值直接输入还原方法模块之前，需要根据探测情况进行预处理，如此在探测器测量值受到非线性影响的情况下，能保证图像的还原质量，提高系统的鲁棒性。
发明内容
本发明的目的在于针对基于压缩感知的成像系统中探测器非线性饱和效应影响系统还原效率的问题，提供一种减小探测器非线性响应对压缩感知成像系统还原效果影响的矫正方法，通过该方法能够大大降低非线性饱和效应对系统的还原效率的影响，提高成
像质量。实现本发明的技术解决方案为一种基于压缩感知成像系统的探测器非线性饱和矫正还原方法，在探测器测量值受到非线性饱和效应的影响下，通过判断测量值受非线性影响的程度，选择饱和排斥矫正或饱和反馈矫正，其中饱和排斥矫正是排除掉受非线性影响的测量点，饱和反馈矫正则是根据已给出的探测器响应曲线，对测量值做反馈处理，修正所测得的测量值，将处理结束后的测量值输入计算机进行还原得到还原图像。本发明与现有技术相比，其显著的优点为(I)通过非线性矫正，大大减小了探测器非线性效应对基于压缩感知的单光子成像系统的影响，提高了系统的还原效率。(2)非线性矫正从软件方法切入，没有复杂的机械结构，减小了系统的复杂程度。(3)提高了图像的还原速度。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图I是本发明基于压缩感知成像系统装置示意图。
图2是本发明基于压缩感知理论的光子计数成像过程中探测器非线性响应饱和反馈矫正方法的原理框图。图3是本发明基于压缩感知理论的光子计数成像过程中探测器非线性响应饱和排斥矫正方法的原理框图。图4是系统仿真前原始图片。图5是采样率为30%，不受探测器非线性影响时，所得到的还原图片。图6是采样率为30%，受不同非线性程度影响时，所得到的还原图片。图7是采样率为30%，在未使用饱和矫正方法(左)和使用了饱和矫正方法(右)后，所得到的还原图片。图8是采样率为30%，所测得的测量值中非线性饱和率分别为5% (图a)，15%(图b),40% (图C)，80%时(图d)的还原效果图，图a (左)图b (左)图c (左)图d (左)为未使用矫正方法的还原效果，图a (右)图b (右)图c (右)图d (右)为使用了饱和排斥矫正方法后的还原效果。图9不同非线性饱和程度下，使用饱和排斥方法(实线)和不使用饱和排斥方法(虚线)的还原效率对比图(还原效率越高则说明图像越接近原始图像)。
具体实施例方式本发明基于压缩感知成像系统的探测器非线性响应矫正还原方法所适用的装置为基于压缩感知的成像系统装置，如图I所示。在探测器测量值受到非线性饱和效应的影响下，通过判断探测值受非线性影响的程度，选择饱和排斥矫正或饱和反馈矫正。饱和排斥矫正即是排除掉受非线性影响较大的测量点，饱和反馈矫正即根据已给出的探测器响应曲线，对测量值做反馈处理，修正所测得的测量值。将经过本发明所述方法处理后的测量值
导入压缩感知还原方法n'in ||s||A s.t. ||v - y/ s|| < f得到最终还原图像。本发明基于压缩感知成像系统的探测器非线性响应矫正还原方法，其中探测器非线性矫正方法包括以下步骤( I)从数据采集模块获得测得的M组待处理的测量值，M为正整数。(2)根据探测器所给出的响应曲线，判断测量值是否处于非线性响应区域，设探测器对于光强的线性探测范围为o’ <E< O，其中O、o’、E均为光强；当E彡O或E^o'时，判断为测量值处于非线性状态，选择饱和排斥矫正或饱和反馈矫正处理；(3)若测量值中大于等于50%的数据受到非线性影响，则使用饱和反馈矫正，反之则使用饱和排斥矫正；(4)将矫正后的测量数据导入计算机，利用压缩感知方法进行还原，获得还原结果。本发明基于压缩感知成像系统的探测器非线性响应矫正还原方法，饱和排斥矫正具体处理过程为去除与排除的测量值相对应的测量矩阵，M维的测量值中，第i个测量值y(i)所对应的测量矩阵为O (i，N)，当第i个测量值被去除后，相应的测量矩阵也要被去除，i为正整数。本发明基于压缩感知成像系统的探测器非线性响应矫正还原方法，饱和反馈矫正具体处理过程为根据具体的测量值，对应探测器所给的探测响应曲线，进行测量值补偿，获得补偿因子，与测得的测量值相乘即得实际补偿值，即假设探测器的响应因子曲线函数为y= ((y' ),y/表示探测器探测到的响应值，y表示在y’的测量值下所对应的响应因子。则实际的探测器响应函数可以表示为y=( (7’)*7’，则第1个实际补偿后的探测值可以表示为 y(i) = 4 (y' (i))*y’(i)。本发明中饱和排斥矫正和饱和反馈矫正处理如下(I)饱和反馈矫正 结合图2，假设探测器的响应因子曲线函数为y= W ), j'表示探测器探测到的响应值，y表示在y'的测量值下所对应的响应因子。则实际的探测器响应函数可以表示为y= ; (y’)*y’，则第i个实际补偿后的探测值可以表示为y (i) = (y' (i))*y，(i)又因为y’=0(x)，因此上式可以化为y(i) = ; (Ox(i))*Ox(i)再将所得的测量值进行还原，即可获得还原图像。(2)饱和排斥矫正结合图3，当探测器基本处于线性探测区域，只有部分处于非线性探测区域时，我们使用饱和排斥方法，当探测器探测到光能量为E时，我们所获得的压缩感知测量值可以表示为y = f (E) +b也可以表示为Y= O x+b式中y表示探测器探测到的响应值，b表示线性测量的精度误差，O为随机测量矩阵，X为输入信号，f (E)为探测器感应具体光强的量化函数。当E处于非线性区域时，对重建结果的影响十分大，所以采取丢弃的方法。若y是M*1维度的测量矩阵，而在M个测量值中处于非线性响应区的测量数为m个，贝1J这m个测量数将作如下处理，m, i, j, N都为正整数y (j) = y (i)(当 y (i)处于线性响应区时)，jmax+m=imax;由于M维的测量值中，第i个测量值y⑴所对应的测量矩阵为O (i，N)，所以当第i个测量值被去除后，相应的测量矩阵也要做如下变化O (j, N)=0 (i, N)(当 y (i)处于线性响应区时)，jmax+m=imax;即将原始的M维测量值y (M)和M*N维测量矩阵O (M，N)，化作y(M_m)，O (M_m，N)，最后再利用方法进行还原，获得最终还原图像。实施例本发明利用上述的基于压缩感知理论的成像系统来实现其对于探测器非线性饱和矫正方法的实验，步骤如下I.打开成像系统，开始测量。2.从数据采集模块获得测得的M组待处理的测量值。
3.根据探测器类型和所得的测量值判断待处理的M组测量值受非线性影响的大小。4.若测量值中大于50%的数据受到非线性影响，则使用饱和反馈矫正。反之则使用饱和排斥矫正。5.通过采用基于I1范数最小化的凸优化方法，对处理后的测量值求解如下模型，并得到最终还原结果:—|.i s. t. I y-° Vsll < e本发明的实验结果是由计算机仿真所得，仿真所用原始图片如图4所示。图7为采样率30%，未使用饱和反馈方法(左)和使用了饱和反馈方法(右)后的还原效果图对比，图8为采样率30%，所获得的测量值中非线性饱和率分别为5% (图a), 15%(图b)，40% (图C)，80%时(图d)的还原效果图，未使用饱和排斥方法图a (左)图b (左)图c (左)图d (左)和使用饱和排斥方法图a (右)图b (右)图c (右)图d (右)后的还原效果图对比，从图7,图8可以看出使用矫正方法后系统的重建效果有了明显的提高，受非线性饱和的影响大大减小。·
权利要求
1.一种基于压缩感知成像系统的探测器非线性饱和矫正还原方法，其特征在于在探测器测量值受到非线性饱和效应的影响下，通过判断测量值受非线性影响的程度，选择饱和排斥矫正或饱和反馈矫正，其中饱和排斥矫正是排除掉受非线性影响的测量点，饱和反馈矫正则是根据已给出的探测器响应曲线，对测量值做反馈处理，修正所测得的测量值，将处理结束后的测量值输入计算机进行还原得到还原图像。
2.根据权利要求I所述的基于压缩感知成像系统的探测器非线性饱和矫正还原方法，其特征在于具体步骤如下 (1)从数据采集模块获得测得的M组待处理的测量值，M为正整数。
(2)根据探测器所给出的响应曲线，判断测量值是否处于非线性响应区域，设探测器对于光强的线性探测范围为o’ <E< 0，其中0、o’、E均为光强；当E彡0或已彡o’时，判断为测量值处于非线性状态，选择饱和排斥矫正或饱和反馈矫正处理； (3)若测量值中大于等于50%的数据受到非线性影响，则使用饱和反馈矫正，反之则使用饱和排斥矫正； (4)将矫正后的测量数据导入计算机，利用压缩感知方法进行还原，获得还原结果。
3.根据权利要求I或2所述的基于压缩感知成像系统的探测器非线性饱和矫正还原方法，其特征在于饱和排斥矫正具体处理过程为去除与排除的测量值相对应的测量矩阵，M维的测量值中，第i个测量值y(i)所对应的测量矩阵为O (i，N)，当第i个测量值被去除后，相应的测量矩阵也要被去除，i为正整数。
4.根据权利要求I或2所述的基于压缩感知成像系统的探测器非线性饱和矫正还原方法，其特征在于饱和反馈矫正具体处理过程为根据具体的测量值，对应探测器所给的探测响应曲线，进行测量值补偿，获得补偿因子，与测得的测量值相乘即得实际补偿值，即假设探测器的响应因子曲线函数为y= 4 (y,),y/表示探测器探测到的响应值，y表示在y’的测量值下所对应的响应因子。则实际的探测器响应函数可以表示为y= 4 (7’)*7’，则第1个实际补偿后的探测值表示为y(i) = 4 W (i))*y’(i)。
全文摘要
本发明公开了一种基于压缩感知成像系统的探测器非线性响应矫正还原方法，在探测器测量值受到非线性饱和效应的影响下，通过判断探测值受非线性影响的程度，选择饱和排斥矫正或饱和反馈矫正。饱和排斥矫正即是排除受非线性影响较大的测量点，饱和反馈矫正即根据已给出的探测器响应曲线,对测量值做反馈处理，修正所测得的测量值。处理结束后的测量值输入计算机进行图像还原所得的效果将大大优于不使用本方法直接还原的效果，即本方法降低了探测器本身的非线性探测误差对实验效果的影响，提高了系统的还原效率。
文档编号G01D18/00GK102865889SQ201210396348
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者何伟基, 庄佳衍, 陈钱, 顾国华, 张闻文, 钱惟贤, 隋修宝, 于雪莲, 路东明 申请人:南京理工大学