三維模型壓縮感知與快速恢復(fù)方法研究

壓縮感知是一種基于信號稀疏表達(dá)的壓縮采樣技術(shù)，在信號處理、數(shù)據(jù)壓縮、機(jī)器學(xué)習(xí)等多個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。課題組依托本項(xiàng)目進(jìn)行了：（1）壓縮感知信號的快速恢復(fù)；（2）三維模型的稀疏化表達(dá)；（3）稀疏表達(dá)與快速恢復(fù)算法的推廣應(yīng)用三個方面的研究工作。主要研究成果有以下幾個方面： 首先，在壓縮感知信號的快速恢復(fù)算法方面：（1）設(shè)計(jì)光滑函數(shù)擬合信號的0范數(shù)作為壓縮感知信號恢復(fù)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以避免求解NP問題及不可解情況；（2）求解過程中設(shè)計(jì)了類牛頓方法的搜索方向進(jìn)行求解，使求解速度達(dá)到線性速度；（3）設(shè)計(jì)了全空間信號0范數(shù)的凸擬合函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，將n元函數(shù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)閚個一元函數(shù)優(yōu)化問題，求解過程中利用快速收縮算法進(jìn)行求解，使收斂速度達(dá)到二階收斂。 其次，利用三維模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其幾何結(jié)構(gòu)的稀疏化表達(dá)，并進(jìn)而對其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮采樣，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)三維模型的壓縮與快速恢復(fù)，為大規(guī)模醫(yī)學(xué)三維模型的存儲與傳輸提供了理論基礎(chǔ)。 最后將稀疏表達(dá)與壓縮感知恢復(fù)方法應(yīng)用于：圖像去噪、邊緣檢測、目標(biāo)跟蹤、以及超分辨率圖像處理等方面。壓縮感知信號恢復(fù)方法能簡單快速的進(jìn)行圖像處理相關(guān)問題的建模；稀疏化表達(dá)可以加快模型的求解。 在項(xiàng)目進(jìn)展后期，項(xiàng)目組根據(jù)目前計(jì)算機(jī)的研究熱點(diǎn)開展了深度學(xué)習(xí)、圖像評價、多曝光圖像融合等方面的研究工作。稀疏化表達(dá)與壓縮感知理論在這些相關(guān)領(lǐng)域依然有重要的作用和價值，將為項(xiàng)目組在當(dāng)前計(jì)算機(jī)熱門領(lǐng)域中的研究工作提供重要的理論創(chuàng)新基礎(chǔ)。

三維模型的壓縮表達(dá)與快速恢復(fù)方法是高效存儲與使用模型的關(guān)鍵，在數(shù)字娛樂、動畫制作以及虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域有著深入廣泛的應(yīng)用背景。本項(xiàng)目以幾何信號處理理論為基礎(chǔ)，探索三維模型的稀疏化表達(dá)、壓縮感知以及快速恢復(fù)方法，并將研究成果應(yīng)用于大型三維模型庫的快速檢索上。針對目前三維模型數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，結(jié)合壓縮感知理論、凸優(yōu)化方法以及高性能計(jì)算理論開展三維模型壓縮與快速恢復(fù)算法的創(chuàng)新性研究。主要研究內(nèi)容包括：三維模型的稀疏化表達(dá)、稀疏約束下的優(yōu)化算法、魯棒的二階精度優(yōu)化算法、三維模型快速檢索框架的建立等。本研究將為三維模型的遠(yuǎn)距離傳輸、本地大量存儲、以及海量三維模型庫的快速檢索奠定理論和方法的基礎(chǔ)。

將壓縮感知技術(shù)引入CMOS圖像傳感器中，在傳感器像素陣列級實(shí)現(xiàn)冗余信息的集成壓縮，提高圖像轉(zhuǎn)換速度并降低系統(tǒng)功耗。本項(xiàng)目基于壓縮感知理論，主要研究了在圖像傳感過程中消減冗余數(shù)據(jù)的CMOS 圖像傳感器設(shè)計(jì)理論和方法，研究了數(shù)字降噪和頻域冗余數(shù)據(jù)壓縮的方法，研究了一種適用于時間延時積分電荷域累加型耦合式轉(zhuǎn)移輸出的機(jī)制，研究了解碼式3D堆疊結(jié)構(gòu)等模式提高像素存儲穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，研究了可應(yīng)用于圖像傳感器的高精度Cyclic ADC?；趬嚎s感知架構(gòu)重點(diǎn)研究了面向 SOPC 實(shí)現(xiàn)的快速圖像融合技術(shù)，研究了基于相似特征三角形的圖像配準(zhǔn)算法，研究了圖像分類的降維處理算法，以及圖像去噪、圖像濾波、圖像編解碼等相關(guān)應(yīng)用于壓縮感知圖像處理算法。最終建立一套基于壓縮感知的新型CMOS 圖像傳感器理論和方法模型，完成核心圖像信息壓縮處理算法及實(shí)現(xiàn)電路的建模、分析和優(yōu)化，在電路精度、功耗和面積占用實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)CIS高性能傳感成像和高效率數(shù)據(jù)輸出處理。

將壓縮感知技術(shù)引入CMOS圖像傳感器中，可以在圖像光電轉(zhuǎn)換之后，直接對信號進(jìn)行壓縮采樣，將信號采集和壓縮同時進(jìn)行，可以有效減少輸入數(shù)據(jù)量，提高轉(zhuǎn)換速度并降低系統(tǒng)功耗。利用CMOS 工藝特征尺寸縮小等新技術(shù)工藝，結(jié)合現(xiàn)代信息處理和壓縮理論，可以在傳感器像素陣列級實(shí)現(xiàn)冗余信息的集成壓縮。本項(xiàng)目基于壓縮感知理論，研究在圖像傳感過程中消減冗余數(shù)據(jù)的CIS設(shè)計(jì)理論，研究像素級數(shù)字降噪和頻域冗余數(shù)據(jù)壓縮的方法，借鑒存儲陣列冗余糾錯編碼等模式提高像素存儲穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，結(jié)合運(yùn)動估計(jì)進(jìn)行幀差時域冗余信息消除。最終建立一套基于壓縮感知的新型CMOS 圖像傳感器理論和方法模型，完成核心像素圖像信息壓縮處理電路的建模、分析和優(yōu)化，在電路精度、功耗和面積占用實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)CIS高性能傳感成像和高效率數(shù)據(jù)輸出處理。研究成果為小尺寸工藝下新一代高智能化CMOS 圖像傳感器芯片設(shè)計(jì)提供可行性理論指導(dǎo)和技術(shù)方法，并廣泛應(yīng)用于圖像信息采集系統(tǒng)。