摘 要

压缩感知与图像重构技术如今是21世纪科学研究的热点与难点之一，随着科学技术的不断进步，无镜头相机也即将应运而生，传统相机逐渐将被无镜头相机代替。

无镜头相机使用特制的薄膜来替代传统相机的镜头镜片，这样便能在大幅度减少相机厚度的同时又兼顾了相机原有的调焦功能，无镜头相机的原理是将最新研发的的薄膜置于图像传感器前，对进入的光线所形成的影像进行处理，使之成为图像数据，然后通过图像重构技术，将形成的影响对应的图像数据转换为对应的实际场景中的景象，即我们所拍摄的的物体。

目前，无镜头相机的设计许多方面还存在问题，比如在薄膜的选择上，如何保证薄膜对光线的敏感度以及对温度的耐受性便是一个重要课题。此外，实际应用当中的无镜头相机必然会受到极强的噪声干扰，因此，如何避免噪声干扰以及如何在受到噪声干扰的情况下尽可能还原出原始图像就是一个重点与难点。最后，无镜头相机的图像重构技术是无镜头相机最重要也最需要克服的问题，重构速度与重构图像还原度是首先需要考虑的问题。

本文中，我们将着重讨论分析图像重构技术以及压缩感知理论，对测量矩阵与图像重构的精确性进行运算分析，并且进行进一步的优化处理。除此以外，文本将对无镜头相机的实验平台及原型进行展示与分析说明。

关键词：无镜头相机，图像重构，压缩感知，测量矩阵，重构算法

Abstract

Compressed sensing and image reconstruction technology is now one of the hot and difficult scientific research in the 21st century. With the continuous progress of science and technology, no camera is coming into being, and the traditional camera will gradually be replaced by no lens.

No lens camera using a special film to replace the traditional camera lens lens, which will be able to significantly reduce the thickness of the camera while taking into account the camera's original focus function, no lens camera principle is the latest research and development of the film Before the image sensor, the image formed by the incoming light is processed to be the image data, and then the image data corresponding to the influence of the image is converted into the corresponding scene in the actual scene by the image reconstruction technique, Shoot the object.

At present, there are many aspects of the design of lensless cameras, such as the choice of the film, how to ensure the sensitivity of the film and the sensitivity to the temperature is an important issue. In addition, the practical application of the lensless camera will inevitably be a strong noise interference, so how to avoid noise interference and how to noise in the case of the original image as much as possible to restore the original image is a key and difficult. Finally, the image reconstruction technology without lens camera is the most important and most need to overcome the problem of lens camera. Reconstruction speed and reconstructed image reduction degree are the first problems to be considered.

In this paper, we will focus on the analysis of image reconstruction technology and compression perception theory, the measurement matrix and image reconstruction of the accuracy of the operation analysis, and further optimization. In addition, the text will be no lens camera experimental platform and prototype display and analysis.

Key words: no lens camera, image reconstruction, compression perception, measurement matrix, reconstruction algorithm

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目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 无镜头相机研究现状 1

1.3 无镜头相机的应用及存在问题 1

1.4 本文的主要研究内容及章节结构安排 1

第2章 压缩感知及图像重构介绍及原理 3

2.1 压缩感知及图像重构理论框架 3

2.2.1 稀蔬表示 4

2.2.2 测量矩阵 5

2.3 图像重构及其几种算法 8

第3章 无镜头相机原型设计 10

3.1 无镜头相机成像原理及相对传统相机优势 10

3.2 无镜头体系结构及相关工作 11

3.2.1 无镜头相机的体系结构 11

3.2.2压缩测量 12

3.2.3孔径组件的选择 12

3.2.4 多视点成像 12

3.4 无镜头相机原型 14

第4章 无镜头相机中的原始图像重构测试结果分析 16

4.1 实验平台搭建 16

4.1.1测量矩阵结果 17

4.2 图像重构方法及仿真结果 19

4.3 优化的测量矩阵获得方法及结果 20

4.3.1 优化的测量矩阵获得方法 20

4.3.2 优化的测量矩阵结果 21

4.4 优化的图像重构仿真结果 22

第5章 总结与展望 26

5.1 总结 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

进入21世纪，世界已经步入信息化社会，相比传统的数据信息，如今的信息又增加了声、光等。信息的种类不断增加，而与此同时，信息数据的传输速度也到达了前所未有的高度，同时数据信息所包含的信息量也不断扩张。过去那些信息处理的方法如今已逐渐被淘汰，如何精确并且快速的处理这些信息已成为通信领域的难点与热点之一。经典的香浓理论认为，采样频率应满足其大小为奈奎斯特频率^[1]的两倍或者以上，才可以不失真地复原原始模拟信号，但是由于其中没利用除了信号是有线带宽以外的任何其他的先验信息，收集到的数据存在很大程度的冗余。因此，人们已经着手研究新的方法，目的是在精确重构信号的基础上，寻找一个对带宽要求不那么高的方法来实现信号重构。

1.2 无镜头相机研究现状

我们的目标为搭建一个无镜头的压缩成像体系结构。而目前人们正在研究与使用的压缩感知理论，可以大大减少使用的传感器的数目，并且使收集到的数据具有更小的冗余度，有望将信号采样速率大幅降低，同时还能保持优良的信号还原性能，这两个优点对于目前的信号处理现状而言意义重大。

压缩感知^[2]重构是压缩感知最重要的部分，因压缩感知能够同时进行压缩采样两个过程，到目前为止，中外已经有许多学者提出并进行了诸多实践。在计算机科学与应用研究领域，如何应用软件平台快速生成随机高斯矩阵以改善重构算法的重构质量。