压缩感知介绍
压缩感知介绍
f 2 ( x)
Minmum
Minmum
f1 (x)
压缩感知稀疏优化原理示意图
Two-Objective Minimum Problem:
Minmum
f (x) ( f1 (x), f 2 (x))
Pareto前沿
f 2 ( x)
Minmum
f1()：k f2()：err
University of illinois
压缩感知应用实例十—动态CT图像 重建
压缩感知介绍
压缩感知介绍
1.压缩感知简介。
2.压缩感知的优势。
3.压缩感知稀疏优化原理示意图。
4.压缩感知应用条件。
5. 压缩感知应用。
背景
信息技术飞速发展：信息需求量剧增。
带宽增加：采样速率和处理速率增加。
压缩感知的发现者
伊曼纽尔· 坎迪斯： “这就好像，你给 了我十位银行账号 的前三位，然后我 能够猜出接下来的 七位数字。” 华裔数学家陶哲 轩
压缩感知介绍
1.压缩感知简介。 2.压缩感知的优势。
3.压缩感知稀疏优化原理示意图。
4.压缩感知应用条件。
5. 压缩感知应用。 6.工作中可能结合之处。
压缩感知稀疏优化原理示意图
Two-Objective Minimum Problem:
Minmum
f (x) ( f1 (x), f 2 (x))
压缩感知介绍
1.压缩感知简介。
2.压缩感知的优势。
3.压缩感知稀疏优化原理示意图。
4.压缩感知应用条件。
5. 压缩感知应用。
传统的数据压缩与压缩感知
采集
压缩
解压
直接采集压缩后的数据
压缩感知简介
2011.No31 03.2 熟悉结构施工图结构施工图是关于承重构件的布置,使用的材料、形状、大小及内部构造的工程图样,是承重构件以及其他受力构件施工的依据。
看结构施工图最难的就是钢筋，要把结施图看懂就要知道钢筋的分布情况，现在都是在使用平法来标示钢筋，所以也要把平法弄懂才行。
在识读与熟悉结施图的过程中应该充分结合钢筋平法表示的系列图集，搞清楚：a 各结构构件的钢筋的品种，规格，以及受力钢筋在各构件的布置情况。
b 箍筋与纵向受力钢筋的位置关系。
c 各个构件纵向钢筋以及箍筋弯钩的角度及其长度。
d 熟悉各构件节点的钢筋的锚固长度。
e 熟悉各个构件钢筋的连接方式。
f 熟悉在钢筋的搭接区域内，钢筋的搭接长度。
g 核算钢筋的间距是否满足施工要求，尤其是各个构件节点处的钢筋间距。
h 弯起钢筋的弯折角度以及离连接点的距离。
除此以外，对于钢筋混凝土构件，还应该熟悉各个构件的砼保护层厚度，各个构件的尺寸大小、布置位置等。
特别注意的是对于结施图的阅读应充分结合建施图进行。
4 结束语在熟悉施工图纸的过程中，施工技术人员对于施工图纸中的疑问，和比较好的建议应该做好记录，为后续工作（图纸自审和会审）做好准备。
参考文献[1]《建筑识图》周坚主编 中国电力出版社 2007年；[2]《建筑工程项目管理》银花主编 机械工业出版社 2010年；摘 要 压缩感知（Compressive Sensing, CS）理论是一个充分利用信号稀疏性或可压缩性的全新信号采集、编解码理论。
本文系一文献综述，主要介绍了压缩感知的三部分即信号的稀疏表示、测量矩阵的设计、信号恢复算法的设计。
关键词 压缩感知 稀疏表示 测量矩阵 信号恢复算法1 引言1928年由美国电信工程师H.奈奎斯特（Nyquist）首先提出，1948年信息论的创始人C.E.香农（Shannon）又对其加以明确说明并正式作为定理引用的奈奎斯特采样定理，是采样带限信号过程所遵循的规律。
压缩感知
压缩感知，又称压缩采样，压缩传感。
它作为一个新的采样理论，它通过开发信号的稀疏特性，在远小于Nyquist 采样率的条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号[1]。
压缩感知理论一经提出，就引起学术界和工业界的广泛关注。
他在信息论、图像处理、地球科学、光学/微波成像、模式识别、无线通信、大气、地质等领域受到高度关注，[2]并被美国科技评论评为2007年度十大科技进展。
编辑本段基本知识现代信号处理的一个关键基础是Shannon 采样理论：一个信号可以无失真重建所要求的离散样本数由其带宽决定。
但是Shannon 采样定理是一个信号重建的充分非必要条件。
在过去的几年内，压缩感知作为一个新的采样理论，它可以在远小于Nyquist 采样率的条件下获取信号的离散样本，保证信号的无失真重建。
压缩感知理论一经提出，就引起学术界和工业的界的广泛关注。
[3]压缩感知理论的核心思想主要包括两点。
第一个是信号的稀疏结构。
传统的Shannon 信号表示方法只开发利用了最少的被采样信号的先验信息，即信号的带宽。
但是，现实生活中很多广受关注的信号本身具有一些结构特点。
相对于带宽信息的自由度，这些结构特点是由信号的更小的一部分自由度所决定。
换句话说，在很少的信息损失情况下，这种信号可以用很少的数字编码表示。
所以，在这种意义上，这种信号是稀疏信号（或者近似稀疏信号、可压缩信号）。
另外一点是不相关特性。
稀疏信号的有用信息的获取可以通过一个非自适应的采样方法将信号压缩成较小的样本数据来完成。
理论证明压缩感知的采样方法只是一个简单的将信号与一组确定的波形进行相关的操作。
这些波形要求是与信号所在的稀疏空间不相关的。
压缩感知方法抛弃了当前信号采样中的冗余信息。
它直接从连续时间信号变换得到压缩样本，然后在数字信号处理中采用优化方法处理压缩样本。
这里恢复信号所需的优化算法常常是一个已知信号稀疏的欠定线性逆问题。
压缩感知简介
压缩感知简介 压缩感知（也称为压缩感知、压缩采样或稀疏采样）是⼀种信号处理技术，通过寻找⽋定线性系统的解决⽅案来有效地获取和重构信号。
这是基于这样的原理，即通过优化，可以利⽤信号的稀疏性从⽐Nyquist-Shannon 采样定理所需的样本少得多的样本中恢复它。
有两种情况可以恢复。
第⼀个是稀疏的，这要求信号在某些域中是稀疏的。
第⼆个是不相⼲性，它通过等距属性应⽤，这对于稀疏信号来说已经⾜够了。
概述 信号处理⼯程领域的⼀个共同⽬标是从⼀系列采样测量中重建信号。
⼀般来说，这项任务是不可能的，因为在未测量信号的时间内⽆法重建信号。
然⽽，通过对信号的先验知识或假设，可以从⼀系列测量中完美地重建信号（获取这⼀系列测量称为采样）。
随着时间的推移，⼯程师们对哪些假设是实⽤的以及如何推⼴它们的理解有所提⾼。
信号处理的早期突破是奈奎斯特-⾹农采样定理。
它指出，如果真实信号的最⾼频率⼩于采样率的⼀半，则可以通过sinc 插值完美地重构信号。
主要思想是，利⽤关于信号频率约束的先验知识，重构信号所需的样本更少。
⼤约在 2004 年，Emmanuel Candès、Justin Romberg、Terence Tao和David Donoho证明，在了解信号稀疏性的情况下，可以使⽤⽐采样定理所需更少的样本来重建信号。
这个想法是压缩感知的基础。
历史 压缩传感依赖于其他⼏个科学领域在历史上使⽤过的技术。
在统计学中，最⼩⼆乘法由L1-norm，由Laplace引⼊。
随着线性规划和Dantzig单纯形算法的介绍，L1-norm ⽤于计算统计。
在统计理论中，L1-norm 被George W. Brown和后来的作者⽤于中值⽆偏估计量。
它被Peter J. Huber 和其他从事稳健统计⼯作的⼈使⽤。
L1-norm 也⽤于信号处理，例如，在 1970 年代，地震学家根据似乎不满⾜Nyquist-Shannon 标准的数据构建了地球内反射层的图像。
压缩感知介绍
应用
• 传感器网络：传感节点处理能力低下，电 量有限，压缩感知可以将电力消耗降低， 而相对计算量较大的数据恢复留给接受处 理端。 • 车联网 • 故障诊断等
Traditional way
• 首先，对原始图像做傅里叶或小波变换
x( ) a1 cos(1 1来自) b1 sin() a2000000 cos( 2000000 2000000 ) b2000000 sin()
• 其中只有a1~a100000,b1~b100000有大于 1的值，其余都在系数都在0附近。 • 其次，用一种压缩算法（如jpeg）压缩原始 信号，丢弃掉冗余的信息，压缩时丢失掉 90%的原始信息（假设我们的压缩算法非 常高效）。
问题
• 如果你的照相机收集了如此多的数据只是 为了随后的删除，那么为什么不一开始就 丢弃那90%的数据，直接去除冗余信息不 仅可以节省电池电量，还能节省空间。 • 一个更一般的问题：是否有一种算法，可 以实现通过对信号的高度不完备线性测量 的高精确的重建。 • 这就是压缩感知理论。
• 压缩感知的发现是一次意外，话说一天， 当时是加州理工学院教授（现在去了斯坦 福）的Emmanuel Candès在研究名叫 Shepp-Logan Phantom的图像，这种标准 图像常被计算机科学家和工程师测试图像 算法。Candès检查的图像质量非常差，充 满了噪声，他认为名叫L1-minimization的 数学算法能去除掉噪声条纹，结果算法真 的起作用了，突然就觉得好神奇哦，
启发
• 接上一点，人们据此开发了很多压缩算法 ，如经典的jpeg和MP3，但这些算法都存在 某种共性的问题。第一、它是发生在数据 已经被完整采集到之后；第二、它本身需 要复杂的算法来完成。相较而言，解码过 程反而一般来说在计算上比较简单，以音 频压缩为例，压制一个 mp3 文件的计算量 远大于播放（即解压缩）一个 mp3 文件的 计算量。
压缩感知介绍PPT-
❖ 但将其变换到 域
时，非零值就只有3 个了，数目远小于 原来的非零数目，实 现了信号的稀疏表 示。
1 压缩感知理论分析
如何找到信号的最佳稀疏域呢？
❖ 这是压缩感知理论的基础和前提，也是信号精确重构的保证。 对稀疏表示研究的热点主要有两个方面：
❖ 1、基函数字典下的稀疏表示： ❖ 寻找一个正交基使得信号表示的稀疏系数尽可能的少。比较
2 压缩感知应用
2.4 CS雷达
❖ 在雷达目标探测中，目标相对于背景高度稀疏， 与复杂的雷达系统、海量数据呈现极度的不平 衡，这就为CS技术在雷达目标探测与识别的应 用提供了必要的条件。
❖ 3.4.1 CS与传统的高分辨雷达 ❖ 3.4.2 CS与MIMO雷达 ❖ 3.4.3 CS与雷达成像
2 压缩感知应用
2 压缩感知应用
分布式压缩感知（DCS）与MIMO雷达
（3） DCS-MIMO联合重构算法 求 解 欠 定 方 程 的 处 理 过 程 ， 实 现 DCSMIMO雷达信号重构。 常采用的方法有贪婪算法、粒子群算法、 模拟退火算法等优化算法。
3 压缩感知应用
3.4.3 CS与雷达成像
基于CS的SAR成像需要解决的主要问题有:
系数越多。
1 压缩感知理论分析
第三步：信号重构
❖ 首先介绍下范数的概念。向量的p-范数为：
s p
1
s N
i 1
p i
p
当p=0时得到0-范数，它表示上式中非零项的个 数。
❖ 由于观测数量M N，不能直接求解，在信号 x
可压缩的前提下，求解病态方程组的问题转化 为最小0-范数问题：
min T x
稀疏信号的字典集 ，并且 与 是不相关的。利用这个
通感算一体化,压缩感知
通感算一体化,压缩感知压缩感知是一种通感算一体化的技术，它可以将大量的数据进行压缩处理，以便更高效地传输和存储。
这项技术的应用十分广泛，涉及到图像、视频、音频等各个领域。
在这篇文章中，我将以人类的视角来探讨压缩感知的相关内容。
我们来了解一下压缩感知的原理。
压缩感知通过对信号进行采样，然后将采样结果与信号进行匹配，从而找到信号中的稀疏表示。
这样就可以通过较少的采样量来恢复出原始信号，实现数据的压缩。
这种方式可以大大减少传输和存储所需的资源，提高系统的效率。
在图像领域，压缩感知技术可以将图像进行有效的压缩，减小图像文件的大小，同时保持图像的质量。
通过对图像进行采样和稀疏表示，可以减少传输和存储所需的带宽和空间。
这对于网络传输和存储空间有限的场景非常有用。
在视频领域，压缩感知技术同样发挥着重要的作用。
视频数据通常非常庞大，传输和存储成本很高。
通过采用压缩感知技术，可以将视频进行压缩，减小文件大小，提高传输和存储效率。
这对于视频监控、视频会议等应用非常重要。
在音频领域，压缩感知技术可以将音频信号进行压缩，减小文件大小，提高传输和存储效率。
这对于音频流媒体、语音通信等应用非常有益。
除了图像、视频和音频领域，压缩感知技术还可以应用于其他领域，如雷达成像、医学图像处理等。
通过压缩感知技术，可以在保持数据质量的前提下，减小数据量，提高系统的效率。
压缩感知是一种重要的通感算一体化技术，可以在不损失数据质量的前提下，减小数据量，提高系统的效率。
它在图像、视频、音频等各个领域都有广泛的应用。
通过采样和稀疏表示的方式，压缩感知可以实现数据的高效传输和存储。
这项技术的发展将为各个领域带来更多的便利和效益。
希望通过对压缩感知的探讨，能够增加大家对这一技术的了解，推动其在实际应用中的发展和应用。
模式识别-压缩感知
压缩感知理论综述摘要压缩感知，又称压缩采样，压缩传感。
它作为一个新的采样理论，它通过开发信号的稀疏特性，在远小于Nyquist 采样率的条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。
压缩感知理论一经提出，就引起学术界和工业界的广泛关注。
他在信息论、图像处理、地球科学、光学/微波成像、模式识别、无线通信、大气、地质等领域受到高度关注，并被美国科技评论评为2007年度十大科技进展。
本文基于压缩感知技术的研究背景以及应用进行了文献综述，首先进行了压缩感知技术理论介绍，对压缩感知技术的产生以及发展做了简单说明，然后分析了压缩感知应用的领域，最后对压缩感知技术的相关研究现状做了介绍。
关键词压缩感知，稀疏表示，稀疏信号1、引言数字图像处理技术的发展，拓宽了人类获取信息的视野范围，研究表明，人眼视觉特性决定了我们只能看到电磁波谱中的可见光部分，其余的红外波段等波谱信息对人眼来说都是不可见的。
而数字图像处理技术可以利用红外、微波等波谱信息进行数字成像，从而将人眼视觉不可感知的信息转变为可视化的图形图像信息。
数字图像处理技术现如今己经深入应用于人们生活的各个领域：经过数字技术加工处理的航空遥感和卫星遥感图像主要用于地形地质、矿藏探查，自然灾害预测预报等领域。
而目前广泛应用于临床诊断和治疗的各种成像技术，如超声波诊断、CT、核磁共振等都用到图像处理技术。
对产品及部件进行无损检测成为数字图像处理技术在工业生产方面的重要应用。
指纹识别系统在公共安全领域得到了广泛使用。
与文字信息不同，图像信息的数据量非常庞大，如果将原始图像直接存储和传输，将会给存储器的容量和通信线路的传输带宽带来巨大的压力，而一味地扩大存储器容量和通信线路带宽也是不现实的，必须采用有效的压缩手段将图像信号进行压缩，因此，图像压缩算法成为了近年来一个非常热点的研究领域。
图1 传统的信号编解码流程现代信号处理的一个关键基础是Shannon 采样理论：一个信号可以无失真重建所要求的离散样本数由其带宽决定。
压缩感知理论
压缩感知理论一、压缩感知理论简介压缩感知，又称压缩采样，压缩传感。
它作为一个新的采样理论，它通过开发信号的稀疏特性，在远小于Nyquist 采样率的条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。
压缩感知理论一经提出，就引起学术界和工业界的广泛关注。
它在信息论、图像处理、地球科学、光学、微波成像、模式识别、无线通信、大气、地质等领域受到高度关注，并被美国科技评论评为2007年度十大科技进展。
二、压缩感知产生背景信号采样是模拟的物理世界通向数字的信息世界之必备手段。
多年来，指导信号采样的理论基础一直是著名的Nyquist 采样定理。
定理指出，只有当采样速率达到信号带宽的两倍以上时，才能由采样信号精确重建原始信号。
可见，带宽是Nyquist 采样定理对采样的本质要求。
但是，对于超宽带通信和信号处理、核磁共振成像、雷达遥感成像、传感器网络等实际应用，信号的带宽变得越来越大，人们对信号的采样速率、传输速度和存储空间的要求也变得越来越高。
为了缓解对信号传输速度和存储空间的压力，当前常见的解决方案是信号压缩但是，信号压缩实际上是一种严重的资源浪费，因为大量采样数据在压缩过程中被丢弃了，它们对于信号来说是不重要的或者只是冗余信息。
故而就有人研究如何很好地利用采集到的信号，压缩感知是由 E. J. Candes 、J. Romberg 、T. T ao 和D. L. Donoho 等科学家于2004 年提出，压缩感知方法抛弃了当前信号采样中的冗余信息。
它直接从连续时间信号变换得到压缩样本，然后在数字信号处理中采用优化方法处理压缩样本。
这里恢复信号所需的优化算法常常是一个已知信号稀疏的欠定线性逆问题。
三、压缩感知理论压缩感知理论主要涉及到三个方面，即信号的稀疏表示、测量矩阵的设计和重构算法的构造。
稀疏信号广义上可理解为信号中只有少数元素是非零的，或者信号在某一变换域内少数元素是非零的。
压缩感知简介
6
2.4 观测基的选取
2. 压缩感知的流程
观测基的意义： 保证能够从观测值准确重构信号，其需要满足一定的限制： 1. 观测基矩阵不稀疏基矩阵的乘积满足RIP性质（有限等距性质） 这个性质保证了观测矩阵丌会把两个丌同的K稀疏信号映射到同 一个集合中。 研究现状： 1. 如果稀疏基和观测基丌相关，则很大程度上保证了RIP性。则一 般用随机高斯矩阵作为观测矩阵。 2. Rademacher矩阵等一样可以满足RIP性质。
1.1 信号获取及压缩
传统成像过程： 被拍摄物体 JPEG编码图像
1. 压缩感知概念
被感知对象
未压缩信号
压缩信号
重建信号
RAW图像
通过显示器显示
1
1.2 压缩感知理论框架
1. 压缩感知概念
被感知对象
压缩感知
重建信号
名称解释：压缩感知 —— 直接感知压缩后的信号。
基本方法：信号在某一个正交空间具有稀疏性（即可压缩性），就能以较
3
2.1 基本理论依据
理论依据：
2. 压缩感知的流程
长度为N的信号X在某个正交基Ψ上是稀疏的， 如果能找到一个不Ψ丌相关（丌相干）的观测基 Φ， 用观测基Φ观测原信号得到M个观测值， K<M<<N ，得到观测值Y， 那么可以利用最优化方法从观测值中高概率重构X。
压缩感知方程为y=Φ x=ΦΨs=Θs。 将原来的测量矩阵Φ变换为Θ=ΦΨ（称之为传感矩阵），解 出s的逼近值s’，则重构后原信号为x’=Ψs’。
7
2.4 重构算法的设计
最后，运用重构算法由测量值及投影矩阵重构原始信号。 信号重构过程一般转换为一个最小L0 范数的优化问题， 求解方法主要有最小L1 范数法、匹配追踪系列算法、最小全变分方法、 迭代阈值算法等。 重构是基于如下严格的数学最优化（Optimization）问题：
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提出的背景
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
传统的信息获取和处理，为达到Nyquist采样率需 要大量的数据。 先采集再压缩然后传输，造成资源浪费。
概念
压缩感知，又称压缩采样，压缩传感。 它作为一个新的采样理论，通过开发信号的稀疏特性，在 远小于 Nyquist 采样率的条件下，用随机采样获取信号的 离散样本，然后通过非线性重建算法，完美的重建信号。
y x s s
（2）
问题阐述
信号稀疏化，也就是稀疏域Ф的选取； 如何建立一个稳定的测量矩阵ψ； 如何设计一个信号重建算法。
问题解决1
信号在某种表示方式下的稀疏性，是压缩感知 应用的理论基础； 经典的稀疏化的方法
离散余弦变换（DCT） 傅里叶变换（FFT） 离散小波变换（DWT）
问题解决3
最小二乘法 最小 范数的求解（几何解释） 欠定方程的求解 最小 范数的求解（最稀疏）
arg min s， such that s, =y s 0
范数的求解 最小
最小
范数的求解（RIP）
arg min s， such that s, =y s 1
扩展与应用
压缩感知
Compressive Sensing Richard Baraniuk Rice University [Lecture Notes in IEEE Signal Processing Magazine] Volume 24, July 2007
提纲
提出的背景 概念 问题阐述 问题解决 扩展与应用
问题阐述
设原始信号x长度为N , 在某个变换域 ψ上具有稀疏性, 即x = ψs, s 中非零元素为K( K<<N ) 个, 是x在变换域 ψ上的稀疏投影。
x si i orx s
i 1 N
（1）
在压缩感知理论中, 测量和编码不再是对信号 x或稀疏 投影s直接进行, 而是将x投影到一组测量基Ф上, 相当 于仅测量了M( M<<N )个投影值, 在这里用向量y表示:
问题解决2
y x s s
（2）
欠定方程 y是非零稀疏 对应的 的K个列向量的线性组合 Candes和Tao 证明ϴ必须满足RIP
v 2 1 1 v 2
（3）
约束等距性的等价条件是测量矩阵ψ和稀疏表示的基 Ф不相关 已经提出的测量矩阵举例：高斯随机测量矩阵
模拟信号 美国 R I CE 大学发明的单像素相机
可以用于需要大面积传感器的拍摄中，利于远距离 拍摄。 目前这种相机的成像效果较差、 成本较高，不利于 市场推广。