[論文レビュー] FPA-CS: Focal Plane Array-based Compressive Imaging in Short-wave Infrared

Huaijin Chen, M. Salman Asif+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2015

Sparse and Compressive Sensing Techniques参考文献 33被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、短波長赤外（SWIR）帯域におけるメガピクセル解像度のビデオレート撮影を実現するために、64×64の並列単画素カメラ（SPC）を用いた焦点面アレイベースの圧縮センシング（CS）アーキテクチャ、FPA-CSを提案する。並列圧縮測定と3次元全変動（3D-TV）再構成を活用することで、単一画素カメラに比べ4096倍の測定レートを達成し、低コストでリアルタイムかつ高解像度のSWIR撮影を実現する。

ABSTRACT

Cameras for imaging in short and mid-wave infrared spectra are significantly more expensive than their counterparts in visible imaging. As a result, high-resolution imaging in those spectrum remains beyond the reach of most consumers. Over the last decade, compressive sensing (CS) has emerged as a potential means to realize inexpensive short-wave infrared cameras. One approach for doing this is the single-pixel camera (SPC) where a single detector acquires coded measurements of a high-resolution image. A computational reconstruction algorithm is then used to recover the image from these coded measurements. Unfortunately, the measurement rate of a SPC is insufficient to enable imaging at high spatial and temporal resolutions. We present a focal plane array-based compressive sensing (FPA-CS) architecture that achieves high spatial and temporal resolutions. The idea is to use an array of SPCs that sense in parallel to increase the measurement rate, and consequently, the achievable spatio-temporal resolution of the camera. We develop a proof-of-concept prototype in the short-wave infrared using a sensor with 64$ imes$ 64 pixels; the prototype provides a 4096$ imes$ increase in the measurement rate compared to the SPC and achieves a megapixel resolution at video rate using CS techniques.

研究の動機と目的

• 単一画素カメラ（SPC）の低測定レートが、高解像度・ビデオレートのSWIR撮影を制限する問題を克服すること。
• インジウムガリウム砒素（InGaAs）などの高価な材料で作られる高解像度SWIRセンサの高コスト問題を解決すること。
• 圧縮センシングの原則に従い、スケーラブルでコスト効率の良い従来のSWIRカメラの代替を構築すること。
• CSアーキテクチャにおける空間帯域積の制約をバランスさせ、空間的・時間的解像度を向上させること。
• SWIR帯域で1メガピクセルのビデオをビデオレートで再構成可能な機能的なプロトタイプを実証すること。

提案手法

• FPA-CSアーキテクチャは、64×64の単一画素センサからなる焦点面アレイを用い、各センサが独立したSPCとして機能することで、圧縮測定を並列に取得する。
• アレイ内の各センサは、DMD（デジタル・ミラー・デバイス）から供給されるプログラマブルな変調マスクを用いて、シーンの強度の符号化された線形結合を測定する。
• 4096個のSPCが統合されたシステム行列は、安定的かつ頑健な画像再構成を保証するために、良好に条件付けられている。
• 時間的・空間的冗長性を活用することで、3次元全変動（3D-TV）最適化問題を用いて動画シーケンスを再構成する。
• ハダマードとランダムバイナリの2種類の変調パターンを評価したが、両者とも50%の光透過率を達成し、ほぼ同一の再構成品質を示した。
• センサ-DMDの不整合によって生じる動きやブロックノイズのアーチファクトを低減するために、再構成後処理として3次元メディアンフィルタを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 並列に配置された単一画素圧縮センサアレイは、単一のSPCに比べて顕著に高い測定レートを達成できるか？
• RQ2 DMDとセンサアレイ間の空間帯域積の不一致が、圧縮撮影性能に与える影響は何か？
• RQ3 3次元全変動正則化は、圧縮測定から高品質でビデオレートのSWIR画像を効果的に再構成できるか？
• RQ4 変調マスク設計（ハダマード対ランダムバイナリ）が再構成忠実度および信号対雑音比に与える影響は何か？
• RQ5 FPA-CSは、従来のSWIR撮影システムのコストおよび解像度の制限をどの程度克服できるか？

主な発見

• FPA-CSプロトタイプは、単一画素カメラに比べ4096倍の測定レートを達成し、ビデオレート撮影を可能にした。
• 本システムは、短波長赤外帯域で1メガピクセルの画像をビデオレートで効果的に再構成した。
• 1フレームあたりT=16およびT=22フレームを用いることで、それぞれ32 fpsおよび21.8 fpsの有効なビデオレートを達成し、圧縮率α=16およびα=11.6を実現した。
• ハダマードおよびランダムバイナリの両方の変調マスクが、ほぼ同一の再構成品質を示し、両者とも50%の光透過率を達成した。
• 鋭いエッジ付近に運動アーチファクトおよびブロックノイズの構造的アーチファクトが観察されたが、3次元メディアンフィルタを適用することで顕著に低減された。
• 本システムはシーンの複雑さに制限を受ける。爆発する風船のような非常に動的なシーンでは、空間的・時間的冗長性が低いため、効果的な再構成が困難であった。