压缩传感

f压缩传感(Compressive Sensing)是一个很有意思的新的方向。它也正成为信号处理
领域的“A Big Idea”。对于信号 x R N×1 ,我们可以找到它的 M 个线性测量( Liner
Measurement), s = Φx 。 Φ ∈ R M ×N 。这里, Φ 的每一行可以看作是一个传感器(Sensor),
它与信号相乘,拾取(Acquisition)了信号的一部分信息。拥有了这 M 个测量和Φ ,我
们就可以近乎完美的重构原始信号了。听起来“相当”传奇,事实上,它基于如下严格的数
学最优化(Optimization)问题:
目标函数
min || y ˆ ||0 ,且满足等式约束ΦΨ H y ˆ = s
或者,可以写成
min || s − ΦΨ H y ˆ ||2 +λ || y ˆ ||0
求解该最优化问题,得到变换域的 y ˆ ,然后反变换,便可以得到时域的 x ˆ 。公式中的 2 是我
们熟悉的 2-范数,而 0 是什么呢?是 0-范数,也就是向量 y ˆ 中非零元素的个数。看起来很
有道理,因为 y ˆ 是待求的变换域向量,它是 K 稀疏的。使 y ˆ 非零元素的个数尽量小,也就
是保留了尽量少的重要的 K 个分量,显然这几个分量可以近乎完美重构 x 。我们回到传统
的思路,这 K 个分量是我们在变换域“自适应”找的,而该优化算法也可以使我们找到这 K
个分量。
这就足够了吗?显然不行,我们仍然没有探讨测量矩阵Φ 需要满足的性质。我们用极
限分析法。如果我们把 Φ 构造成和 Ψ H 极端相似(Coherence)的矩阵,也就是拿出 Ψ 的
M 行。用这个算法求 y ˆ ,我们将得到,这显然是错误的。也就是说,你
强迫的认为前 M 个变换域分量是重要的。而事实是,重要的 K 个分量的位置我们事先是不
知道的, 是随着信号的不同而不同的。当然, 你可以将Φ 恰好构造成对应最重要分量的 K 行,
得到正确的结果。而这种的做法要付出的概率代价KN1C。也就是说,你必须穷举 KC N 次,才
能得到你想要的结果。但是,即使你有幸碰到了它,也并不能肯定这个结果就是对的。因此,
我们选择Φ 和Ψ H 极端不相似(Extremely Incoherence)。于是, Φ 很大程度上和随机
(Randomness)这个词相联系, 它可以是满足高斯分布的白噪声矩阵, 或贝努里分布的±1矩
阵 ( 也 称 作 Noiselet ) 等 等 。 除 此 之 外 , 我 们 希 望 线 性 测 量 有 稳 定 的 能 量 性 质 :
,也就是它要保持 K 个重要分量的长度。综合上面的,我们有
了如下编码解码的策略:
编码:构造Φ ,生成测量 s = Φx ,保留 s
解码:构造同样的Φ ,构造任一种正交变换Ψ H ,根据 s 重构 x
压缩传感的优势:1、非自适应(Non-Adaptive)的,一开始就可以传输长度较短的信
号,甚至突破采样定理的极限。2、抗干扰, s 中任何一项都是重要的,或者说不重要的。
丢失了某几项,仍然可以完美重构。它的缺点:1、实际中, s 的长度一般是重要分量长度
的4 倍,才能近乎完美重构。数学上更严格的, M ≈ 4K 或者 log2( )NKM

时间: 2024-10-05 16:28:46

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