压缩感知理论
压缩感知(Compressive Sensing, CS)是一种突破 Nyquist 采样定理的新型信号采集理论:当信号在某个变换域具有稀疏性时,可以远低于 Nyquist 率的采样速率进行采集,并通过非线性优化算法精确重建原始信号。由 Donoho、Candès、Romberg、Tao 等在 2006 年前后正式提出。
核心思想
稀疏表示
- 如果信号 在某个正交基 (如 DCT、小波)下仅有 个非零系数,则称信号是 K-稀疏 的
- 自然信号(包括神经信号、图像、音频)在适当变换域中通常呈现近似稀疏性
测量过程
其中:
- 为测量矩阵()
- 为压缩测量值
- 为稀疏系数向量
- 为传感矩阵
约束等距性 (RIP)
测量矩阵 需满足:
- 随机矩阵(高斯、伯努利)以高概率满足 RIP
- RIP 保证测量过程保持稀疏信号的欧几里得距离
重建算法
| 类别 | 算法 | 特点 |
|---|---|---|
| 凸优化 | BP (Basis Pursuit) | 范数最小化,精度高,计算量大 |
| 贪婪迭代 | OMP (Orthogonal Matching Pursuit) | 逐次选择原子,计算效率高 |
| 贪婪迭代 | CoSaMP、IHT | 处理噪声能力强 |
| 贝叶斯 | BCS (Bayesian CS) | 利用先验统计信息 |
OMP 算法步骤
- 初始化残差 ,索引集
- 找到与残差最相关的原子:
- 更新索引集:
- 最小二乘更新信号估计:
- 更新残差,迭代直至收敛或达到稀疏度 K
在生物医学中的应用
神经信号采集
- 皮层脑电(ECoG)和多通道神经信号在时域/频域具备稀疏性
- CS 可实现多通道同时压缩,大幅降低无线传输数据率
- 典型方案:随机调制积分器(RMI)+ 低速率 ADC
压缩域特征提取
- 无需完全重建信号,可直接在压缩域提取统计特征(能量、带通功率等)
- 特征提取 + CS 结合 → 极致功耗效率(如 Shoaran 2016 的亚 µW/通道实现)
- 适用于植入式设备的长期神经监测
其他应用
- MRI 加速成像(压缩感知 MRI)
- 无线体域网(WBAN)低功耗传感器
- 超宽带雷达与生物遥测
设计权衡
| 参数 | 影响 |
|---|---|
| 压缩比 | 越高 → 数据率越低,但重建难度增加 |
| 稀疏度 | 信号越稀疏 → 所需测量数越少 |
| 测量矩阵类型 | 随机矩阵通用性好,结构化矩阵硬件友好 |
| 重建算法选择 | OMP 适合实时,BP 适合高精度 |
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