作者：刘衍

【嵌牛导读】：传统基于奈奎斯特定律的信号采样方法暴露出来的缺点越来越多，几年来一种新的理论----压缩感知打破了奈奎斯特采样定理（采样速率大于信号最高频率的两倍），成为了新的研究热点。

【嵌牛鼻子】：压缩感知;信号采集;欠奈奎斯特采样;正交匹配追踪

【嵌牛提问】：压缩感知的原理？

【嵌牛正文】：

压缩感知原理

2004年，D.Donoho等人提出了压缩感知理论，Tao T等人在此基础上进行了改进[ ]，为超宽带信号采集问题的解决开辟了一条新的道路。该理论是假设待采样信号在某个空间内具有稀疏的特性（只有少量的非零元素），利用测量矩阵将高维的稀疏信号投影为低维的测量值，从而完成对信号的压缩。然后通过优化求解的方法，可以精确重构出原始信号。该理论将压缩和数模变换合围一体，利用低采样率完成对宽带信号的压缩采样，降低了对AD器件性能的要求，具有十分良好的发展前景，其系统框图如下图所示。

压缩感知主要分为三个部分：信号稀疏表示、压缩测量、信号重构。

信号稀疏表示：

首先介绍一下压缩感知中十分重要的几个概念。

稀疏性：如果一个向量的大多数元素都为0，只有少量元素具有有效值，那么这个向量就具有稀疏性[ ]。

稀疏度：如果一个向量中非零元素个数小于N，即‖x‖_0

压缩测量：

压缩测量是压缩感知中非常重要的一步，其关键在于压缩矩阵的选择。压缩矩阵的作用就是将高维的信号映射为低维的输出信号，完成信号的压缩测量。测量过程可以用下式表示。

令测量矩阵A_(l*n)=φ_(l*n)*Ɵ_(n*n)，上式可简化为下式：

如果要求信号能够重构，那么这种映射应该是一一对应的，即特定的µ只能映射为唯一的y。这样的唯一性是保证信号能够精确重构的前提。为了满足这样的重构条件，测量矩阵A必须满足一定的条件。T.TAO等人提出为此提出了RIP条件（受限等距特性）。如果A能满足下式的不等式:

上式表示在测量矩阵满足RIP条件时，重构出的信号的误差在相当小的一个范围内。经过上面的讨论，我们就为精确重构出信号提供了理论上的保障。

信号重构：

重构算法是压缩感知的核心内容和最后一步，其恢复精确度和算法复杂程度决定了采样系统的可行性和实用性。由采样输出y_(l*1)求解输入信号µ_(n*1)是一个未知数个数多余方程个数的欠定方程。通常情况下其解有无数个，需要进行优化求解来确定最优解。

常用的优化求解算法为：贪婪算法，凸优化算法和组合算法。

压缩感知应用

AIC(模拟信息转换器)，其结构如下图所示。

单像素相机

每次只取一个像素点，随机取若干次。运用算法对所取的像素值进行处理，恢复出原始信号

医学成像