Computational Spectral Imaging: A Contemporary Overview

Spectral imaging collects and processes information along spatial and spectral coordinates quantified in discrete voxels, which can be treated as a 3D spectral data cube. The spectral images (SIs) allow identifying objects, crops, and materials in the scene through their spectral behavior. Since most spectral optical systems can only employ 1D or maximum 2D sensors, it is challenging to directly acquire the 3D information from available commercial sensors. As an alternative, computational spectral imaging (CSI) has emerged as a sensing tool where the 3D data can be obtained using 2D encoded projections. Then, a computational recovery process must be employed to retrieve the SI. CSI enables the development of snapshot optical systems that reduce acquisition time and provide low computational storage costs compared to conventional scanning systems. Recent advances in deep learning (DL) have allowed the design of data-driven CSI to improve the SI reconstruction or, even more, perform high-level tasks such as classification, unmixing, or anomaly detection directly from 2D encoded projections. This work summarises the advances in CSI, starting with SI and its relevance; continuing with the most relevant compressive spectral optical systems. Then, CSI with DL will be introduced, and the recent advances in combining the physical optical design with computational DL algorithms to solve high-level tasks

Efficient algorithms and data structures for compressive sensing

Wegen der kontinuierlich anwachsenden Anzahl von Sensoren, und den stetig wachsenden Datenmengen, die jene produzieren, stößt die konventielle Art Signale zu verarbeiten, beruhend auf dem Nyquist-Kriterium, auf immer mehr Hindernisse und Probleme. Die kürzlich entwickelte Theorie des Compressive Sensing (CS) formuliert das Versprechen einige dieser Hindernisse zu beseitigen, indem hier allgemeinere Signalaufnahme und -rekonstruktionsverfahren zum Einsatz kommen können. Dies erlaubt, dass hierbei einzelne Abtastwerte komplexer strukturierte Informationen über das Signal enthalten können als dies bei konventiellem Nyquistsampling der Fall ist. Gleichzeitig verändert sich die Signalrekonstruktion notwendigerweise zu einem nicht-linearen Vorgang und ebenso müssen viele Hardwarekonzepte für praktische Anwendungen neu überdacht werden. Das heißt, dass man zwischen der Menge an Information, die man über Signale gewinnen kann, und dem Aufwand für das Design und Betreiben eines Signalverarbeitungssystems abwägen kann und muss. Die hier vorgestellte Arbeit trägt dazu bei, dass bei diesem Abwägen CS mehr begünstigt werden kann, indem neue Resultate vorgestellt werden, die es erlauben, dass CS einfacher in der Praxis Anwendung finden kann, wobei die zu erwartende Leistungsfähigkeit des Systems theoretisch fundiert ist. Beispielsweise spielt das Konzept der Sparsity eine zentrale Rolle, weshalb diese Arbeit eine Methode präsentiert, womit der Grad der Sparsity eines Vektors mittels einer einzelnen Beobachtung geschätzt werden kann. Wir zeigen auf, dass dieser Ansatz für Sparsity Order Estimation zu einem niedrigeren Rekonstruktionsfehler führt, wenn man diesen mit einer Rekonstruktion vergleicht, welcher die Sparsity des Vektors unbekannt ist. Um die Modellierung von Signalen und deren Rekonstruktion effizienter zu gestalten, stellen wir das Konzept von der matrixfreien Darstellung linearer Operatoren vor. Für die einfachere Anwendung dieser Darstellung präsentieren wir eine freie Softwarearchitektur und demonstrieren deren Vorzüge, wenn sie für die Rekonstruktion in einem CS-System genutzt wird. Konkret wird der Nutzen dieser Bibliothek, einerseits für das Ermitteln von Defektpositionen in Prüfkörpern mittels Ultraschall, und andererseits für das Schätzen von Streuern in einem Funkkanal aus Ultrabreitbanddaten, demonstriert. Darüber hinaus stellen wir für die Verarbeitung der Ultraschalldaten eine Rekonstruktionspipeline vor, welche Daten verarbeitet, die im Frequenzbereich Unterabtastung erfahren haben. Wir beschreiben effiziente Algorithmen, die bei der Modellierung und der Rekonstruktion zum Einsatz kommen und wir leiten asymptotische Resultate für die benötigte Anzahl von Messwerten, sowie die zu erwartenden Lokalisierungsgenauigkeiten der Defekte her. Wir zeigen auf, dass das vorgestellte System starke Kompression zulässt, ohne die Bildgebung und Defektlokalisierung maßgeblich zu beeinträchtigen. Für die Lokalisierung von Streuern mittels Ultrabreitbandradaren stellen wir ein CS-System vor, welches auf einem Random Demodulators basiert. Im Vergleich zu existierenden Messverfahren ist die hieraus resultierende Schätzung der Kanalimpulsantwort robuster gegen die Effekte von zeitvarianten Funkkanälen. Um den inhärenten Modellfehler, den gitterbasiertes CS begehen muss, zu beseitigen, zeigen wir auf wie Atomic Norm Minimierung es erlaubt ohne die Einschränkung auf ein endliches und diskretes Gitter R-dimensionale spektrale Komponenten aus komprimierten Beobachtungen zu schätzen. Hierzu leiten wir eine R-dimensionale Variante des ADMM her, welcher dazu in der Lage ist die Signalkovarianz in diesem allgemeinen Szenario zu schätzen. Weiterhin zeigen wir, wie dieser Ansatz zur Richtungsschätzung mit realistischen Antennenarraygeometrien genutzt werden kann. In diesem Zusammenhang präsentieren wir auch eine Methode, welche mittels Stochastic gradient descent Messmatrizen ermitteln kann, die sich gut für Parameterschätzung eignen. Die hieraus resultierenden Kompressionsverfahren haben die Eigenschaft, dass die Schätzgenauigkeit über den gesamten Parameterraum ein möglichst uniformes Verhalten zeigt. Zuletzt zeigen wir auf, dass die Kombination des ADMM und des Stochastic Gradient descent das Design eines CS-Systems ermöglicht, welches in diesem gitterfreien Szenario wünschenswerte Eigenschaften hat.Along with the ever increasing number of sensors, which are also generating rapidly growing amounts of data, the traditional paradigm of sampling adhering the Nyquist criterion is facing an equally increasing number of obstacles. The rather recent theory of Compressive Sensing (CS) promises to alleviate some of these drawbacks by proposing to generalize the sampling and reconstruction schemes such that the acquired samples can contain more complex information about the signal than Nyquist samples. The proposed measurement process is more complex and the reconstruction algorithms necessarily need to be nonlinear. Additionally, the hardware design process needs to be revisited as well in order to account for this new acquisition scheme. Hence, one can identify a trade-off between information that is contained in individual samples of a signal and effort during development and operation of the sensing system. This thesis addresses the necessary steps to shift the mentioned trade-off more to the favor of CS. We do so by providing new results that make CS easier to deploy in practice while also maintaining the performance indicated by theoretical results. The sparsity order of a signal plays a central role in any CS system. Hence, we present a method to estimate this crucial quantity prior to recovery from a single snapshot. As we show, this proposed Sparsity Order Estimation method allows to improve the reconstruction error compared to an unguided reconstruction. During the development of the theory we notice that the matrix-free view on the involved linear mappings offers a lot of possibilities to render the reconstruction and modeling stage much more efficient. Hence, we present an open source software architecture to construct these matrix-free representations and showcase its ease of use and performance when used for sparse recovery to detect defects from ultrasound data as well as estimating scatterers in a radio channel using ultra-wideband impulse responses. For the former of these two applications, we present a complete reconstruction pipeline when the ultrasound data is compressed by means of sub-sampling in the frequency domain. Here, we present the algorithms for the forward model, the reconstruction stage and we give asymptotic bounds for the number of measurements and the expected reconstruction error. We show that our proposed system allows significant compression levels without substantially deteriorating the imaging quality. For the second application, we develop a sampling scheme to acquire the channel Impulse Response (IR) based on a Random Demodulator that allows to capture enough information in the recorded samples to reliably estimate the IR when exploiting sparsity. Compared to the state of the art, this in turn allows to improve the robustness to the effects of time-variant radar channels while also outperforming state of the art methods based on Nyquist sampling in terms of reconstruction error. In order to circumvent the inherent model mismatch of early grid-based compressive sensing theory, we make use of the Atomic Norm Minimization framework and show how it can be used for the estimation of the signal covariance with R-dimensional parameters from multiple compressive snapshots. To this end, we derive a variant of the ADMM that can estimate this covariance in a very general setting and we show how to use this for direction finding with realistic antenna geometries. In this context we also present a method based on a Stochastic gradient descent iteration scheme to find compression schemes that are well suited for parameter estimation, since the resulting sub-sampling has a uniform effect on the whole parameter space. Finally, we show numerically that the combination of these two approaches yields a well performing grid-free CS pipeline

Plug-and-Play Algorithms for Video Snapshot Compressive Imaging

We consider the reconstruction problem of video snapshot compressive imaging (SCI), which captures high-speed videos using a low-speed 2D sensor (detector). The underlying principle of SCI is to modulate sequential high-speed frames with different masks and then these encoded frames are integrated into a snapshot on the sensor and thus the sensor can be of low-speed. On one hand, video SCI enjoys the advantages of low-bandwidth, low-power and low-cost. On the other hand, applying SCI to large-scale problems (HD or UHD videos) in our daily life is still challenging and one of the bottlenecks lies in the reconstruction algorithm. Exiting algorithms are either too slow (iterative optimization algorithms) or not flexible to the encoding process (deep learning based end-to-end networks). In this paper, we develop fast and flexible algorithms for SCI based on the plug-and-play (PnP) framework. In addition to the PnP-ADMM method, we further propose the PnP-GAP (generalized alternating projection) algorithm with a lower computational workload. We first employ the image deep denoising priors to show that PnP can recover a UHD color video with 30 frames from a snapshot measurement. Since videos have strong temporal correlation, by employing the video deep denoising priors, we achieve a significant improvement in the results. Furthermore, we extend the proposed PnP algorithms to the color SCI system using mosaic sensors, where each pixel only captures the red, green or blue channels. A joint reconstruction and demosaicing paradigm is developed for flexible and high quality reconstruction of color video SCI systems. Extensive results on both simulation and real datasets verify the superiority of our proposed algorithm.Comment: 18 pages, 12 figures and 4 tables. Journal extension of arXiv:2003.13654. Code available at https://github.com/liuyang12/PnP-SCI_pytho

Reconstruction from Spatio-Spectrally Coded Multispectral Light Fields

In dieser Arbeit werden spektral kodierte multispektrale Lichtfelder untersucht, wie sie von einer Lichtfeldkamera mit einem spektral kodierten Mikrolinsenarray aufgenommen werden. Für die Rekonstruktion der kodierten Lichtfelder werden zwei Methoden entwickelt, eine basierend auf den Prinzipien des Compressed Sensing sowie eine Deep Learning Methode. Anhand neuartiger synthetischer und realer Datensätze werden die vorgeschlagenen Rekonstruktionsansätze im Detail evaluiert

Reconstruction from Spatio-Spectrally Coded Multispectral Light Fields

In dieser Arbeit werden spektral codierte multispektrale Lichtfelder, wie sie von einer Lichtfeldkamera mit einem spektral codierten Mikrolinsenarray aufgenommen werden, untersucht. Für die Rekonstruktion der codierten Lichtfelder werden zwei Methoden entwickelt und im Detail ausgewertet. Zunächst wird eine vollständige Rekonstruktion des spektralen Lichtfelds entwickelt, die auf den Prinzipien des Compressed Sensing basiert. Um die spektralen Lichtfelder spärlich darzustellen, werden 5D-DCT-Basen sowie ein Ansatz zum Lernen eines Dictionary untersucht. Der konventionelle vektorisierte Dictionary-Lernansatz wird auf eine tensorielle Notation verallgemeinert, um das Lichtfeld-Dictionary tensoriell zu faktorisieren. Aufgrund der reduzierten Anzahl von zu lernenden Parametern ermöglicht dieser Ansatz größere effektive Atomgrößen. Zweitens wird eine auf Deep Learning basierende Rekonstruktion der spektralen Zentralansicht und der zugehörigen Disparitätskarte aus dem codierten Lichtfeld entwickelt. Dabei wird die gewünschte Information direkt aus den codierten Messungen geschätzt. Es werden verschiedene Strategien des entsprechenden Multi-Task-Trainings verglichen. Um die Qualität der Rekonstruktion weiter zu verbessern, wird eine neuartige Methode zur Einbeziehung von Hilfslossfunktionen auf der Grundlage ihrer jeweiligen normalisierten Gradientenähnlichkeit entwickelt und gezeigt, dass sie bisherige adaptive Methoden übertrifft. Um die verschiedenen Rekonstruktionsansätze zu trainieren und zu bewerten, werden zwei Datensätze erstellt. Zunächst wird ein großer synthetischer spektraler Lichtfelddatensatz mit verfügbarer Disparität Ground Truth unter Verwendung eines Raytracers erstellt. Dieser Datensatz, der etwa 100k spektrale Lichtfelder mit dazugehöriger Disparität enthält, wird in einen Trainings-, Validierungs- und Testdatensatz aufgeteilt. Um die Qualität weiter zu bewerten, werden sieben handgefertigte Szenen, so genannte Datensatz-Challenges, erstellt. Schließlich wird ein realer spektraler Lichtfelddatensatz mit einer speziell angefertigten spektralen Lichtfeldreferenzkamera aufgenommen. Die radiometrische und geometrische Kalibrierung der Kamera wird im Detail besprochen. Anhand der neuen Datensätze werden die vorgeschlagenen Rekonstruktionsansätze im Detail bewertet. Es werden verschiedene Codierungsmasken untersucht -- zufällige, reguläre, sowie Ende-zu-Ende optimierte Codierungsmasken, die mit einer neuartigen differenzierbaren fraktalen Generierung erzeugt werden. Darüber hinaus werden weitere Untersuchungen durchgeführt, zum Beispiel bezüglich der Abhängigkeit von Rauschen, der Winkelauflösung oder Tiefe. Insgesamt sind die Ergebnisse überzeugend und zeigen eine hohe Rekonstruktionsqualität. Die Deep-Learning-basierte Rekonstruktion, insbesondere wenn sie mit adaptiven Multitasking- und Hilfslossstrategien trainiert wird, übertrifft die Compressed-Sensing-basierte Rekonstruktion mit anschließender Disparitätsschätzung nach dem Stand der Technik

Reconstruction from Spatio-Spectrally Coded Multispectral Light Fields

In this work, spatio-spectrally coded multispectral light fields, as taken by a light field camera with a spectrally coded microlens array, are investigated. For the reconstruction of the coded light fields, two methods, one based on the principles of compressed sensing and one deep learning approach, are developed. Using novel synthetic as well as a real-world datasets, the proposed reconstruction approaches are evaluated in detail

DECONET: an Unfolding Network for Analysis-based Compressed Sensing with Generalization Error Bounds

We present a new deep unfolding network for analysis-sparsity-based Compressed Sensing. The proposed network coined Decoding Network (DECONET) jointly learns a decoder that reconstructs vectors from their incomplete, noisy measurements and a redundant sparsifying analysis operator, which is shared across the layers of DECONET. Moreover, we formulate the hypothesis class of DECONET and estimate its associated Rademacher complexity. Then, we use this estimate to deliver meaningful upper bounds for the generalization error of DECONET. Finally, the validity of our theoretical results is assessed and comparisons to state-of-the-art unfolding networks are made, on both synthetic and real-world datasets. Experimental results indicate that our proposed network outperforms the baselines, consistently for all datasets, and its behaviour complies with our theoretical findings.Comment: Accepted in IEEE Transactions on Signal Processin