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空天防御  2025, Vol. 8 Issue (4): 85-93    
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轻薄红外计算成像重建算法的边缘芯片部署方法研究
赵紫昱1,2, 王绪泉1,2, 马杰3, 邢裕杰1,2, 顿雄1,2, 王占山1,2, 程鑫彬1,2
1. 同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所,上海 200092; 2. 同济大学 先进微结构材料教育部 重点实验室,上海 200092; 3. 同济大学 电子与信息工程学院,上海 200092
Edge Chip Deployment Methods for Lightweight Infrared Computational Imaging Reconstruction Algorithms
ZHAO Ziyu1,2, WANG Xuquan1,2, MA Jie3, XING Yujie1,2, DUN Xiong1,2, WANG Zhanshan1,2, CHENG Xinbin1,2
1. Institute of Precision Optical Engineering, School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structured Materials, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
全文: PDF(3027 KB)  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 计算成像通过在成像过程中引入智能图像处理算法,可以突破以硬件为主的传统光学能力边界,实现光学系统的高性能与轻简化兼顾。本文针对红外单镜片轻薄计算成像中的原位图像重建需求,开展面向边缘AI芯片的轻量化模型部署方法研究。通过在边缘端针对性进行算子优化、模型剪枝和量化,部署后的U-Net图像重建模型完成52.3%的参数量和60.3%的计算量优化,实现56%的边缘帧率提升,同时图像重建的峰值信噪比(PSNR)仅下降0.91 dB,结构相似度(SSIM)仅下降0.021。通过进一步开展网络结构简化,在PSNR下降1.3 dB、SSIM下降0.018的前提下,实现超过95 帧/s的超高速视频级片上原位图像重建。本文实验性探索了计算型单片红外相机图像重建算法的边缘硬件加速方法,可为轻薄红外计算成像的工程化应用提供技术参考。
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关键词 红外成像计算成像边缘计算深度学习模型优化硬件加速    
Abstract:By integrating intelligent algorithm-driven image processing techniques, computational imaging has the potential to transcend the limits of conventional hardware-centric optical systems, enabling optical systems to achieve high performance and a compact design. Focusing on the image reconstruction requirements in lightweight infrared single-lens computational imaging, this study investigated lightweight model deployment methodologies tailored for edge AI chips. Through targeted operator optimisation, model pruning, and quantisation implemented on edge devices, the deployed U-Net reconstruction model achieved a 52.3% reduction in parameters and a 60.3% reduction in computational operations, resulting in a 56% acceleration in edge processing frame rate while sacrificing only 0.91 dB in PSNR and 0.021 in SSIM. Further architectural simplification allowed ultra-high-speed video-rate on-chip image reconstruction exceeding 95 FPS, at the cost of just 1.3 dB PSNR and 0.018 SSIM. The experiments examined edge hardware acceleration for computational single-chip infrared camera reconstruction algorithms. This study provides technical references for engineering applications of lightweight infrared computational imaging systems.
Key wordsinfrared imaging    computational imaging    edge computing    deep learning    model optimization    hardware acceleration
收稿日期: 2025-02-11      出版日期: 2025-09-10
ZTFLH:  TN 216  
基金资助:国家自然科学基金项目(62305250,62105243)
通讯作者: 王绪泉(1989—),男,博士,副研究员。   
作者简介: 赵紫昱(2000—),男,博士研究生。
引用本文:   
赵紫昱, 王绪泉, 马杰, 邢裕杰, 顿雄, 王占山, 程鑫彬. 轻薄红外计算成像重建算法的边缘芯片部署方法研究[J]. 空天防御, 2025, 8(4): 85-93.
ZHAO Ziyu, WANG Xuquan, MA Jie, XING Yujie, DUN Xiong, WANG Zhanshan, CHENG Xinbin. Edge Chip Deployment Methods for Lightweight Infrared Computational Imaging Reconstruction Algorithms. Air & Space Defense, 2025, 8(4): 85-93.
链接本文:  
https://www.qk.sjtu.edu.cn/ktfy/CN/      或      https://www.qk.sjtu.edu.cn/ktfy/CN/Y2025/V8/I4/85

参考文献
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