基于超球面感知矩阵的轻量级数据采集、传输方法及设备

本发明涉及数据压缩和隐私保护，特别是一种基于超球面感知矩阵的轻量级数据采集、传输方法及设备。

背景技术：

1、压缩感知是利用自然信号的稀疏性或可压缩性的强大信号处理技术。通过将信号表示为较少数量的非零系数，压缩感知能够比传统方法更有效地获取、处理和传输信号，在各领域引起广泛关注。此外，压缩感知可作为加密方法确保数据安全。在这框架下，测量过程类似于加密，使用感知矩阵作为加密密钥，将原始信号转换为密文；重建过程类似于解密，需要正确的感知矩阵从密文中恢复原始信号。总的来说，压缩感知作为强大的信号处理技术，提高了信号采集和处理效率，可作为有效的加密方法确保数据安全，在各应用中都具广泛应用前景。

2、现有的利用压缩感知采集数据主要通过以下两种方式实现，第一种是存储一个共享的感知矩阵，不同的数据都使用该感知矩阵进行压缩，利用压缩感知本身的加密特性保证数据安全；第二种是对原始先进行额外的加密，再利用共享的感知矩阵压缩数据，最后利用加密算法和感知矩阵联合重构原始数据。

3、然而，上述现有的压缩感知数据采集方法均存在一些不可忽略的技术问题，就上述第一种方法而言，数据采集端需要大量的存储空间来存储感知矩阵，且一直使用同一个感知矩阵无法抵御已知明文攻击；而在上述第二种方法中，数据采集端同样需要大量的存储空间来存储感知矩阵，同时额外的加密会破坏原始数据原有的数据特性，大大增加了数据接收端重建过程的复杂性和难度。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于超球面感知矩阵的轻量级数据采集、传输方法及设备，节约采集端的存储空间。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于超球面感知矩阵的轻量级数据采集方法，包括：当数据采集端接收到数据采集命令时，根据两个随机种子生成超球面感知矩阵，将所述超球面感知矩阵与原始数据相乘，得到采集结果；其中，所述超球面感知矩阵的第i列φ(:,)获取过程包括：

3、1)根据第一随机种子seed1为第i列随机选择一个介于1和n之间的正整数索引indexi；

4、2)基于所选索引indexi构建三维单位球面坐标(c1,c2,c3)；

5、3)根据seed1+i随机生成含有m-3个值的数组r∈rm-3，数组r中的每个值都限定为[-1,-0.9]∪[0.9,1]，m为采集结果的维度；初始化遍历系数j为1；

6、4)将当前坐标(c1,c2,..,c2+j)的维度通过数组r的第j个元素rj扩展到3+j：

7、

8、5)将j的值加1；

9、6)若j≤m-3，则重复步骤4)和步骤5)，直至得到维度为m的坐标(c1,c2,…,cm)，将该坐标设置为超球面感知矩阵的第i列元素，即φ(:,i)＝(c1,c2,…,cm)t。

10、本发明超球面感知矩阵是通过种子生成的，不需要存储，极大地节约了采集端的存储空间，此外，由于每次数据采集使用的种子不同，因此生成的感知矩阵也不同，因此可以有效抵御已知明文攻击。

11、数据采集端接收数据采集命令之前，还包括：数据接收端将数据采集命令和两个随机种子发送至数据采集端，等待数据采集端确认；其中，数据接收端将数据采集命令和两个随机种子发送至数据采集端的具体实现过程包括：

12、a)数据接收端随机生成两个种子，即第一随机种子seed1和第二随机种子seed2；所述两个种子均为整数；

13、b)数据接收端将第一随机种子seed1、第二随机种子seed2和数据采集命令一起发送至数据采集端，并开始等待来自数据采集端的确认回复；

14、c)若在设定时间内未收到来自数据采集端的确认回复，数据接收端触发重传机制，重新发送第一随机种子seed1、第二随机种子seed2和数据采集命令；

15、d)数据采集端接收到数据接收端发送的数据采集命令、第一随机种子seed1、第二随机种子seed2后，向数据接收端发送确认回复；

16、e)数据接收端接收到确认回复后，第一次通信结束。

17、本发明中，是否采集数据由接收端控制，每次采集之前，分发种子控制感知矩阵的生成，达到了一次一密的效果，安全级别高。

18、本发明中，

19、本发明的方法还包括：所述数据采集端获得采集结果后，将所述采集结果发送至数据接收端。

20、本发明的方法还包括：所述数据接收端接收到采集结果后，根据两个随机种子生成完整的超球面感知矩阵，将采集结果恢复为原始数据。

21、所述数据接收端将采集结果恢复为原始数据的具体实现过程包括：

22、i)计算超球面感知矩阵φ的广义逆矩阵pinv(φ)，得到初始重构结果

23、

24、ii)使用离散小波变换将变换到稀疏域，得到稀疏域变换结果

25、iii)计算软阈值σ，将稀疏域变换结果中小于软阈值的值置为0，得到结果

26、iv)使用离散小波逆变换将经过步骤iii)处理后的稀疏域变换结果变换至原域，得到原域变换结果

27、v)计算原域变换结果的修正值，并用所述修正值更新原域变换结果；所述修正值y为采集结果；

28、vi)重复步骤ii)～步骤v)，直至达到最大迭代次数；

29、vii)将最终的原域变换结果作为重构值，即得到恢复后的原始数据。

30、本发明计算广义逆矩阵，将重构结果转换到稀疏域，通过软阈值反复修正，大大降低了压缩感知重构的复杂度和难度，提高了重构数据的质量和可靠性。稀疏表示可以大大降低数据的复杂度，使得本发明可以更加集中地处理数据中最重要的部分，而忽略那些不太重要的信息。这不仅有助于减少计算成本，还可以提高数据处理的效率。软阈值反复修正可以有效地减少数据中的噪声和干扰。通过将幅度较小的部分置为零，可以抑制噪声的影响，从而提高数据的质量和可靠性。

31、所述软阈值σ采用如下公式计算：

32、

33、其中，为稀疏域变换结果中的第i个值，n为原始数据的维度。

34、作为一个发明构思，本发明还提供了一种基于超球面感知矩阵的轻量级数据传输方法，其包括以下步骤：

35、s1、数据接收端将数据采集命令和两个随机种子发送至数据采集端，等待数据采集端确认；

36、s2、当数据采集端接收到数据采集命令时，根据两个随机种子生成超球面感知矩阵，将所述超球面感知矩阵与原始数据相乘，得到采集结果，将所述采集结果发送至数据接收端；其中，所述超球面感知矩阵的第i列φ(:,i)获取过程包括：

37、1)根据第一随机种子seed1为第i列随机选择一个介于1和n之间的正整数索引indexi；

38、2)基于所选索引indexi构建三维单位球面坐标(c1,c2,c3)；

39、3)根据seed1+i随机生成含有m-3个值的数组r∈rm-3，数组r中的每个值都限定为[-1,-0.9]∪[0.9,1]，m为采集结果的维度；初始化遍历系数j为1；

40、4)将当前坐标(c1,c2,..,c2+j)的维度通过数组r的第j个元素rj扩展到3+j：

41、

42、5)将j的值加1；

43、6)若j≤m-3，则重复步骤4)和步骤5)，直至得到维度为m的坐标(c1,c2,…,cm)，将该坐标设置为超球面感知矩阵的第i列元素，即φ(:,i)＝(c1,c2,…,cm)t；

44、s3、述数据接收端接收到采集结果后，根据两个随机种子生成完整的超球面感知矩阵，将采集结果恢复为原始数据。

45、作为一个发明构思，本发明还提供了一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序，以实现上述方法的步骤。

46、作为一个发明构思，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令；该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

47、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

48、1、本发明提出了一种新的感知矩阵逐列生成方法，可以最大限度减少存储成本。该矩阵可以使用两个随机种子以列的形式生成，而不需要在设备中存储整个规模巨大的感知矩阵。当数据项到达时，可以自适应地生成相应的感测列，大大降低了存储成本。

49、2、本发明提出了一种基于超球面感知矩阵的轻量级压缩感知数据采集方法。与传统的方法不同，本发明实现了“一次一密”，且不需要对原始数据进行额外的加密。通过在每一轮中交换种子而不是感知矩阵，显著降低了带宽成本，同时能够有效地抵抗已知明文攻击。

50、3、本发明提出了一种基于超球面感知矩阵的压缩感知重构方法。与传统的方法不同，我们计算广义逆矩阵，并将重构结果转换到稀疏域，通过软阈值反复修正，大大降低了压缩感知重构的复杂度和难度，提高了重构数据的质量和可靠性。