基于分块平滑投影二次重构算法的单像素成像系统

单像素成像系统是通过无空间分辨能力的单像元探测器来获取目标二维分布信息的计算光学成像技术,与传统直接成像技术相比具有高能量收集效率、高灵敏度等一系列优点,在高能物理诊断技术领域有着广阔的应用前景。针对实际单像素压缩感知成像系统在复杂诊断环境中存在的重建噪声较大的问题,提出并实现了基于分块平滑投影Landweber二次重构算法的单像素成像系统。根据算法观测矩阵分布特性以及数字微镜硬件输入要求实现了实际投影观测矩阵的变换,利用二次重构算法实现了单像素诊断的仿真分析与实验测试。仿真结果表明,在采样率为20%～30%的条件下,重建图像峰值信噪比大于20 dB,结构相似性高于0.8。进一步搭建单像素成像平台完成实验研究及验证,实验结果表明,利用二次重构算法模型对目标场景进行恢复的效果优于其余两种传统算法。二次重构单像素成像系统在采样率仅为20%的条件下能够重建出清晰的原始图像,具有较好的噪声抑制特性。     

CS-MRI 中评价随机欠采样矩阵的新方法

在压缩感知-磁共振成像(CS-MRI)中,随机欠采样矩阵与重建图像质量密切相关．而选取随机欠采样矩阵一般是通过计算点扩散函数(PSF),以可能产生的伪影的最大值为评价参数,评估欠采样对图像重建的影响,然而最大值只反应了伪影的最坏情况．该文引入了两种新的统计学评价参数平均值(MV)和标准差(SD),其中平均值评估了伪影的平均大小,标准差可以反映伪影的波动情况．该文分别使用这3种参数对小鼠和人体脑部MRI数据以不同的采样比率进行CS图像重建,实验结果表明,当采样比率不低于4倍稀疏度时,使用平均值获得了质量更优的重建图像．因此,通过稀疏度先验知识指导合理选取采样比率,并以平均值为评价参数选取随机欠采样矩阵,能够获得更优的CS-MRI重建图像．
     

一种八谱段滤光片成像系统设计

针对多光谱滤光片阵列成像采样率低,原始(Raw)数据稀疏所导致的重建图像模糊,高频信息丢失等问题,提出了一种新八谱段滤光片阵列分布方案,利用基于邻域梯度延伸方法对光谱Raw图像进行重建.首先基于二叉树生成法,在重复排列的4×4阵列中设计了一种等空间概率比的八谱段滤光片分布方案;然后针对传感器直接获取的稀疏Raw图像,计算各谱段采样点的梯度信息,在保持图像结构特征和纹理信息的基础上,利用邻域采样点的像素值和梯度值对未采样点进行重建,从而获得完整的光谱图像信息;最后,基于已重建的八谱段光谱图像,采用伪逆矩阵法重构各像素位置的31波段光谱值.结果表明,相对于主流图像重建方法,本文算法提高了重建八谱段光谱图像的峰值信噪比、复合峰值信噪比,降低了光谱均方差,更好地保留了图像的纹理和边缘,有效降低了多光谱滤光片阵列成像中的颜色伪影和图像模糊等现象.     

成像参数对大深度物体聚焦形貌恢复的影响

为探究成像参数对大深度物体聚焦形貌恢复精度的影响规律,明确实际应用中聚焦形貌恢复重建精度不满足要求时成像系统的改进措施,在构建聚焦形貌恢复三维重建精度评价指标的基础上,利用正交实验确定成像参数对聚焦形貌恢复精度影响的主次顺序,重点分析主要和次主要参数对重建精度的影响规律,并揭示最佳成像参数随多聚焦图像采样间距的变化关系。考虑到成像参数的变化实际通过改变系统景深影响聚焦形貌恢复精度,建立了多聚焦图像采样间距与最佳景深之间的经验公式,为系统成像参数的设定提供了理论依据。实验结果表明：焦距和F数是聚焦形貌恢复的主要和次主要影响参数,在给定多聚焦图像采样间距下存在使重建精度最高的最佳焦距和最佳F数,且随着采样间距减小,最佳焦距增大,最佳F数减小;多聚焦图像采样间距与最佳景深之间的经验公式拟合准确率为97.28%,验证准确率为94.76%,可用于最佳景深的计算;采用最佳景深能够显著提升聚焦形貌恢复精度,为大深度物体聚焦形貌恢复精度的提升提供了新途径。     

基于Hadamard矩阵优化排序的快速单像素成像

为提升单像素成像速度,提出了基于Hadamard矩阵优化排序的压缩采样解决方案.利用数值仿真和室外实验对提出的5种排序方法进行了对比分析.研究结果表明:按Haar小波变换系数绝对值排序时单像素成像效果最优,排序对应到Walsh序后可利用快速变换重建图像,速度达300帧/秒@64×64像素;最优排序下,采样率25%仍可重建图像,采样速度可提升4倍.针对排序方法与成像信噪比关系,从关联成像角度给出了其物理解释:测量基矩阵元邻域数值相等的区域面积等效于光场二阶相干面积,当光场二阶相干面积随测量基由大到小排序时成像效果最优.本文研究成果可用于提升单像素成像速度,具有实用价值.     

基于元素图像阵列采样的集成成像重构方法

高质量的集成成像系统需要采集和存储大量图像数据。提出了一种新的计算机重构方法,可以减少集成成像系统显示端在计算机重构时所需要使用的数据量。传统的计算机重构方法要利用每个元素图像,而此方法对CCD相机采集的元素图像阵列进行周期采样,仅利用被采样的元素图像即可重构出多视点图像。这种方法充分利用集成成像中邻近的元素图像中具有匹配像素的特点,将未被采样的元素图像信息由邻近的被采样的元素图像中的匹配像素替代,从而减少了重构过程中使用的数据量,这给不同性能的集成成像显示端带来很大的灵活性,降低了对存储空间和传输带宽的要求。     

基于改进的分块压缩感知红外图像重建

针对基于压缩感知理论的红外图像重建问题,提出一种基于改进的分块压缩感知红外图像重建方法。该方法首先对原始红外图像进行分块,并对每个子块用相同的观测矩阵进行随机观测,获得少量的观测数据;然后利用谱图小波变换优异的稀疏特性,将其引入平滑投影Landweber算法进行迭代优化重建,同时采用混合中值滤波进行处理以增加图像的平滑度和减少块伪影,最后输出满足要求的高质量红外图像。实验结果表明,在相同采样率下,该方法对于不同类型红外图像的重建性能均优于目前广为采用的一些小波压缩感知方法,可获得更高质量的红外图像。     

一种数字微镜阵列分区控制和超分辨重建的压缩感知成像法

提出一种压缩感知成像框架结构.该结构采样端用新建的采样矩阵实现数字微镜阵列分区控制,可增强信息获取的准确性,测量得到与新数字微镜阵列对应的压缩采样值;重构端由采样值优化重构出低分辨率图像后,根据分区控制过程建立压缩感知理论框架下的超分辨重建模型,利用梯度稀疏约束优化算法进行求解,恢复出原高分辨率图像.实验结果表明:数字微镜阵列分区控制与超分辨重建相结合的方法可以明显降低压缩感知成像系统的计算量,缩短成像时间,并且具有较高的图像重构质量.     

基于残差编解码网络的单光子压缩成像

在进行高分辨率成像时,由于需要大量的测量和图像重建计算,单光子压缩成像需要较长的时间。提出了一种采样和重建集成的残差编解码网络SRIED-Net用于单光子压缩成像。将二值化的全连接层作为网络的第一层,并将其训练成二进制的测量矩阵,直接加载到数字微镜阵列上以实现高效压缩采样。除第一层外的其余网络都用于快速重建压缩感知图像。通过一系列的仿真和系统实验比较了压缩采样率、测量矩阵和重建算法对成像性能的影响。实验结果表明,SRIED-Net在低测量率下优于目前比较先进的迭代算法TVAL3,在高测量率下与TVAL3的效果很接近,在所有测量率下都优于目前常见的几种基于深度学习的方法。     

多通道光谱采集系统滤光片设计方法研究

普通彩色相机加载宽带滤光片构造的多通道光谱采集系统的光谱重建性能与滤光片的选用密切相关。针对上述问题,提出基于主成分分析法的合成滤光片设计方法,旨在获得具有较高光谱重建性能并对所有图像场景均适用的最优滤光片组合。在收集多个宽带滤光片的基础上,测得其透射率并转换成矩阵形式;采用主成分分析方法提取该矩阵的前2个主成分,标准化处理后的主成分即为所求合成滤光片的透射率。为了验证上述方法获得的滤光片的性能,利用色差和光谱均方根误差2个指标对加载了合成滤光片的仿真采集系统的光谱重建精度进行了评价。实验结果表明:采用该方法得到的滤光片组合优于常用方法得到的滤光片组合, 用其构造的成像系统具有较高的色度重建精度和光谱重建精度,此外,改变目标场景颜色特性,其重建性能保持稳定。     

基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法

针对光子计数系统实现三维成像速度缓慢的问题,提出一种基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法。利用哈达玛矩阵调制投影图案提高采样效率,被调制的短脉冲结构光照射场景,单像素光子计数探测器采集回波。通过分析低分辨率图像的小波树选择采样区域,使用哈达玛矩阵调制所选采样区域得到的投影图案,可采集图像细节,多阶段采样后利用哈达玛反变换恢复出高分辨率图像。实验结果表明,采集并恢复出一幅512×512像素的三维图像的时间最快可达到41 s。     

红外扫描过采样系统点目标检测性能分析与仿真EI北大核心CSCD

过采样是为提高遥感扫描图像分辨率而提出的一种新的成像体制,为将其应用于红外搜索与跟踪系统,需研究过采样对系统点目标检测性能的影响.从扫描成像原理角度对比分析常规采样和过采样的特点;基于高分辨率图像退化方式给出扫描图像仿真方法;通过仿真扫描图像进行单帧目标检测处理,对比分析两种采样体制下的系统点目标检测性能.结果表明,在相同条件下,过采样系统点目标检测性能优于常规采样;常规采样扫描图像中目标一般呈现1×1点状,而过采样扫描图像中目标呈现斑点状,利用该特性可进一步提升过采样系统目标检测性能.     

非均匀光强分布的反射式水下量子成像研究

在量子成像中,光源散斑强度的独立性与随机性影响了图像重建的质量,现用的赝热光源是由高斯分布的激光束调制而成。针对反射式量子成像技术中赝热光源的传输特性,结合水体散射理论,研究了重建图像的均方误差与光源光斑强度分布和光斑尺寸的关系,以及对常用的图像重建算法成像质量的影响,针对光强分布不均提出加权平均归一化算法。仿真结果显示,光斑强度分布越均匀成像质量越高,加权平均归一化算法能减小光强分布不均对成像质量的影响。所得结果有助于数字微镜空间光调制器的赝热光源反射式水下量子成像系统中对光源的优化和成像质量的提升。     

循环-托普利兹块相位掩模可压缩双透镜成像

压缩成像是压缩传感理论的重要应用领域之一,可以用比Nyquist测量数目少的测量值捕获充分信息重建稀疏或可压缩图像.在研究现有的压缩成像方法的基础上,给出一种新的循环-托普利兹块相位掩模矩阵可压缩双透镜成像方法.模拟实验结果表明新的相位掩模矩阵成像方法可以在欠采样的情况下有效地获得图像信息来重建原始图像.新方法的研究为...     

红外扫描过采样系统点目标检测性能分析与仿真

过采样是为提高遥感扫描图像分辨率而提出的一种新的成像体制,为将其应用于红外搜索与跟踪系统,需研究过采样对系统点目标检测性能的影响.从扫描成像原理角度对比分析常规采样和过采样的特点;基于高分辨率图像退化方式给出扫描图像仿真方法;通过仿真扫描图像进行单帧目标检测处理,对比分析两种采样体制下的系统点目标检测性能.结果表明,在相同条件下,过采样系统点目标检测性能优于常规采样;常规采样扫描图像中目标一般呈现1×1点状,而过采样扫描图像中目标呈现斑点状,利用该特性可进一步提升过采样系统目标检测性能.     

一种基于时空变换和压缩感知的磁共振螺旋采样的图像重建算法

螺旋采样磁共振快速成像在功能性成像、并行成像和动态成像等领域发挥着越来越重要的作用.螺旋采样图像重建的传统算法是用核函数将螺旋状分布的k空间数据插值到均匀网格中,再利用傅里叶变换和最小二乘法进行重建.但是基于网格化的算法对核函数过于依赖,在网格化过程中产生难以避免的误差.该文提出了基于时空变换和压缩感知的l1范数的最优化模型和重建算法.时空变换矩阵描述了空间上的磁共振图像与采集到的时域信号间的关系,使得算法直接使用采集到的数据作为保真约束项,避免了网格化过程产生的误差.此外,基于图像处理单元的并行计算被用来提高时空变换矩阵的运算速度,使得算法具有较强的应用价值.     

基于折线采样的高分辨率成像系统设计

针对现有的提高线阵电荷耦合器件(CCD)成像系统的图像空间分辨率的方法存在的不足,提出了一种新的采样模式,并设计了一种高分辨率成像系统。该系统利用两个相同的线阵CCD相机进行特定的空间排列,即使得相机1和相机2的CCD阵列都倾斜θ来进行扫描取像,并利用图像校正和像素插值等图像重建方法,得到高分辨率的图像。实验结果表明,倾斜角取60°的情况下,相对于单个线阵相机在θ=0°的正常采样模式下得到的采样图像,图像的空间分辨率提高了1倍,且保持了成像的视野不变。本系统工程上实现简单,十分经济且便于维护,仅利用现有的成像装置即可获取更高分辨率的图像。     

基于行扫描测量的运动目标压缩成像

运动目标成像在实际应用中具有重要作用,而如何获取高质量运动目标图像是该领域研究中的一个热点问题.本文采用行扫描采样的方式,通过构造运动测量矩阵,建立一种基于压缩感知理论的运动物体成像模型,并通过仿真及实验,验证了该模型对于恢复运动物体图像信息的可行性.实验结果证明,该方法可获得高质量的运动物体成像.通过引入图像质量评价标准,分析了运动物体成像质量与速度之间的关系.将该方法与普通压缩感知算法进行比较,结果证明,在相同速度下,该方法的成像质量更高.该方法在无人机对地观测、产品线视频监测等领域有着很好的应用前景.     

基于字典学习的稠密光场重建算法

相机阵列是获取空间中目标光场信息的重要手段,采用大规模密集相机阵列获取高角度分辨率光场的方法增加了采样难度和设备成本,同时产生的大量数据的同步和传输需求也限制了光场采样规模.为了实现稀疏光场采样的稠密重建,本文基于稀疏光场数据,分析同一场景多视角图像的空间、角度信息的关联性和冗余性,建立有效的光场字典学习和稀疏编码数学模型,并根据稀疏编码元素间的约束关系,建立虚拟角度图像稀疏编码恢复模型,提出变换域稀疏编码恢复方法,并结合多场景稠密重建实验,验证提出方法的有效性.实验结果表明,本文方法能够对场景中的遮挡、阴影以及复杂的光影变化信息进行高质量恢复,可以用于复杂场景的稀疏光场稠密重建.本研究实现了线性采集稀疏光场的稠密重建,未来将针对非线性采集稀疏光场的稠密重建进行研究,以推进光场成像在实际工程中的应用.     

基于快速采样的剪切光束成像图像重构算法

剪切光束成像是一种非传统地基光学成像技术,在对位姿快速变化的目标成像时,为重构目标高分辨率清晰图像,其成像系统的回波数据采样速率仍不够快.本文提出一种五光束快速采样的图像重构方法,通过改变成像系统编码和解码方法,采用中心对称结构呈“十”字形排布的发射光束阵型,利用所提的快速图像重构算法,单次采样的回波数据所能重构的目标图像从1幅增加到8幅,快速抑制了重构图像的散斑效应.仿真结果表明,与传统三光束图像重构方法相比,获得相同质量图像所需的回波数据采样次数从20次减少至5次,大幅减少了回波数据采样次数,提高了回波数据采样速率.