增量维纳滤波法在波前探测解卷积中的应用

一个常规的自适应光学系统通常包含三个重要环节：波前探测、波前校正和波前重构。因此对系统的技术要求非常高,造成系统复杂,成本昂贵。基于哈特曼-夏克波前探测的图像解卷积处理就是“事后”处理的一种,它省去了波前校正环节,使常规的自适应光学系统得到简化,降低了系统成本。其基本原理为对瞬时波面进行短时间曝光探测,同时记录相应的短时间曝光图像,来进行解卷积处理。将增量维纳滤波法应用于基于哈特曼-夏克波前探测的解卷积中,并对室内模拟点源情况下的三组畸变光斑图像数据进行了解卷积恢复处理。结果表明,将增量维纳滤波法应用于基于波前探测的解卷积是完全可行的,在室内模拟点源情况下,恢复的图像可以达到衍射极限分辨力。与维纳滤波相比,它扩展了噪声抑制因子的选取范围,在噪声抑制因子选取不正确的情况下,仍能得到比维纳滤波更好的结果。     

基于目标和点扩展函数联合估计的点源目标图像近视解卷积

在传统的基于波前探测的解卷积方法中,由波前探测得到的点扩展函数被认为是精确的,并用维纳滤波进行复原,但是点扩展函数不可避免地存在误差,所以最终的复原目标图像质量不佳.为了解决该难题,提出了基于目标和点扩展函数联合估计的图像近视解卷积算法.它运用了点扩展函数和目标的先验信息,对点扩展函数和目标进行了规整和进一步约束,从而得到更优的恢复图像质量.对该方法的原理和实现过程进行了阐述,并将其运用于室内点源目标数据中.实验结果证明,与维纳滤波方法相比,该方法使图像恢复的效果得到明显改善.     

图像噪声对相位变更波前传感的影响研究

相位变更(PD)方法是一种基于两个或多个不同离焦面图像来恢复光瞳畸变波前相位的光学波前传感技术.它使用相对简单的光学系统,运用统计最优化计算方法,借鉴图像处理中的一些技术手段,在得到波前信息的同时,还可以得到目标的清晰像.但当图像存在噪声时,用于优化算法的误差函数会出现许多局部极值点,这会影响算法的收敛速度,共至会导致算法陷入局部极值而得不到正确的估计解.为消除这些影响,需对图像进行降噪处理.在实际光学系统中,由于光瞳大小的限制,实际得到图像的高频信息一般要远少于低频信息,所以宜使用低通滤波器对图像进行滤波.仿真中通过比较各种滤波器性能,针对含有加性高斯噪声的图像,采用了对图像模糊影响较小的巴特沃思(Butterworth)低通滤波器.研究结果表明,利用滤波器处理后的图像,相位恢复结果的均方根误差(RMsE)比未使用滤波器有明显下降.     

一种基于图像融合和卷积神经网络的相位恢复方法

相位恢复法利用光波传输中某一(或某些)截面上的光强分布来传感系统波前,其结构简单,不易受震动及环境干扰,被广泛应用于光学遥感和像差检测等领域.传统相位恢复法采用迭代计算,很难满足实时性要求,且在一定程度上依赖于迭代转换或迭代优化初值.为克服上述问题,本文提出了一种基于卷积神经网络的相位恢复方法,该方法采用基于小波变换的图像融合技术对焦面和离焦面图像进行融合处理,可在不损失图像信息的同时简化卷积神经网络的输入.网络模型训练完成后可依据输入的融合图像直接输出表征波前相位的4-9阶Zernike系数,且波前传感精度均方根(root-mean-square,RMS)可达0.015λ,λ=632.8 nm.研究了噪声、离焦量误差和图像采样分辨率等因素对波前传感精度的影响,验证了该方法对噪声具有一定鲁棒性,相对离焦量误差在7.5%内时,波前传感精度RMS仍可达0.05λ,且随着图像采样分辨率的提升,波前传感精度有所改善,但训练时间成本随之增加.此外,分析了实际应用中,当系统像差阶数与网络训练阶数略有差异时,本方法所能实现的传感精度,并给出了解决方案.     

基于离散小波包变换的规整化波前解卷积

 直接波前解卷积可以有效地克服大气湍流对天文观测的影响,但解卷积问题具有病态特性,必须进行规整化。基于奇异值分解的规整化方法在处理图像边缘等高频部分不够理想;而WVD方法仅适用某些解卷积问题。在提出一种基于小波包变换的新规整化方法的基础上,将此方法应用于室内模拟点源实验中,并与基于奇异值分解规整化的维纳逆滤波进行了对比,实验结果表明：该规整化方法可以有效地解决解卷积问题的病态特性,应用该规整化方法所恢复的图像质量明显提高。     

利用Offner光学系统进行图像恢复和光学检测

设计了一种Offner光学系统,用于基于相位差异技术的图像恢复和光学系统波像差的辅助检测。该Offner光学系统采用同轴抛物面反射镜作为Offner反射镜,以高速CCD相机和Shack—Hartmann波前探测器作为接收元件,能完好地消除复色光源在图像恢复过程中带来的色差;设计的RMS波像差小于a／50（A=632．8nm）,结构简单,容易实现。利用该系统分别以分辨率板和光纤光源为目标进行了图像恢复实验,经过恢复后的图像分辨率提高了19％。此外,利用该系统,采用相位差异算法解算了系统波像差,并与Shack—Hartmann波前探测器的测量结果进行了比较。比较显示两者的RMS波像差测量值相差5％,证明该系统同样能够进行光学波前检测。     

相位差波前探测与图像重建

相位差技术可以直接利用两幅或多幅图像的强度信息,重构出波前相位信息和目标清晰图像,具有光路简单、成本较低、适用于扩展目标等优点,在望远镜的系统像差检测和目标图像重建方面得到了大量应用。相位差波前探测的关键在于求解非线性代价函数的最优化问题,需要避免陷入局部极值并降低计算时间,才能满足动态变化波前实时探测的需求。同时在重建目标清晰图像时,通常需要做正则化和去噪处理,来提高重建图像的质量。本文主要介绍相位差技术的基本原理,以及近年来的研究进展,并对该技术未来的发展进行了展望。     

波前解卷积方法中的高频噪声抑制

 介绍了一种波前解卷积中噪声抑制规整化的新方法，并将此方法应用于室内模拟点源实验中。该方法通过在图像复原算法中增加针对图像高频部分的限制条件来抑制高频噪声，以达到对图像复原问题病态特性的规整化。实验结果表明：该规整化方法可以有效地抑制解卷积过程中高频噪声的影响，恢复出达到理论衍射极限分辨率的图像。对于噪声水平较高的降质图像，通过这种解卷积方法可以有效地提高信噪比。同维纳逆滤波方法相比，该方法可以在有效抑制导致病态的高频噪声的基础上充分保持图像的低频；与基于贝叶斯估计的近视解卷积算法相比，该方法不需要知道噪声水平或噪声类型等先验知识，只是从噪声本质出发，通过抑制降质图像高频部分，有效地解决了病态特性问题。     

基于维纳滤波的迭代盲解卷积

盲解卷积是在两个卷积因子未知的情况下,通过卷积结果来获知卷积因子的。不考虑噪声,针对高斯模糊图像,在初始估计点扩展函数之后,利用维纳滤波的方法进行频域迭代盲解卷积,达到图像恢复的目的。实验表明,恢复的图像纹理比较清晰,边缘有所改善,主观视觉效果显著。该算法提高了分辨率。     

三次相位板波前编码系统彩色图像恢复的迭代算法

采用三次相位板进行景深延拓的波前编码系统得到非对称的点扩展函数.为了获得最终清晰的彩色图像.研究了一种基于广义极小残差法(GMREs)的迭代算法,结合Tikhonov规整化方法,并利用多通道处理过程对中间图像进行左卷积恢复.为了消除恢复图像边界的振铃效应,推导了新的光学成像过程数学模型,该模型采用反镜像边界条件并利用直积近似对卷积核进行处理.模拟数据的分析表明,采用多通道处理过程对彩色图片进行恢复时,新的算法在给出精确的反巷积结果的同时能有效地抑制噪声的放大;实验结果显示,较之经典的维纳滤波恢复结果,新算法能够更好的消除边界的振铃和图像边缘的振动波纹.     

Partially compensated deconvolution from wavefront sensing images of the eye fundus

We present the application of the technique partially compensated deconvolution from wavefront sensing for obtaining high resolution images of the eye fundus, where the static component of the subject's ocular aberration is compensated with a customized static phase-plate. The technique was tested over an artificial and human eye. The results showed the superior quality of the images restored with the proposed technique. They also show the possibility of obtaining real-time high resolution images.     

基于位相变更的非相干数字全息自适应成像

菲涅耳非相干数字全息作为一种非扫描的三维成像技术具有其独特的优势,但其成像过程中会受到各种像差的影响,导致成像分辨率、再现像的质量降低.为了解决这一问题,可以结合适当的自适应光学技术对波前像差进行探测和校正.位相变更是一种基于两幅具有已知位相差的强度图像实现波前探测和像差校正的技术.本文发展了基于位相变更的非相干数字全息自适应成像技术,不需要引入引导星,利用全息记录过程中的两幅相移全息图,实现波前像差的探测.本文给出了所发展技术的数值仿真和实验结果,结合位相变更算法求解出系统像差的位相分布,将像差的共轭位相加载到光瞳面上,在全息图记录的同时校正像差,从而提高重建像的质量.     

高精度相位差波前探测器的数值仿真和实验研究

相位差(PD)波前探测器具有光路简单、共光路测量等优点,不仅适合点目标,而且适合扩展目标.随着算法和硬件水平的不断提高,相位差法已经成为波前探测技术的一个重要发展方向.对相位差波前探测器进行了研究,成功实现了对点目标和扩展目标的波前探测,给出了数值仿真结果.针对点目标,搭建实验光路,对静态的单阶Zernike像差和随机...     

Hybrid Deconvolution of Adaptive Optics Retinal Images from Wavefront Sensing

Adaptive optics can be used to compensate for the wave aberration of the human eyes to achieve high-resolution imaging in real time. However the correction ＆ partial due to the limitation of hardware. We propose a kind of hybrid image post-processing method, which uses the blind deconvolution combined with the residual data in wavefront sensor to restore the partially adaptive optics corrected retinal image. This method is applied in the image restoration of the vivid human retinal images. The results show that it is effective to improve the retinal image quality.     

相位变更方法发展简述

相位变更(Phase diversity,PD)波前传感是一种较新的波前传感方法,它使用相对简单的光学系统,运用最优化计算方法,借鉴图像处理中的一些技术手段,在得到波前信息的同时,还可以得到目标的清晰像。PD方法经过20多年的发展,在理论上和技术上日臻完善,已经在空间望远镜共相位调整,目标成像清晰化处理等多个领域得到了应用。但PD方法也存在计算量大,探测动态范围小等缺点,其在实际光学系统中的应用仍有待于进一步的研究和探讨。     

全息曝光系统轴向调节误差对光栅衍射波像差的影响

光栅衍射波像差作为全息光栅重要的技术指标之一,直接影响光栅分辨率,其中曝光光学系统的调节误差是引起光栅衍射波像差的主要因素。采用q参数讨论了高斯光束在光栅曝光光学系统中的传播和变换,通过计算高斯光束经准直系统后的相位给出了叠栅条纹相位分布的解析表达式,由此系统分析了曝光系统调节误差与光栅衍射波像差的关系。理论分析结果表明:左右曝光光路准直系统的相对离焦对光栅衍射波像差的影响最为显著;相对离焦量相同时,光栅衍射波像差随曝光系统焦距的减小而逐渐增大;理论模拟的条纹分布与实验中获得的叠栅条纹能够很好吻合。     

基于远场信息和卷积神经网络的波前重构方法

探测波前相位信息是实现自适应光学波前补偿的关键,使用卷积神经网络（CNN）代替波前传感器进行波前重构,系统简单易于实现,同时重构过程不依赖迭代运算,快速实时。为准确提取远场中的波前特征,CNN需要事先使用大量样本进行训练。研究中根据4～30阶大气湍流泽尼克像差系数与其远场强度的对应关系,仿真制作样本数据集,训练CNN从输入的一帧远场图像中预测出畸变波前的泽尼克像差系数,重构原始波前。验证结果表明,该方法能快速实时地还原出波前相位信息,重构波前较原始波前具有极高的波面吻合度和较小的残差剩余量,有望实现实际自适应光学系统中的闭环校正。