基于观察矩阵的频域光学相干层析成像图像重构算法

频域光学相干层析成像技术是一种新型的医学成像技术,其传统的图像重构算法主要是基于傅里叶变换。但这种重构算法的主要缺陷在于其纵向分辨率随着深度位置的变化而明显下降。为了使频域光学相干层析成像系统的纵向分辨率在整个成像深度内基本保持不变,提出了一种基于观察矩阵的图像重构法,并用该法重构了平面镜以及皮肤信号。结果表明,这种图像重构法能够使频域光学相干层析成像系统保持纵向分辨率不变。与文献报道相比,这种方法在保持系统简单性的同时,还保持了高的纵向分辨率,并在成像深度范围内使得纵向分辨率基本保持不变。     

基于立体像素匹配的图像重构技术研究

为了解决目前全景成像技术中分辨率低的问题,提出了一种新的基于3D场景立体像素光线映射的全景图像计算机重构技术.在全景成像技术中,3D场景的每个立体像素点经全景成像系统的编码系统分别映射在一定区域的多个体元素图像的不同像素点上.在计算机重构全景图像时,根据逆光学路径原理,提出了从立体像素映射到的体元素图像区域中提取对应立体像素的多个2D像素点来重构全景图像,使重构的全景图像最大分辨率可达到传统成像方法图像分辨率的N倍（N为映射区域面积）.提出的立体像素的匹配技术大大提高了重构的计算机全景图像分辨率.     

基于非均匀快速傅里叶变换的干涉合成孔径显微算法

在频域光学相干层析(SDOCT)系统中,样品仅在焦深范围内有高横向分辨率,在焦外分辨率降低。干涉合成孔径显微术(ISAM)是一种三维图像重构算法,可以改善离焦区的图像模糊状况,达到在所有成像深度中都可以获得焦平面处横向分辨率的效果,同时可以解决SDOCT中系统的横向分辨率和成像深度之间的矛盾。介绍了ISAM重构算法的原理和适用的范围,对比分析了传统SDOCT成像算法和经过ISAM重构算法处理的成像图像结果。将非均匀快速傅里叶变换引入ISAM算法,实验结果表明该方法极大地节省了运算时间,提升了实时成像高分辨率SDOCT系统的性能。     

基于r-ADMM算法的轴向超分辨荧光显微技术研究

多角度全内反射荧光显微镜层析成像技术是实现轴向超分辨的主要技术之一,其关键算法是基于交替方向乘子算法对逆问题模型求解。为进一步提高交替方向乘子算法的迭代速度及收敛性,提出将一种基于松弛因子的改进型交替方向乘子算法应用于逆问题的求解中,其核心思想是对拉格朗日函数的分解迭代过程进行过松弛求解。基于该算法,搭建了多角度全内反射荧光显微镜成像系统,采集不同照明角度对应的不同穿透深度的图像堆栈,利用改进型算法重构细胞微管的深度信息,给出了系统的轴向分辨率,并与传统交替方向乘子算法进行了收敛速度的对比,给出了改进型算法达到最优收敛的松弛因子的取值范围,最后通过对线粒体样品进行长时程拍摄,重构了其三维信息,并观测了其融合和裂变的连续过程。实验结果表明,改进型交替方向乘子算法可以实现40 nm的轴向分辨率,并能在保证图像重构质量的同时,使迭代过程的收敛速度提升20%以上。     

基于水下成像系统模型的水下图像超分辨率重建技术研究

水下成像技术在诸多领域获得了越来越多的应用,然而由于受到成像器件参数、水体特性等成像系统参数的影响,水下图像的分辨率普遍较低、像质较差。基于包括点扩散函数、衍射极限等水下成像系统模型的图像超分辨率重建技术,能够在提高图像分辨率的同时增强图像质量。为了尽可能提高图像分辨率,建立了基于光束传播理论的超分辨率成像模型,并将其应用于水下脉冲激光距离选通成像结果图像的超分辨率重构。重构实验的结果表明,所提出的方法可以有效地提高水下成像的分辨率和质量。     

无透镜显微成像的重构算法研究

针对单幅图像进行了无透镜显微成像的重构算法研究，介绍了无透镜显微成像系统实验装置和ASM(angle spectrum method)、改编后的L-R(Lucy-Richardson)两种重构算法。对比两种算法重构后的USAF分辨率板图像的分辨率，利用瑞利判据得出ASM获得的振幅图分辨率最高(即3.10 μm)，且计算用时最少(即0.9 s)，证明了ASM为最佳的单幅无透镜显微重构算法。其次，利用无透镜显微成像系统结合ASM重构的方法，进行细胞成像实验。该无透镜成像视场为5×显微镜的4.4倍，且分辨率介于5×及10×光学显微镜之间，统计学优势明显，在生物医学领域具有广阔的应用前景。     

简单光学成像技术及其研究进展

计算成像为光学成像系统提供了更强大的信息获取能力,通过在成像链路中引入编解码过程,在增大信息量的同时降低系统的复杂度,为实现更简单和更智能的成像系统奠定了基础.本文总结了以计算成像为基础的简单光学成像技术的发展.简单光学以小型化和集成化的成像元件与系统为目标,将光学系统设计与图像处理算法进行联合优化,在小尺寸、低质量和低功耗的系统中实现与复杂光学系统相媲美的成像效果.随着微纳加工技术的发展,简单光学元件从单透镜或少片透镜逐渐发展到衍射光学元件、二元光学元件和超构表面等平板光学元件.复原算法中总结了正向求解算法、基于模型的优化迭代算法和深度学习人工智能算法.本文介绍了深度成像、高分辨与超分辨成像、大视场和大景深成像等技术,以及简单光学在消费电子、自动驾驶、机器视觉、安防监控和元宇宙等领域发挥的作用,并对未来的发展进行展望.     

计算成像内涵与体系(特邀)

传统光电成像技术受工业化设计思想限制,性能已近极限,难以满足信息时代下越来越高的应用需求.计算成像技术是信息时代发展的必然,在信息获取、传递和解译等过程中与数学计算、信号处理深度耦合,可有效突破光学成像过程中物理信息获取难、建模难和解算难的瓶颈,同时在信息的维度、尺度和分辨率等方面皆可实现质的突破.尽管计算成像发展很快...     

散斑及压缩计算成像研究进展

计算成像是集光学、计算科学、信息科学于一体的新兴交叉领域技术。该技术基于多维光场调控与解调的信息传输原理,利用前端光电成像系统与后端数据处理的“一体化设计”,解决光场信息维度与探测维度不匹配的问题,从而有效提升感知能力和探测性能,目前已成为光电成像领域的前沿方向。其中,散斑成像能够通过调控散斑场来实现强散射光成像,打破了光散射妨碍成像的传统观点;空域和时域压缩计算成像通过对光场信号的编码,能够突破半导体工艺、大量数据传递与处理对高分辨率、高速探测器的限制;压缩计算光谱成像结合光学调制、复用探测与计算重构,解决了传统光谱成像中系统复杂、数据采集效率低和分辨率受限的问题。详细介绍这3类计算成像模式的原理方法和最新研究进展,分析当前尚存的问题,并对这类技术的未来发展方向进行了展望。     

压缩光谱成像系统中物理实现架构研究综述

不同于传统点对点映射成像方式,计算光学成像通过将前端光学信号的物理调控与后端数字信号的计算处理联合起来,使图像信息获取更加高效。这种新型成像体制有望缓解传统成像技术框架下低制造成本与高性能指标间的矛盾,尤其在高维图像信息获取中呈现更显著优势。而物理器件支撑下的系统架构一直是计算光学成像发展的基石,本文针对压缩光谱成像这一子技术领域,介绍了现有可实现空间或光谱调制的光学器件,并以此为基础对多型压缩光谱成像系统架构进行了梳理、归纳,依据信息调制过程的差异,将其规整为单像素光谱成像、编码孔径光谱成像、空间-光谱双重编码光谱成像、微阵列型光谱成像与散射介质光谱成像等几类。重点阐述了多种系统架构的信息调制与采集原理,以及对光谱图像数据立方体的调制效应,并讨论了其中的共性问题。最后给出了面临的技术挑战,探讨了未来发展趋势。     

微结构形貌的光场显微三维重构分辨率增强技术

扫描式的测量技术是目前微结构表面形貌测量的主流技术,但需要高精度的机械扫描、较长的测量时间。针对其问题,结合光场显微技术和傅里叶叠层显微技术,提出了一种分辨率增强的三维重构技术,通过在常规显微成像系统中加入光学编码元件,使用单次曝光而获得被测工件的光学切片序列,基于傅里叶叠层显微技术实现了对切片图像横向分辨率的增强,克服了光场成像技术中的分辨率损失。实验证明,提出的三维重构技术对于微结构表面加工过程的在线测量具有较好的应用前景。     

编码摄像

编码摄像通过对光照、光路、传感等进行调制获取编码耦合的场景信息,并利用解码计算与图像信号处理,实现高精度场景重建,从而突破传统光学成像模型和物理器件的局限,有效提升成像系统的信息传递效率。随着光源、光学元件、传感器等成像要素的不断革新以及新型成像方法的出现,编码摄像技术取得了快速的发展,应用前景广阔。本文对编码摄像技术的进展进行了综述,重点围绕光照编码、光路编码和传感编码三个方面进行介绍。     

随机光学重构显微成像技术及其应用

光学显微成像技术在生命科学、生物医学、临床医学诊断和材料科学等领域有着非常广泛的应用。但由于光学衍射极限的存在,传统光学显微镜无法观察到纳米尺度的物质及生命活动,极大地限制科学研究和医学的发展。近年来,随着突破光学衍射极限的超分辨成像技术的不断发展,显微成像分辨率得到不同程度的提高。目前在基于不同原理的各种超高分辨率显微镜中,随机光学重构显微镜(STORM)分辨率最高,可达几十纳米,真正实现了单分子水平检测。着重介绍了STORM超分辨显微成像技术的原理、实验方法及其应用。     

含系统模糊的闪光照相正向成像技术研究及应用

<正>向成像技术是正向计算与反演相结合的密度重建技术的基础。为了正确获取闪光照相面光源下复杂客体的正向计算数值图像,提出了面光源点源化的思想,并用窗口化的探测系统模糊、径迹法等技术得到了更加准确的、含系统模糊的正向投影矩阵以及方程。利用含系统模糊的正向投影方程计算实验客体的正向投影,获得了与实验结果一致的边界信息。含系统模糊的正向投影方程和逆问题求解的约束共轭梯度法合成了整体密度重建方法。整体密度重建方法应用于FTO客体的模拟图像和实验图像,都能够将模糊控制在1~2个像素。     

图像超分辨率技术研究进展

超分辨率技术是当今图像处理领域的一个具有挑战意义的课题。在图像获取的过程中,受到成像条件以及成像方式的各种限制,成像系统不能获取原始图像场景中的全部信息。如何提高图像的空间分辨率一直以来都是图像处理领域的热点问题,图像超分辨率技术被认为是解决这一问题的有效方法。介绍了图像超分辨率复原的一般方法,以及国内外研究进展。     

光学CT中的图像重建算法

从理论上研究了利用正向模型求解逆问题的迭代算法，特别是其中Ｊａｃｏｂｉ矩阵的有限元解法，引入了图像恢复了领域广泛采用的规则化方法用于处理逆问题中的奇异性问题；作为总结，最后给出了ＦＥＭ法求解光学ＣＴ问题的完整步骤。     

基于累积量标准差的超分辨光学涨落成像解卷积优化

超分辨光学涨落成像方法通过计算一组随机闪烁图像序列的累积量来提高空间分辨率.在实际实验中,由于计算的图像序列帧数有限,每个像素上累积量估计的误差将显著影响重构图像的均匀性和连续性.传统超分辨光学涨落成像技术由于缺乏对累积量估计的误差分析,在其后续的Lucy-Richardson解卷积算法中,没有对累积量重构图像的噪声添加约束条件.本文利用基于单组有限长数据的累积量标准差公式,计算了超分辨光学涨落显微图像每个像素上的累积量标准差,并将结果引入Lucy-Richardson解卷积算法中作为迭代优化的偏差阈值.模拟和实验结果表明,在相同图像序列长度下,该优化方法显著提高了超分辨重构图像的均匀性和连续性;在同等图像质量下,该方法可缩短图像序列帧数至原来的一半以下,有望用于活细胞动态超分辨成像.     

面向近红外脑功能成像的光学自导引漫射光断层成像方法

为降低近红外脑功能漫射光断层成像(DOT)固有的逆问题病态性,并避免多模态方法的图像配准等问题,提出了基于光学自导引提供先验功能信息的脑功能DOT方法(OT-DOT),并发展了图像重构方法.模拟验证表明:上皮厚度(TLT)已知时,OT-DOT获得的重构量化度(QR)约为传统DOT的4.2倍;当TLT的估计误差小于±10%时,OT-DOT重构的QR值可达92%以上,远远优于传统DOT;噪声鲁棒性测试表明,OT-DOT与传统DOT的噪声鲁棒性相近.利用连续光DOT测量系统的仿体实验重构结果表明,所发展的OT-DOT算法获得的重构结果优于传统DOT算法.     

X射线高空间分辨多色显微成像系统研制及应用

在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)领域中,获得具有极高空间分辨率(优于5μm)的X射线辐射图像,是研究烧蚀不稳定性、内爆流线等关键物理过程的数据基础。基于掠入射反射式成像原理的Kirkpatrick-Baez(KB)显微成像系统作为一种具有高空间分辨率和集光效率的X射线显微诊断设备,目前已成为国际ICF装置的X射线关键诊断设备。在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件上开展了KB诊断技术及设备的研究,在KB系统的光学设计、光学元件和物镜与系统装调技术等方面取得了许多重要进展,研制了大视场KB、多色KB等高分辨率X射线显微成像系统。这些系统已应用于我国的ICF内爆芯部发光和流线测量、流体不稳定增长测量等实验中,为关键物理量的测量提供了高空间分辨率的清晰图像。     

显微热成像系统自适应位置标定方法

利用光学微扫描技术,可在不改变探测器结构的情况下,提高显微热成像系统空间分辨率。但为了获得高质量过采样重构图像,微扫描位置需要标定。基于零点定标,提出一种各点自适应定标的微扫描位置标定方法。模拟实际系统在定标前后的欠采样图像,采用不同重构方法进行仿真对比验证;完成了实际采集的欠采样显微热图像序列的重构对比实验。实验结果表明该方法明显改善了显微热成像系统的过采样重构图像质量,提高了系统空间分辨率。此方法还可以应用在其他光电成像系统中。