简易高斯灰度扩散模型的误差分析及适用性研究

为了验证简易高斯灰度扩散模型的适用性,与传统高斯灰度扩散模型进行了对比分析。将两种高斯模型做归一化处理,设定检验像素,分析检验像元灰度的归一化值的相对误差;进行星图模拟,得到4个不同高斯半径(σ)下灰度赋值相对误差与像点映射位置偏离值的关系曲线,整体上误差随σ的增大而减小;对星图模拟得到的系列星像点采用灰度重心法提取质心,质心误差随σ增大而减小,传统模型模拟像点的质心提取精度比简易模型高约2个数量级。无噪声条件下σ=0.671时,简易模型模拟像点最大质心误差仅为0.033pixel。仿真结果表明:单就像点外形仿真而言,当σ较小时,简易模型不再适用;但针对像点的质心定位及后续算法,简易模型带来质心误差量级可以忽略,运算量更小,适于应用。     

太阳杂光噪声下星敏感器星像点质心定位方法

为了保障太阳杂光干扰下星像点质心定位的精度,本文提出了一种去阈值和杂光斜面噪声的质心定位新方法。首先,在星像点窗口内将太阳杂光灰度噪声建模为一个斜面。针对质心定位新方法,推导关于杂光斜面模型各参数估计误差的质心定位误差分析公式,尤其是关于开窗大小的函数关系。然后,基于窗口边缘像素给出杂光斜面模型的最小二乘参数估计公式。最后,采用传统的灰度重心法、去阈值灰度重心法和所提方法进行质心定位仿真测试,结果表明,所提方法的精度比传统灰度重心法和去阈值质心法的精度分别提高了2倍和15倍,是太阳杂光干扰下星像点质心定位的有效方法,具有一定的工程应用价值。     

一种尺度自适应调整的高斯滤波器设计方法

固定尺度参数的经典高斯滤波器往往在滤除噪声的同时造成图像的模糊,为此设计了一种尺度可变的自适应高斯滤波器。通过计算滤波器各滤波窗口内像素点灰度值的均值,以及该均值与当前像素点灰度值的差值,确定滤波窗口的平滑度,并将其作为高斯函数尺度的大小,从而实现滤波器尺度参数的自适应调整。实验结果表明,该滤波器在有效滤除噪声的同时能够尽可能的保持图像原有信息不受影响,且计算简单,适于工程应用。     

摄影测量图像处理的高精度误差补偿法

在高精度的摄影测量中,图像处理精度对整体测量精度起着至关重要的作用,但成像过程中摄像机对特征点图像的离散化采样,会造成图像与原始信号的失真,从而带来图像处理环节的误差。通过对图像处理过程中特征点总能量、能量分布弥散半径和图像处理窗口的特性分析,并以特征点中心位置、提取误差大小和能量密度函数的标准差之间关系为基础,提出一种针对离散化采样的误差补偿法。该方法仅需标定一次补偿参数,适用于所有摄像机和算法,可显著提升原有图像处理精度。实验证明,对于质心法和高斯拟合法,该补偿法可将图像提取精度提高到0.03pixel。     

数字散斑亚像素小角位移测量的曲面拟合法

与传统测量方法相比,数字散斑相关法由于其目标特征单元网格划分的灵活性,能够更好地满足不同场合小角位移的测量需求。针对该方法亚像素小角位移测量的曲面拟合参数选择问题,研究了亚像素测量图像小角旋转前后的九点二次曲面拟合法,并根据计算机生成模拟散斑进行模拟实验分析,得到最佳误差效率优化条件下的曲面拟合法求解亚像素小角位移的最佳散斑尺寸3.5 pixel、计算窗口尺寸41×41 pixel和拟合窗口尺寸3×3 pixel。实验验证了上述测量参数的有效性,为进一步的曲面拟合法数字散斑成像角位移测量提供参考。     

基于高斯分布的星点图像亚像元定位算法研究

应用高斯点分布函数为数学模型,提出了一种新的获取高精度恒星质心位置的方法.由于入射到星像点邻域内像元中的光子能量呈近高斯分布,因此利用成像邻域内像元强度的比值,将高斯点分布函数展开成为关于质心位置的多项式,可将质心位置在x、y轴方向分别计算出来,并利用从星图中提取出的多星对角距误差的统计值来间接验证提出的算法.试验结果...     

指纹及手指静脉图像复合采集光学系统设计

针对生物特征的多模识别技术,设计了一款用于指纹及手指静脉图像复合采集的光学系统。用于采集指纹和手指静脉图像的光学镜头分别由3片和12片球面透镜构成,工作波长分别为650 nm和850 nm,成像器件分别采用640 pixel×480 pixel CCD和640 pixel×512 pixel非制冷红外探测器。使用Zemax软件对该系统的光学结构进行了设计和优化。像质评价结果表明:指纹图像采集镜头在空间截止频率67 lp/mm处,调制传递函数MTF值大于0.6;手指静脉图像采集镜头在空间截止频率30 lp/mm处,调制传递函数MTF值大于0.8;两镜头各视场弥散斑均方根半径远小于成像器件像元尺寸,接近衍射极限,且成像畸变均小于0.5%。实验证明该系统采集到的图像质量优良,分辨率高。     

迭代加权质心法机理及多星定位误差特性研究

提高星敏感器星点定位精度是高精度星敏感器关键技术之一。常规质心法和高斯拟合法定位最小均方误差在0.1 pixel左右,难以满足未来高精度定位需求。在自适应光学领域,为研究Shack-Hartmann传感器波前定位而提出的迭代加权质心算法(IWCOG),其定位误差优于前两种算法,但目前该算法的定位机理及多星定位误差特性未知。从Meanshift理论角度推出该算法定位机制,证明算法的收敛性;每个仿真采用蒙特卡罗方法随机生成10000个星点样本,通过分析星点参数、信噪比与定位误差的关系研究IWCOG算法在星敏感器多星定位的特点。模拟结果显示,在信噪比R=40下,IWCOG法星点提取误差低于0.02 pixel的样本占44%,低于0.04 pixel的占72%,远高于质心法的0.8%和1.9%,基本满足甚高精度星敏感器的定位要求。     

基于星点像重采样的星敏感器高精度质心算法

传统的质心算法面临着光学像差和随机噪声对质心位置提取精度影响很难减小的问题。为了解决这一问题,对星敏感器所成星点像进行分析,结合星敏感器光学系统的调制传递函数和图像传感器像素频率响应特性,提出了一种基于星点像重采样的星敏感器质心定位算法。根据夫琅禾费衍射理论计算出离焦光学系统的点扩展函数,并对重采样质心算法的系统误差分布进行仿真,结果显示,该算法在不同像差条件下的系统误差均方根都小于0.01 pixel。用星敏感器产品进行了质心提取系统误差测量实验,重采样质心算法的系统误差为0.008 pixel,相比传统正弦曲线补偿方法的精度提高了66%。仿真和实验结果表明:基于星点像重采样的质心算法精度高,受光学系统像差的影响小,是提高星敏感器测量精度的一种有效方法。     

船用星敏感器星点质心精确提取方法

从星空图像中提取星点质心是星敏感器工作的重要基础,针对船用星敏感器所获取的星空图像噪声情况复杂的特点,提出一种基于重心法的星点质心精确提取方法。通过块扫描的阈值分割和星象连续性的噪点剔除,引入灰度信息参考的星象提取以及重心法质心坐标计算等步骤,从星空图像中提取星点质心。对于30幅海上实拍星图实验,该方法能够100%提取出至少10颗星点,质心坐标提取精度达到1/20像素,并且可以实现对视频图像的实时处理,满足船用星敏感器的应用需求。     

Probability theory of intensity correlation in ghost imaging with thermal light

To well reveal the imaging mechanism of ghost imaging (GI) with thermal light, we propose a probability theory using more general assumptions than existing theoretical explanations that the reference patterns obey an arbitrary identical distribution and the objects are of grayscale. It is not limited to a specific correlation function, even multi-functional variants of reference patterns can be used in correlation calculation. We have proven in both theory and experiments that the reconstruction means are linear transformations of original object's gray values and the probabilities of recovered pixel values in the pixel region of the same original gray value follow a Gaussian distribution, whose variance explains the appearance of reconstruction noise. We also derive the relationship between pattern variance and contrast-to-noise ratio under noisy conditions, which will be instructive for better pattern construction. This work will deepen the understanding of GI and enrich intensity correlation forms.     

基于自适应扩散模型的单帧红外条纹非均匀性校正算法

针对红外焦平面成像系统存在列向条纹非均匀性的现象,采用了一种基于自适应PM扩散模型的非均匀校正新算法。首先,综合利用图像梯度信息和局部灰度统计信息,自适应计算PM模型的扩散阈值;然后将每列像素的PM模型估计值作为该列像素的期望值;最后采用最陡下降法迭代计算得到每列像元的校正参数,并对结果进行循环校正以提高校正效果。实验结果表明:该算法可以保护图像边缘信息,与同类算法相比,能够更有效地抑制条纹非均匀性,并且能够防止图像产生鬼影。     

A novel chaos-based image encryption scheme with an efficient permutation-diffusion mechanism

This paper proposes a novel chaos-based image encryption scheme with an efficient permutation-diffusion mechanism, in which permuting the positions of image pixels incorporates with changing the gray values of image pixels to confuse the relationship between cipher-image and plain-image. In the permutation process, a generalized Arnold map is utilized to generate one chaotic orbit used to get two index order sequences for the permutation of image pixel positions; in the diffusion process, a generalized Arnold map and a generalized Bernoulli shift map are employed to yield two pseudo-random gray value sequences for a two-way diffusion of gray values. The yielded gray value sequences are not only sensitive to the control parameters and initial conditions of the considered chaotic maps, but also strongly depend on the plain-image processed, therefore the proposed scheme can resist statistical attack, differential attack, known-plaintext as well as chosen-plaintext attack. Experimental results are carried out with detailed analysis to demonstrate that the proposed image encryption scheme possesses large key space to resist brute-force attack as well.     

邻域差值法确定灰度变换的分段点

光电跟踪测量设备电视系统受到自然条件的影响,往往捕获不到清晰的画面,很容易出现对比度极低的图像。针对此种情况,提出了一种用邻域差值来确定分段点的灰度变换法。通过计算像素55邻域的灰度差值,取最小的12个值之和ND。在大量实验的基础上确定合适的阈值T,与ND相比较,确定出图像边缘像素的灰度值范围,据此确定分段灰度变换公式的分段点。实验结果表明,在原图像对比度为1.19%的基础上,通过该算法处理后图像的对比度是原图像的18.79倍,是直方图均衡化后图像的6.97倍,是直方图规定化后图像的41.41倍,图像对比度达到了22.36%,图像的直方图也由单峰突出变为比较均衡的状态。该算法无论在数据上还是在视觉上都取得了很好的效果,满足了电视系统的跟踪要求,已经应用在光电跟踪测量设备上,有较好的实用价值。     

带噪声模拟仿真星图的实现

本文对星敏感器的姿态参数进行仿真计算,实现了观测星的提取及星图模拟。根据二维高斯分布模型对星点进行灰度弥散;考虑了噪声等因素的影响,实时模拟星敏感器在轨状态下拍摄星空的真实星图。实验证明,通过仿真模拟在轨运行卫星所拍摄的星图,可以为星敏感器星点提取、星图识别、姿态解算等功能算法提供验证。     

Studies on the statistical properties of phase difference of speckle fields

According to the relations between the phase and the complex speckle amplitude, a phase angle is constructed to estimate the free standard deviation of phase difference of speckle fields. The relative accurate amending expression of evaluating the free standard deviation of phase difference is derived for the Gaussian speckle fields. The statistical properties of phase difference are studied for the Gaussian speckle fields of diffraction fields. The theoretical values of the free standard deviation of phase difference for the case of fully developed speckle fields are compared with the numerical values of the free standard deviation which are calculated from the Gaussian theory of the fully developed speckle fields.     

CMOS阵列响应过程中的电串扰特性研究

在利用CMOS阵列探测器成像时,探测阵列单元间的串扰将直接影响器件成像质量。为了更好地了解串扰对器件响应过程的影响,针对CMOS图像传感器的电串扰特性进行了分析,建立了电串扰数学分析模型,对电串扰的大小进行了定量计算。具体分析了不同扩散长度、感光面积、耗尽层宽度、像素尺寸和温度对电串扰的影响。分析结果表明,感光面积、耗尽层宽度与像素尺寸对电串扰的影响最大,扩散长度和温度对电串扰的影响相对较小。感光面积由3.8μm2增加到12.8μm2后,归一化的电串扰减小了约13%;像素尺寸由7μm×7μm增加为15μm×15μm时,电串扰增加了约95.4%;温度由100K增加到180K后,电串扰下降了约0.6%。     

非理想背光照相对靶壳阿贝尔密度反演的影响

建立了背光照相的模拟手段,研究了记录屏像素尺寸、背光强度分布、背光光谱非单色、针孔弥散及针孔形状对惯性约束聚变中常用塑料球壳的阿贝尔密度反演的影响。结果表明:较大的记录屏像素尺寸会掩盖密度分布的细节;高斯型的背光空间分布会使密度分布低于真实值,可能导致非物理的负密度分布;采用Mo的L带谱线作为背光源也会导致反演密度偏离真实值;当壳层厚度小于针孔尺寸时,针孔弥散效应会显著降低峰值密度,利用维纳滤波法处理背光图像后密度反演的结果得到明显改善;相同针孔面积条件下,椭圆形针孔给出的峰值密度要低于圆形针孔的结果。