自适应斜Z字形采样Hadamard单像素成像

单像素成像技术在成像速度和质量上已经取得一定的进展,然而,如何在保证成像质量的前提下提升成像速度仍然是一个待解决的问题.对Hadamard系数矩阵中每条斜列上的系数绝对值求取平均值后,发现其具有迅速减小的特征,基于此发现提出了一种自适应斜Z字形采样方法,以实现预期的成像质量和速度提升.实验结果表明,该方法可以有效减少采...     

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.     

高效的基于傅里叶单像素成像的亚像素级边缘检测技术

针对无法实现先验的边缘检测场景,并解决边缘提取效率过低的问题,提出一种更高效的基于傅里叶单像素成像的亚像素级边缘检测方法。该方法结合快速傅里叶单像素成像,减少图像算法的相移步数,在原有四步相移的基础上分别实现了三步相移与两步相移边缘检测。该算法上的改进能够在同等采样数下扩大参与边缘提取的频谱宽度,从而提升边缘提取效率。数值仿真结果表明,与四步相移亚像素级边缘检测相比,无噪声条件下两步相移在655~13 100次左右的采样数区间内峰值信噪比增长幅度高出2.27 dB,噪声条件下低于0.054噪声浮动比率时两步相移方法可以获得比四步相移更高的边缘提取质量。该方法可以一定程度上提升边缘提取效率,同时促进单像素成像领域与图像处理方向的技术交叉和应用化发展。     

基于多染色体遗传算法的像素化光源掩模优化方法

提出了一种基于多染色体遗传算法(GA)的像素化光源掩模优化(SMO)方法。该方法使用多染色体遗传算法,实现了像素化光源和像素化掩模的联合优化。与采用矩形掩模优化的单染色体GASMO方法相比,多染色体GASMO方法具有更高的优化自由度,可以获得更优的光刻成像质量和更快的优化收敛速度。典型逻辑图形的仿真实验表明,多染色体方法得到的最优光源和最优掩模的适应度值比单染色体方法小7.6%,提高了光刻成像质量。仿真实验还表明,多染色体方法仅需132代进化即可得到适应度值为5200的最优解,比单染色体方法少127代,加快了优化收敛速度。     

基于Walsh-Hadamard变换的单像素遥感成像

本文提出了基于Walsh-Hadamard变换的单像素成像方案, 并从理论分析、模拟仿真和实验验证三方面分别验证了该方案的可行性. 实验上实现了350-900 nm波段对 距离500 m和5000 m自然目标的128×128 像素成像, 成像速度0.5帧/秒. 研究并讨论了单像素相机方案与计算量子成像方案的差异与共性, 在此基础上分析了基于Walsh-Hadamard变换的单像素成像方案的优势与局限性. 研究表明本方案同时适用于单像素相机和计算量子成像. 由于单像素成像适用于应用在如红外热成像、微波成像等波段, 因此在阵列探测器灵敏度或工艺达不到要求时存在优势. 本文所提出的方案使得单像素成像技术向实际应用迈进了一步.     

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。     

基于Hadamard基的欠采样计算鬼成像

计算鬼成像具有单像素和成像系统配置成本低廉等特点,是近年来光学成像领域的研究热点之一.与传统的计算鬼成像不同,本文研究了在欠采样条件下的计算鬼成像——基于Hadamard基的计算鬼成像.首先给出了成像方法的理论和实验装置,接着详细研究并分析了四种欠采样条件下的成像结果.实验结果表明在欠采样条件下存在重影及边缘失真等现象,但有趣的是出现正负像.这是源于Hadamard掩模的规律性调制分布.该结果一方面有助于增进对计算鬼成像和正负像物理机制的理解,另一方面对远距离成像中物体成像边缘信息及失真问题的分析具有指导意义.     

基于分块压缩感知理论的太赫兹波宽光束成像技术

提出了一种基于分块压缩感知理论的太赫兹波宽光束成像技术。模拟结果显示,该技术可以实现高分辨率、高质量的快速成像。采用连续太赫兹波CO_2气体激光器光源,基于宽光束矩阵调制采样,对不同物体进行了分块压缩感知成像,并与基于单像素随机采样的分块压缩感知方法进行了对比。结果表明,所提技术具有更高的成像稳定性,且其采样过程对不同成像物体的普适性更好。     

星载的单像素运动成像影响分析与补偿

单像素成像具有高灵敏度,抗干扰等特点,但得到一张高质量图像需要多次采样,因而在卫星对地观测应用时,由于卫星姿态变化使得指向抖动从而造成参考光场与探测器信号之间关联性丢失,使得重构出的图像质量严重退化。针对这一问题,本文设计一种光场追踪补偿方案以补偿卫星姿态对成像带来的影响,结合卫星工具包生成卫星数据分别进行滚动角,俯仰角的运动补偿验证和偏航角的运动补偿验证。结果表明进行滚动角和俯仰角运动补偿后成像的峰值信噪比提升28.8 dB,进行偏航角运动补偿后成像的峰值信噪比提升7.25 dB,同时考虑滚动角,俯仰角和偏航角对典型场景进行运动补偿后的成像结果峰值信噪比提升至少4.7 dB,仿真结果证明了补偿方案有效提高了成像质量,为星载单像素成像提供了一条有效技术途径。     

彩色单像素相机实验研究

近年来频谱重建的单像素成像技术的独特性质得到人们的普遍关注,它不仅提出一种新的成像方式,而且揭示了物体空域信息与频域信息的逆傅里叶变换关系,为了在实验教学中研究这个问题,本文在理论和实验上研究了单像素彩色成像问题。首先,分析了单像素成像的物理基础:频谱重构;接着,考虑了环境电磁辐射、探测器位置和探测器有限面积等因素后,建立了单像素探测辐射度量公式;然后,依据三步相移法导出了频谱重建公式,提出单像素彩色成像的三种实现方案,并比较了它们的优点和缺点;最后在实验上建立了彩色单像素成像装置,并采用分色照明结合分时探测的方法,实现了单像素彩色成像。本研究在物理实验教学上展示了一种新的成像原理:频谱重构结合逆傅里叶变换成像;在技术上提供了实现单像素彩色成像的一种低成本实验方案,让学生在成像过程中实时理解物体空域信息与频域信息的对应关系,并定量研究不同频谱范围对成像质量、不同探测器位置对成像效果的影响。     

时空域联合编码扩频单光子计数成像方法

本文结合空间编码单像素成像技术和扩频时间编码扫描成像技术,提出一种时空域联合编码扩频单光子计数成像方法.该方法具备可避免距离模糊、大时宽带宽积的优势,并且在噪声干扰下,能够准确恢复距离像.本文推导了基于单光子探测的时空域联合相关非线性探测模型、成像正向模型和信噪比模型,并通过凸优化反演算法恢复深度图像,理论模型和仿真实验均证明,与传统的基于空间编码的单像素成像方法相比,本方法提高了重建的质量.其中,采用m序列作为时间编码,成像的噪声鲁棒性更高.和传统的空间编码单像素成像技术相比,本文提出方法的成像均方误差降低了4/5,引入二次相关方法后,成像均方误差降低了9/10.本文所提出的成像架构为非扫描激光雷达成像方法提供了新思路.     

不同正交变换深度Q网络单像素成像性能比较

为指导和完善深度Q网络单像素成像,对不同正交变换深度Q网络单像素成像性能进行比较分析.提出了基于深度Q网络的离散余弦变换单像素成像和Krawtchouk矩变换单像素成像.采用结构相似度和峰值信噪比作为图像质量评价标准,以人为规划方法作为对照,定量分析四种基于正交变换的深度Q网络单像素成像的重建结果.仿真和实验结果表明,...     

压缩感知理论在光学成像中的应用

压缩感知以信号的稀疏性或可压缩性为条件,以远低于耐奎斯特采样频率对信号数据进行采样和编码。简要概括了压缩感知的基本理论,它采用非自适应线性投影来保持信号的原始结构, 能通过数值最优化问题精确或高概率地重构原始信号。详细介绍了其在光学成像系统中的应用,主要包括单像素相机、超薄成像、编码孔径成像、多路技术智能成像、多光谱成像和CMOS成像等成像系统。最后对该理论的应用前景进行了阐述。     

基于自校验的单像素成像系统动态干扰去除方法

单像素成像系统通过对目标场景的多次调制,获取相应的单像素测量值,并由此重构图像.在这一过程中,如果其他物体侵入成像场景,会严重影响测量值的准确性,降低重构图像质量.由于侵入物体的反射率,形态均具有一定的随机性,因此从桶探测器信号的角度很难有效分离出受干扰信号.针对这一问题,基于哈达玛矩阵的特征,提出了一套自校验方法,即利用桶探测器自身测量值进行正确性校验,筛选出未受干扰的桶探测器信号,显著提升了重构图像的质量.该方法适用于一般性成像场景,且不需要引入额外的调制图像辅助校验,有力推动了单像素成像技术的实用化进程.     

光子计数成像系统的自适应累积时间扫描方法

得益于单光子探测器的超高灵敏度,光子计数成像系统近年来成为极弱光探测成像领域的研究热点.基于单点扫描的光子计数成像系统,以光子累积的方式获取大量返回光子事件后重建目标图像.然而,单像素探测时间固定导致的光子事件累积冗余或累积不足的问题,限制了系统的成像效率.本文提出了一种基于自动选取单像素最佳累积时间的时间自适应扫描方法,并分别进行了单点测距和扫描成像实验.结果表明,本文提出的方法在重建质量接近的深度图像(64×88)时的数据总获取时间相比单像素固定累积时间的扫描方法降低了一个数量级,极大地提高了扫描数据获取的效率,为光子计数成像系统快速成像提供了新思路.     

凝视焦平面探测器的空间采样效应建模仿真

为了增加红外凝视焦平面阵列探测器成像仿真的置信度,对探测器所存在的空间采样效应产生机理进行了分析,并且从空间域角度对其进行了建模,借助于基于图像像素处理的方法进行实验仿真;为了客观地评价空间采样效应对探测器成像质量的影响,定义了图像的负指数型平滑度,实验结果表明,叠加空间采样效应后探测器输出图像的平滑度减小了11.7%,图像局部波动变大,从而验证了红外探测器成像仿真中空间采样效应考虑的必要性。     

顾及光谱混叠的高光谱相机任意方向侧扫几何成像

以移动平台的线推扫式高光谱相机横向推扫成像不同于以卫星平台或飞机平台的竖直摄影成像方式,其属于水平方向推扫竖直方向成像,存在投影面选择、空间方位确定以及光顾混叠等问题。针对上述情况,详细推导了适合于线阵高光谱相机地面推扫的影像像素地理参考模型,可以进行任意方向的地面横向推扫成像;结合影像的地面采样间隔大小及推扫成像的区域范围,给出了地理参考后影像格网划分的一般过程;同时,考虑到在影像格网划分过程中存在的舍入误差,以及在影像校正过程中采用传统直接光谱采样可能造成的光谱掺杂问题,提出了基于地理参考后相邻像素重叠面积作为权重系数进行加权融合的改进光谱采样方法。最后进行了大量地面横向推扫成像实验,并依据上述算法进行了影像畸变校正,验证了线阵影像几何畸变校正算法的有效性及鲁棒性,同时,对校正好后的影像选用多个样本点进行了光谱数据验证,实验表明改进后的光谱采样方法明显优于直接光谱采样算法,为同类产品的地面应用提供参考。     

准直背光集成成像显示系统的精准片源生成方法

随着显示技术的发展,3D显示给人们提供沉浸式体验和更加逼真的立体视觉享受。为了提高成像质量,准直背光集成成像系统可以收敛像素光线的发散角度,有效减小中心深度平面后体素的扩散趋势,进而减小重构体素尺寸,提高系统分辨率。然而,由于准直背光系统像素光线的传播路径与传统散射背光系统存在偏移,导致采样光线的像素映射错误,进而产生体素漂移和混叠,影响成像质量。因此,结合逆向光线追踪技术,提出一种精准的片源生成方法。该方法建立准直背光系统的光线传播几何,重新确定采样光线起点和方向,逆向跟踪每一条光线,使每根光线信息正确映射到对应像素。实验结果表明,该方法可以有效矫正光线偏移,解决体素飘逸和混叠问题,进而提高系统的成像分辨率。     

电厂烟羽中SO2柱浓度的紫外非色散二维成像

鉴于近年来突发事故和雾霾等污染现象时有发生,其危害范围广、危害程度深,因此迫切需要掌握污染影响的区域、范围、强度以及污染扩散的趋势。而污染源、污染气体的二维快速成像分布在确定气体泄漏源定位、鉴别突发事件以及鉴定污染范围和污染影响的过程中占绝对优势。基于面阵CCD探测器,利用紫外滤光片分光的成像技术实现了对丰台电厂烟囱排放的烟羽进行快速成像测量;采用烟气在线监测技术获取的SO2实时浓度作为参考浓度,经转换之后标定成像系统,标定结果表明SO2斜柱浓度与光学厚度呈线性关系,相关系数0.958,满足成像理论可被解析的先决条件;考虑到成像系统视场角小,使镜头在上风向偏离烟羽区域拍摄的图片作为背景,任取背景图上的一行像素,这些像素的光学强度表明上风向强度均匀,无其他干扰影响;测量过程中,为了减小烟羽变化带来的误差,鉴别目标气体的310 nm滤光片与祛除气溶胶影响的330 nm滤光片对烟羽交替成像;最后根据线性最小二乘拟合获取了2017年5月20日12点30分左右的SO2斜柱浓度的二维分布及其时序图。测量结果显示在烟囱出口附近出现SO2斜柱浓度高值,SO2斜柱浓度高值约为1.7×1017 molec·cm^-2;SO2斜柱浓度分布图直观显示SO2浓度的扩散趋势,表明下风向SO2斜柱浓度沿着烟羽的扩散轴减小缓慢,在大气浮力、烟羽流体动力学以及风向共同作用下,垂直于烟羽扩散轴的方向上,扩散轴上方的SO2斜柱浓度小于其下方浓度,但基本趋势是垂直于扩散轴的两侧SO2斜柱浓度衰减很快;在下风向距离烟囱中心28米的区域,取SO2斜柱浓度与高斯曲线进行拟合,拟合系数0.747,表明风向方向:SO2斜柱浓度扩散遵循高斯扩散;根据SO2斜柱浓度时序图,获得了烟羽的传播速度约为1.2 m·s^-1;为了验证紫外非色散成像系统测量结果的可靠性,在已知烟羽SO2排放量(9.2 g·s^-1)、烟羽速度(1.2 m·s^-1)、烟羽高度(约140 m)及周边环境的情况下,采用高斯烟羽扩散模型进行理论预测,成像系统的测量结果与烟羽模型的模拟结果对比表明:SO2斜柱浓度的测量值及扩散趋势与理论预测基本一致。利用基于滤光片的快速成像方法实现了对固定点源排放的污染气体SO2斜柱浓度的成像测量,最终成功获取了烟羽中SO2斜柱浓度的分布及扩散的趋势,测量结果与模型模拟的一致性表明该成像方法有望为定量、定性评估污染危害提供测量依据。     

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。