光谱法分析代数迭代重建算法及改进

采用光谱分析技术,系列研究了已有代数迭代重建算法,并进一步研制了改进算法—简单自相关代数迭代重建算法(SSART)。采用数值模拟的方法模拟重建一个含遮挡物场,研究了SSART模拟效果和重建精度。作为对照,分析了已有的传统代数迭代算法同条件下的重建结果,包括基本代数迭代重建算法(ART)、联合代数迭代重建法(SART)和改进的联合代数迭代重建法(MSART)。重建精度用均方误差(MSE),绝对平均误差(AVE)和峰值相对误差(PE)三种误差指数标定。结果发现,SSART重建结果的三种误差指数都明显减小,其中MSE在10-4数量级上比ART的降低了26.6%,PE在10-2数量级降低了77.6%。因此,SSART重建含遮挡物模型场时,重建精度大幅度提高,重建效果明显改善,对传统代数迭代重建算法显著改进。     

偏折层析的滤波反投影算法及误差分析

对偏折层析投影转换为相位层析投影的转换关系进行了分析,给出明晰的数学关系,并针对偏折层析的滤波反投影算法重建的结果进行误差分析。分析结果表明投影噪声对重建场的作用体现在与由偏折层析滤波反投影算法的滤波器有关的倾斜函数上。因此提出了改进的偏折层析滤波反投影算法,数值模拟表明,改进算法在有效抑制倾斜现象的同时,对重建结果不会造成明显的失真。在此基础上改进的算法被用于真实火箭燃气射流密度场的三维重建中。     

简单自相关代数迭代重建算法

创建了简单自相关代数迭代重建算法(simple self-correlative algebraic reconstruction technique, SSCART),分析了其重建效果。采用数值模拟的方法,对代数迭代法(algebraic reconstruction technique, ART)与SSCART两种算法进行了计算机模拟,分析了模拟效果和重建精度。结果发现,SSCART算法的重建精度均方误差(mean square error, MSE)指标在10-4数量级上比ART的降低了65%[(ART的MSE值-SSCART的MSE)/ART的MSE],峰值相对误差(peak error, PE)指标在10-2数量级上降低了99.9%。计算上仅仅比ART多1个除数因子,所以SSCART具有算法简单、易于实现、重建精度高、稳定性好等优点。就作者检索的文献看是目前最优秀的代数迭代法。     

光谱法分析迭代重建过程中的滤波

应用光谱法讨论了滤波器及其滤波方案对重建效果的影响。数值模拟重建场,应用光谱法分析了1/4,1/5,1/8均值滤波器,1/5中值滤波器,1/3行、列滤波器,在内嵌、外置等情况下对代数迭代重建的场滤波效果的影响。结果发现：用代数迭代法重建的场含有较大噪声,需要平滑处理;采用1/4,1/5或1/8均值滤波器仅对迭代结果滤波,会严重降低重建精度;采用1/4,1/8均值滤波器内嵌在迭代过程中按一定的迭代次数滤波,可以在一定程度上改善重建精度;采用1/5中值滤波器内嵌在迭代过程中比相应的均值滤波器重建效果更好;内嵌1/5中值滤波器和均值滤波器交替滤波,效果比单一的滤波器滤波更好。采用不同的滤波器和滤波方案对重建结果的影响差别较大。     

一种新的叠栅层析迭代算法

利用叠栅层析具有的测量动态范围大,对震动环境不敏感的特点,从其偏折原理的本质出发,提出一种利用代数迭代法来重建三维流场的叠栅层析重建算法。在此基础上进行了双峰函数的模拟实验,分别进行了6方向,12方向以及叠加高斯噪声的12方向的数值重建,并在相同条件下与滤波反投影方法和对偏折投影数据积分的代数迭代算法这两种已有的叠栅层析重建算法进行了比较,同时用该新算法结合属性矩阵对包含遮挡物的模拟场进行重建。对比重建结果,本算法具有较强的抗噪声能力,并且对非完全数据下的层析重建也有较好的处理效果。     

数字重建编码成像的迭代算法

用矩阵方法研究数字重建编码成像的迭代方法，为克服问题的不唯一与病态，采用正规化方法，给出正视化迭代解码算法，分析了算法的收敛性，与真解的关系，所得的正规解可以抑制噪声，但不能安全反映物体的局域性质，文中分析了算法的计算复杂性，指出巨大的计算要求是限制其实用的关键因素。     

光学层析重建算法改进的研究

光学层析技术在温度、密度等流场的非接触测试中有着广泛的应用前景，然而光学层析的重建是非完全数据的投影重建，通常采用的代数迭代法不能很好地解决重建精度这一难题。为此提出了一种新的光学层析技术的代数迭代重建算法，在算法中引入了包含先验知识的属性矩阵，并摒弃了通常所采用的对超松弛系数人为的确定取法，采用了变超松弛系数。实验计算结果表明，引入属性矩阵和变超松弛系数的代数迭代法能够较好的重建非完全数据投影的待测场，极大地提高重建精度，较好地与实测结果吻合。     

基于改进的多轴差分吸收光谱层析技术的烟羽浓度峰重建

建立了被动多轴差分吸收光谱层析系统,实现烟羽气体的时空浓度分布测量,分别采用传统的同步迭代重建算法(SIRT)和改进的SIRT对测量数据进行了重建分析,克服了一些实际测试中不能获 取大量投影数据或投影分布不均匀、存在噪声的问题,精确地重建出大气痕量气体的二维空间分布．在不同的模型及评价指标下,通过数值模拟对两种重建算法的效果进行比较,改变改进的SIRT算法中的松弛因子,在5500次的迭代过程中,指标d从0.435降到了0.044,指标r从0.376降到了0.044,改进的SIRT算法具有更好的重建效果．外场重建试验中成功重建了大气痕量气体的二维空间．     

基于联合平行投影迭代的叠栅层析重建

描述了一种新的叠栅层析代数迭代模型,并针对传统代数迭代法中的垂直投影算法收敛速度较慢的问题,结合新模型提出了一种改进了的平行投影重建算法.用该算法进行了数值模拟重建,结果表明：与叠栅层析中的变换类算法相比,对非完全数据问题,新算法具有有效结合先验知识进行重建的能力;与传统的垂直投影算法相比,新算法能在保证重建准确度的前提下大幅度的提高收敛速度.     

单幅同轴全息图两步迭代收缩重建

利用压缩传感理论中的两步迭代收缩重建算法,开展单幅同轴全息图重建实验研究,实现单幅同轴全息图共轭重建像的消除并克服数字全息技术在轴向聚焦平面识别能力的不足。以数字图像和标准分辨率板为记录物体,比较分析了基于两步迭代收缩算法和菲涅尔近似衍射重建算法的重建质量;以两根裸光纤为实验样本,分析了两步迭代收缩重建算法对记录物体轴向不同焦平面的识别能力。实验结果表明两步迭代收缩重建算法可得到清晰度高于68.73%的重建信息,同时对直径为125 m的两根光纤在9 mm的轴向间距条件下,显示出了比全息菲涅尔近似算法更好的聚焦平面识别能力。这一轴向聚焦识别能力有助于数字全息技术应用于功能材料梯度参数或功能涂层光学器件涂层厚度检测。     

被动式光学测距误差分析

被动式光学测距系统在战场上具有隐蔽性好的特点。介绍了一种高精度被动式光学测距方法的原理和数学模型。该测量方法采用的是一种比率探测的离焦探测方法,具有高精度、高灵敏度和抗干扰性好的特点。重点分析了影响测距精度的各种因素及误差范围,为系统的设计提供了理论依据。     

Fast parallel algorithm for three-dimensional distance-driven model in iterative computed tomography reconstruction

The projection matrix model is used to describe the physical relationship between reconstructed object and projection.Such a model has a strong influence on projection and backprojection,two vital operations in iterative computed tomographic reconstruction.The distance-driven model(DDM) is a state-of-the-art technology that simulates forward and back projections.This model has a low computational complexity and a relatively high spatial resolution;however,it includes only a few methods in a parallel operation with a matched model scheme.This study introduces a fast and parallelizable algorithm to improve the traditional DDM for computing the parallel projection and backprojection operations.Our proposed model has been implemented on a GPU(graphic processing unit) platform and has achieved satisfactory computational efficiency with no approximation.The runtime for the projection and backprojection operations with our model is approximately 4.5 s and 10.5 s per loop,respectively,with an image size of 256×256×256 and 360 projections with a size of 512×512.We compare several general algorithms that have been proposed for maximizing GPU efficiency by using the unmatched projection/backprojection models in a parallel computation.The imaging resolution is not sacrificed and remains accurate during computed tomographic reconstruction.     

Novel Fourier-based iterative reconstruction for sparse fan projection using alternating direction total variation minimization

Sparse-view x-ray computed tomography(CT) imaging is an interesting topic in CT field and can efficiently decrease radiation dose. Compared with spatial reconstruction, a Fourier-based algorithm has advantages in reconstruction speed and memory usage. A novel Fourier-based iterative reconstruction technique that utilizes non-uniform fast Fourier transform(NUFFT) is presented in this work along with advanced total variation(TV) regularization for a fan sparse-view CT. The proposition of a selective matrix contributes to improve reconstruction quality. The new method employs the NUFFT and its adjoin to iterate back and forth between the Fourier and image space. The performance of the proposed algorithm is demonstrated through a series of digital simulations and experimental phantom studies. Results of the proposed algorithm are compared with those of existing TV-regularized techniques based on compressed sensing method, as well as basic algebraic reconstruction technique. Compared with the existing TV-regularized techniques, the proposed Fourier-based technique significantly improves convergence rate and reduces memory allocation, respectively.     

光学材料光学不均匀性绝对测量误差分析

绝对测量技术去除了干涉仪参考面面形误差,可实现光学材料光学不均匀性的高精度测量。对现有主要光学材料光学不均匀性绝对检测技术进行了总结比较,针对像素错位、干涉图分辨率、干涉仪测量重复性、样品厚度以及折射率测量等因素对光学不均匀性绝对检测的影响进行了实验分析。实验结果表明:干涉仪重复性是光学不均匀性测量的主要误差。样品翻转测量法、样品直接透射测量法、平行平板样品测量法3种测量方法均可实现光学不均匀性（RMS）10-8检测精度。     

光纤面板刀口响应测试仪误差分析

为满足光学纤维面板生产厂、研究所和计量站的检测需要，我们分别研制了ＤＸ－１、ＤＸ－９２１和ＤＸＺ－９０１三种型号的光纤板刀口响应测试仪。本文针对测试精度最高的ＤＸＺ－９０１型仪器进行误差分析，首先给出光纤板刀口响应的曲线拟合，然后分析和计算该测试仪的扫描误差、光度测量误差和狭缝影响等误差因素及其误差贡献，并将测试仪的有关参数代入，最后得出该测试仪的刀口响应的总不确定度，以便对仪器的测值可信度有个理论上的估计。     

改进的同步迭代算法在光声血管成像中的应用

光声成像结合了光学成像和声学成像的优点，是一种高分辨率，高对比度的无损伤医学成像技术.一种改进的同步迭代算法应用于光声图像重建.仿真和模拟结果表明，与传统的代数迭代算法相比，在90°，135°，180°的有限场光声成像中，此算法对测量误差的校正和迭代次数的收敛上具有较大的优势，图像重建的速度和成像质量都有了明显的提高.实验中，一种圆形扫描结构的光声成像装置，用于180°的有限场扫描，利用改进的同步迭代算法，重建出了高对比度和高分辨率（60μm）的鸡胚胎光声血管图像.实验证明，这种算法的应用，大幅度减少了数据采集时间，为光声成像技术运用于实时监测血流灌注和肿瘤光动力治疗的血管损伤效应提供了潜在的应用价值. 关键词： 光声成像 有限角度 代数迭代算法 光声血管成像     

Gerchberg迭代法在三维面形测量中的应用

在基于结构光照明的三维面形测量中,针对有孤立区域物体的条纹图像存在不规则缺陷的问题,提出先对其进行Gerchberg迭代,消除或减少条纹缺陷,获取较完善的迭代条纹,然后再利用傅里叶变换轮廓术(FTP)重建面形。设计了迭代流程,并分析了影响迭代精度的因素,解决了光学加工用具磨盘表面不完善条纹Gerchberg迭代过程中存在的问题,成功地重建了磨盘的三维面形。该工作为表面存在孤立区域的被测物体三维面形测量提供了可供参考的技术方案,也给可实时形变的应力盘三维面形动态测量奠定了基础。     

层析成像图像重建算法综述

介绍了层析成像技术的图像重建算法,并从正向问题数学模型的简化和反向问题数学模型的映射结构的角度比较了各种算法的特点和优劣。研究表明:用本质是线性算法的各种变换方法重建图像存在严重失真,而卷积滤波的引入可以使变换方法的重建效果有所改善;基于导数搜索的迭代算法对初始值依赖性强、收敛速度慢并且容易陷入局部最优解;基于Fourier变换的方法具有本质的局限性;小波变换则可以同时刻画图像时域和频域的细节特征;有限元法通过重建对象像素的智能划分可以简化正问题的复杂性;而具有物理背景的蒙特卡罗法、模拟退火法、遗传算法、粒子滤波法及神经网络法更适合于复杂且非线性的图像重建;智能化、仿生化、并行化以及各种算法的融合是层析成像图像重建算法的发展趋势。