一种用硬件实现的Bayer格式图像恢复算法

针对传统的双线性Bayer彩色图像恢复算法恢复效果不理想,边界部分不明显,局部图像有团块等问题,提出了一种基于硬件实现的Bayer图像快速插值算法。采用梯度算法对Bayer格式图像绿色通道进行恢复,根据像素点所属的颜色组对蓝色通道进行恢复。实验结果表明,本文算法比双线性法有更好的峰值信噪比(PSNR)值,RGB 3个通道的PSNR值均比双线性法高5 dB以上,而且算法消耗时间比双线性法少,恢复的图像视觉效果更好。实验处理一幅512×512的全彩图像仅需要9.3 ms,完全可以满足实时性的要求,因此,本文算法在对实时性要求高的场合有很好的应用前景。     

数字全息中的一些基本问题分析

利用全息理论、傅里叶频谱分析和采样定理，在模拟和数字全息光栅实验基础上，分析了数字全息记录和再现中的一些基本问题。结果表明：在物体和CCD尺寸确定的情况下，记录光路结构参量只取决于对图像采样的要求及CCD的像素尺寸，只要物体到CCD的距离满足采样要求，数字全息图再现光场的三个部分就可以分离；用准直平行光作为记录参考光和模拟再现光，可以得到与物体大小和形状完全一致的再现像；采样条件对再现像的影响大于分离条件，减小参物光的夹角记录适当过采样的数字全息图，有利于提高再现像的质量；另外，在获得高质量再现像方面，根据物体的具体特征，尽可能记录高质量的数字全息图，与满足采样条件和分离条件具有同样重要的意义。     

粒子场数字全息诊断中的再现算法研究

 粒子场的数字全息诊断中,良好的再现算法能够在较短的时间内给出高质量的再现像。利用标准粒子板模拟单层面的粒子场,使用大面阵CCD实现同轴数字全息记录,得到了大尺寸的数字全息图。针对4种数字全息再现算法,本文从再现图像的质量、再现全息图的大小和计算速度3个主要方面进行了比较研究,结果表明角谱算法(FFT-AS)具有再现图像背景均匀,再现结果中无物理图像压缩,可以再现大尺寸的全息图且具有较快计算速度的优点,适合于粒子场同轴数字全息图的再现计算。     

基于Powell算法的亚像元配准方法

基于Powell优化算法和图像的金字塔分解,提出了一个新的亚像元运动参数估计方法.用参考图像和待配准图像构造的非线性最小二乘公式作为Powell算法的目标函数,并且以运动参数作为变量.由细到粗的多分辨率分解为准确的亚像元参数估计提供了基础.数值实验结果表明,该算法可以用于准确的稳健的亚像元参数估计,其不足之处在于运行时间比较长.     

基于选择采样的高效迭代相位提取算法

在光学精密测量中,相移干涉法应用广泛。常用的相移器件容易出现相移误差,采用等步距相位提取算法会产生测量误差。基于最小二乘的迭代相位提取算法可以有效消除该类相位提取误差,提高测量精度,但是其迭代过程运行时间长,效率低。提出了一种基于选择采样的迭代相位提取算法,先对干涉图像进行等间隔抽样,降低计算量;再根据对比度滤除干涉图像中低质量像素点,防止误差增大,进行最小二乘迭代求解相位。仿真实验对算法进行了分析和验证,在抽样间隔为2时的选择采样方法与所有像素点全部代入计算相比,运行时间从6.687 s降为0.725 s,均方根误差仅为0.032 9。实验结果证明:选择采样的迭代相位提取算法运算时间短、误差小,非常适合高速相移干涉测量应用。     

波导环境多目标时延-多普勒解卷成像

有源声呐感兴趣的参量是目标距离和径向速度,它们无法直接观测得到,需要通过估计而获得。利用波导多路径环境多目标时延-多普勒模型,可以导出采样互模糊度函数均值是发射信号自模糊度函数与广义目标反射性密度函数的两维卷积,其中广义目标反射性密度函数为信道扩展函数与目标反射性密度函数的两维卷积。依据信息理论最小Csiszar鉴别准则,可导出R-L (Richardson-Lucy)迭代解卷算法,对采样互模糊度函数均值进行两维迭代解卷积,消除发射信号和信道引入的模糊,序贯地实现时延-多普勒两维像的估计,进而获得多目标的时延和多普勒参量估计。仿真结果和海上实验数据分析验证了R-L解卷算法的可行性和有效性,较之常规的匹配滤波和维纳滤波算法,R-L算法有效地提高了时延和多普勒估计的分辨力和精度。      

显微数字全息中物光波前重建方法研究和比较

根据全息理论和线性系统理论,采用离轴无透镜傅里叶变换全息记录光路,对利用菲涅耳近似法、基于瑞利—索末菲衍射积分的卷积法以及角谱理论方法数值重建全息图进行了比较研究,并做了计算机模拟验证.结果表明：菲涅耳近似法和角谱方法重建像质比较好,且菲涅耳方法重建速度快;在记录距离极小的情况下,尽管记录距离不满足通常的菲涅耳近似条件,菲涅耳近似公式仍然成立;自由空间脉冲响应的快速傅里叶变换的性质与距离有关,由卷积方法得到的再现像只在某一特定距离下比较理想;对于极小物场、大孔径显微数字全息来说,菲涅耳近似重建方法是较为有效的方法.     

用阈值函数分析粒子场同轴全息非线性记录对再现像的影响

用阈值函数分析了粒子场同轴全息非线性记录对再现像的影响,从理论上得到了非线性记录影响粒子场同轴全息再现像的模型,并数值模拟了不同形状粒子在非线性记录下的再现像,得到再现像出现了边缘剪切效应.实验验证了数值模拟的结果,完善了粒子场同轴全息理论,并为粒子场同轴全息图像处理提供了光学产生边缘剪切效果,节约了图像处理的时间.     

近距离数字全息术记录和再现问题

讨论了记录距离小于菲涅耳衍射要求的近距离数字全息记录和再现问题。对全息记录与再现中高次相位的补偿问题进行了分析,证明了在CCD的参量和记录距离给定后,只要记录时使物体的大小、球面参考光波的位置和距离满足一定的条件,即使在记录距离小于菲涅耳衍射要求的最小距离情况下,也可将高次相位的影响补偿到足够小,使得近距离数字全息的数字再现仍可用快速傅里叶变换算法计算。推导出了满足高次相位补偿的条件和满足补偿条件时的数值再现计算公式。实验结果与理论分析的结论相吻合,并给出了一种修正实际记录的参考光和计算机模拟的理想参考光之间偏差的方法。     

数值模拟微米粒子的体全息记录与再现

体全息对小粒子记录及再现的影响关系到体全息材料在粒子场检测领域的应用前景,提出结合角谱传播理论与多光栅耦合波理论进行体全息图衍射分析的方法,并数值模拟了微米量级小粒子衍射光场的体全息记录与再现。数值分析结果表明体全息理论并不能像薄全息理论那样精确的再现出原始物光。其再现光场的角谱分布相对于原始光场存在高阶衰减,这使得再现光场成像后的图像边缘模糊,而且模糊程度还会随着粒子尺寸的下降逐渐上升。虽然这一现象为粒子边缘判读带来困难,但是再现图像的径向强度分布可为提高判断精度提供有益的参考。     

同轴数字全息用于血吸虫尾蚴检测研究

由于水的表面易出现抖动或波动情况,而传统的显微镜成像需要精确的光学焦聚过程,因此不适于观察漂浮于水表面的血吸虫尾蚴.本文论述了用同轴数字全息检测血吸虫尾蚴的基本原理.通过对再现像进行小波分析发现,偏离焦点时的小波变换高频系数的幅值比聚焦时要小得多.针对这一特点,本文对小波变换清晰度评价函数进行了改进,将原来利用高频系数之和改为利用聚焦窗口中高频系数的最大幅值为清晰度评价依据.在模拟实验结果中清晰度评价函数极大值出现在再现距离与记录距离相等处,说明了该算法的准确性.建立了用于血吸虫尾蚴检测的实验装置,可方便获取普通显微图像及数字全息图.实验结果表明,本文提出的算法能实现实际情况下的数字全息自动聚焦,其再现像的分辨率与装有1倍显微镜头的数码显微镜分辨率相当,足以清晰地分辨出血吸虫尾蚴的尾部分叉特征.利用同轴数字全息技术可在水面与图像传感器之间的距离不确定的情况下实现对血吸虫尾蚴的检测.     

同轴数字全息用于血吸虫尾蚴检测研究

由于水的表面易出现抖动或波动情况,而传统的显微镜成像需要精确的光学焦聚过程,因此不适于观察漂浮于水表面的血吸虫尾蚴.本文论述了用同轴数字全息检测血吸虫尾蚴的基本原理.通过对再现像进行小波分析发现,偏离焦点时的小波变换高频系数的幅值比聚焦时要小得多.针对这一特点,本文对小波变换清晰度评价函数进行了改进,将原来利用高频系数之和改为利用聚焦窗口中高频系数的最大幅值为清晰度评价依据.在模拟实验结果中清晰度评价函数极大值出现在再现距离与记录距离相等处,说明了该算法的准确性.建立了用于血吸虫尾蚴检测的实验装置,可方便获取普通显微图像及数字全息图.实验结果表明,本文提出的算法能实现实际情况下的数字全息自动聚焦,其再现像的分辨率与装有1倍显微镜头的数码显微镜分辨率相当,足以清晰地分辨出血吸虫尾蚴的尾部分叉特征.利用同轴数字全息技术可在水面与图像传感器之间的距离不确定的情况下实现对血吸虫尾蚴的检测.     

彩色数字全息的非插值波面重建算法研究

彩色数字全息及多波长照明的数字全息检测研究中,避免插值误差的可变放大率波面重建是一个重要的研究内容.由于Fresnel衍射积分可以表示成Fourier变换及卷积两种形式,对应地存在两种波面重建算法：其一,将重建距离分为两段的衍射“接力”算法;其二,用球面波为重建波的卷积算法.文中对这两种算法进行理论分析及实验研究,讨论让重建计算满足取样定理的条件.结果表明,卷积算法较容易满足取样定理,能够获得较好的重建物光场. 关键词： 彩色数字全息 波面重建 衍射计算     

彩色数字全息的非插值波面重建算法研究

彩色数字全息及多波长照明的数字全息检测研究中,避免插值误差的可变放大率波面重建是一个重要的研究内容.由于Fresnel衍射积分可以表示成Fourier变换及卷积两种形式,对应地存在两种波面重建算法：其一,将重建距离分为两段的衍射“接力”算法;其二,用球面波为重建波的卷积算法.文中对这两种算法进行理论分析及实验研究,讨论让重建计算满足取样定理的条件.结果表明,卷积算法较容易满足取样定理,能够获得较好的重建物光场.     

Potential of digital holography in particle measurement

This paper describes the potential power of digital holography in particle measurement and its expected development in the near future. In digital holography, image reconstruction is carried out numerically on a computer using observed hologram patterns and some quantitative information can be derived from the reconstructed images. In this paper, the basic concept and procedure of digital in-line holography are shown mainly for particle depth measurement and the performance test results obtained in numerical simulations and experiments are demonstrated to examine the potential of the present method.     

Digital Holography for Instantaneous Spray Diagnostics on a Plane

We present a measurement technique that is capable of simultaneously determining sizes and positions of multiple transparent droplets in a plane from scattered light features. The technique is largely independent of particle intensity and mutual obscuration. Reflected and refracted light from the droplets in a pulsed laser sheet is recorded holographically to yield the smallest possible probe volume and the largest possible number density. Larger droplets are best analyzed at the image plane; in this case, the droplets appear as two spots (glare points), whose separation is proportional to the droplet diameter. Smaller droplets are easier to analyze at an out‐of‐focus plane, where their images appear as fringe patterns whose spatial frequency is related to droplet size. Photographic techniques allow only one of these planes to be chosen and are therefore not suitable for multidisperse sprays. Optical holography allows to analyze arbitrary depths, but often suffers from low sensitivity and long analysis times. With digital holography, the spray images are captured digitally by a CCD camera and reconstructed numerically; as in optical holography, the particle reconstruction plane can be freely chosen a posteriori to optimize the measurement. We discuss the issues raised by the transition from holographic film to a CCD sensor as the recording medium, and demonstrate the capabilities of the digital technique.     

The recording of digital hologram at short distance and reconstruction using convolution approach

By adopting in-line lensless Fourier setup and phase-shifting technique, we recorded the phase-shifting digital hologram at short distance. As the Fresnel diffraction condition is no longer valid, the convolution approach is chosen for the reconstruction. However, the simulated reference wave for the reconstruction would suffer from severe under-sampling due to the comparatively large pixel size. To solve this problem, sinc-interpolation is introduced to get the pixel-size of the hologram reduced prior to the reconstruction. The experimental results show that an object image of high fidelity is obtained with this method.     

离轴微粒场全息术中记录介质分辨率要求

本文从离轴微粒场全息记录光路的一般模型出发,导出了离轴微粒场全息术中记录介质分辨率要求的普遍公式。讨论了三种典型形状微粒对记录介质的分辨率要求。结果表明,除了参考光的倾角外,微粒的尺寸和参、物光的波前曲率差及微粒重心偏离光轴的距离也都是影响记录介质分辨率要求的主要因素。     

单色CCD记录多波长数字全息图及再现像彩色显示

对多波长数字全息图的记录和再现像的彩色显示问题进行了研究.从菲涅耳近似算法出发,对在记录距离一定情况下,不同波长全息图数字再现像的像元所表示的几何尺寸会因波长不同而不同,从而导致各波长再现像无法重合的情况进行了讨论.通过理论分析,讨论了不同波长全息图像素数与再现像像元之间的关系、不同波长全息图记录距离与再现像像元之间的关系,据此得出的解决不同波长再现像重合问题的方法及其对再现像的影响和适用范围等问题；并对合成再现像中原始色彩信息改变及其解决办法进行了分析.通过无透镜傅里叶变换数字全息方法,以632.8 nm和532.0 nm两种波长的激光为光源,用单色CCD进行记录,验证了方法的可行性.     

球面参考光波数字全息的一些特点分析及实验

对以球面波作为参考光记录数字全息图的采样和再现分离条件进行了详细的分析。推导出了同时满足采样和再现分离条件时,CCD及物体的横向尺寸、物体及参考光源至CCD的距离之间需要满足的关系式,证明了完全散射物体上复振幅在记录面上的叠加可以等效为一个点光源在记录面上产生的效果,进行了相应的实验研究。结果表明：数字全息术中采用球面参考光波可以比采用平面参考光波更容易满足采样和分离条件,并可以记录到更多的物体信息;在物体至CCD的距离固定的情况下,无透镜傅里叶变换全息术是优化的记录光路结构;散射物体比衍射物体的数字全息图更容易满足采样和分离条件。