Quantitative characterization of holographic displays based on liquid-crystal-on-silicon spatial light modulator

This report discusses the effect of speckle size on the quality of holographic images based on a liquid-crystal-on-silicon (LCoS) spatial light modulator (SLM). Further, it proposes methods of quantifying the average speckle size and holographic image resolution. These methods enable both characteristics to be compared using the same unit (the number of pixels in the holographic image), providing an intuitive and effective comparative analysis method. In particular, by varying the LCoS resolution ratio, the change in the resolvable minimum pixels of the holographic image is interpreted in conjunction with the average speckle size; moreover, an analysis of the correlation between the latter two is presented. This approach, based on LCoS resolution division, could provide useful insights into single-SLM-based, full-color holographic displays using space division. Furthermore, it could be extended to other components, including more advanced LCoS SLMs, and used to identify the relative effects on image quality with speckles.     

Fast Fabrication and Judgement of Tip-Enhanced Raman Spectroscopy-Active Tips

The quality of the scanning tip is crucial for tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) experiments towards large signal enhancement and high spatial resolution. In this work, we report a controllable fabrication method to prepare TERS-active tips by modifying the tip apex at the atomic scale, and propose two important criteria to in-situ judge the tip's TERS activity for tip-enhanced Raman measurements. One criterion is based on the downshift of the first image potential state to monitor the coupling between the far-field incident laser and near-field plasmon; the other is based on the appearance of the low-wavenumber Raman peaks associated with an atomistic protrusion at the tip apex to judge the coupling efficiency of emissions from the near field to the far field. This work provides an effective method to quickly fabricate and judge TERS-active tips before real TERS experiments on target molecules and other materials, which is believed to be instrumental for the development of TERS and other tip-enhanced spectroscopic techniques.     

高分子溶液壁湍流减阻机理的TRPIV实验研究

利用高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV)对回流式水槽中低浓度高分子溶液壁湍流的减阻机理进行实验研究。通过对比分析高分子溶液和纯水平板湍流边界层在相同来流速度下的平均速度剖面、湍流强度和雷诺应力,发现高分子溶液的壁面摩擦阻力减小了21.77%,并且其缓冲层增厚,按对数律外移,雷诺应力减小;高分子聚合物主要在近壁区起到抑制湍流脉动的作用,而在主流区的作用不太明显。用流向局部平均多尺度速度结构函数和相干结构条件采样方法,检测并对比了高分子溶液和水的壁湍流相干结构“喷射”和“扫掠”事件中的脉动速度、展向涡量、雷诺应力等物理量的二维拓扑形态,发现高分子溶液近壁区相干结构在猝发时的脉动速度减小,涡量受到抑制,雷诺应力明显减小,说明高分子溶液湍流近壁区相干结构“喷射”和“扫掠”的强度变弱,猝发频率降低,动量和能量的输运减弱,揭示出高分子溶液减阻的重要机理。     

基于图像检索的大豆食心虫虫害高光谱检测

为减轻虫害对大豆的影响,首先使用相应的高光谱仪器进行样本采集,样本分为4类：包括带有微小虫卵的,带有幼虫的,有啃食痕迹的和完全正常的大豆各20颗;然后提出了一种基于三维图像检索(3D-R-D, 3D Resnet18 DCH)的大豆食心虫的高光谱检测方法。该方法从视频检索的应用中得到启发,考虑到视频不同帧之间和高光谱不同层之间存在类比关系,使用了在大规模视频检索数据集下训练而成的分类模型,将它作为预训练3D卷积模型进行训练。和已知的文献方法相同,使用公开的光谱数据集进行正式训练和微调,从而得到能进行特征提取的3D卷积网络,用图像检索来实现间接分类,通过利用样本之间的特征距离,实现在全新类别上的分类。为能适应任务,将模型最后的分类层变成了图像检索常用的hash层,从而得到了代表特征的二进制码。该方法不但完成了对不同情况下大豆种类的检测,还解决了训练时样本不足的问题。为探寻一种好的相似度匹配损失函数,对比了多种较新的方法,最后发现使用融入柯西分布的损失函数,实验效果最佳,最终模型的分类精度达86%±1.00%,和在大豆食心虫检测上最新的小样本方法对比,3D-R-D方法提高了3.5%左右的精...     

改进的Brenner图像清晰度评价算法

图像清晰度评价是基于数字图像的被动式自动调焦技术的基本问题之一.传统Brenner图像清晰度评价算法具有运算速度快特点,但是其评价准确性取决于阈值选取,且其灵敏度较低.针对上述问题,本文提出了一种改进算法.改进算法采用高通和带通两个滤波器对图像进行计算,克服阈值对传统Brenner算法评价结果的影响.为了衡量改进算法的性能,将其与传统的Brenner算法比较,并对评价算法的单峰性、无偏性、灵敏度、计算量等主要衡量标准逐一分析.实验结果表明:与传统的Brenner评价算法相比,改进算法在满足评价算法单峰性和无偏性前提下,提高了灵敏度,降低了计算次数.     

Computer Simulation of a 3-D Sensing System with Structured Illumination

A computer simulation system of three-dimensional sensing with structured illumination is presented. It includes the generation of deformed fringe patterns from 3-D shapes and the reconstruction of 3-D shapes, conversely. Some experimental results of the deformed fringe pattern and the reconstructed object shapes are presented. We have also discussed the effect of some major system parameters on the measurement results and considered how to correct these parameters according to the measurement result of the standard plane. Using this simulation system, the major system parameters: environmental conditions, measurement accuracy and algorithm evaluation of the 3-D shape measurement system based on PMP, FTP, SPM, etc., can be researched. © 1997 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

基于数字粒子图像测速的水雾粒径测量算法及实验

针对利用传统数字粒子图像测速（DPIV）法测量水雾粒径时粒子影像拉长对测试结果的影响,提出了基于DPIV建立的改进图像法（IIM）。设计了水雾粒径测量试验系统,对细水雾进行实时测试,并对比了采用本文算法与直接等效法测试水雾粒径子半径的差异。结果表明：采用本文的IIM得到的测试结果更为准确。通过最小二乘法对粒径分布进行拟合,发现对数正态分布函数和威布尔函数都可以较好地描述粒径分布。     

基于热图像的种蛋气室变化监测算法

种蛋气室的大小是监测种蛋孵化过程的重要指标之一。根据种蛋的热力学结构,种蛋在孵化过程中,包裹气室部分蛋壳会与其他部分蛋壳产生温差,从而可通过热红外图像进行观察。针对在种蛋孵化过程中,人工照蛋检测气室效率低的问题,探索设计了一种基于热图像的种蛋气室变化俯视监测算法。监测种蛋气室热图像的算法主要包括种蛋目标检测,种蛋图像分割和种蛋气室面积计算3个部分,其中种蛋的目标检测采用Faster-RCNN算法实现;种蛋图像分割采用BP神经网络算法实现;种蛋气室面积是在种蛋图像分割的基础上进行计算。使用孵化5天及以上的种蛋作为研究对象,并拍取种蛋的热图像进行试验。试验结果表明：种蛋热图像的目标检测的平均精度（mAP）为99.85%,拥有较好的检测效果。使用BP网络对种蛋进行图像分割。BP神经网络经过调参后,其网络最佳的结构为三层隐藏层,每个隐藏层拥有1 000个神经元,最优初始学习率为0.000 1,最优最大迭代次数为500。以F1-measure作为分割效果的评价指标,BP神经网络的图像分割总体结果为87.02%,Otsu算法的总体结果为65.25%。其中只有一个蛋的情况下,BP神经网络的分割结果为87.17%,Otsu算法的结果为68.86%。存在其他种蛋的干扰条件下,BP神经网络的分割结果为86.94%,Otsu算法的结果为61.64%,BP神经网络的分割效果优于Otsu分割算法,BP神经网络拥有更强的抗干扰能力。最后提取了孵化5～19 d种蛋的气室变化,通过观察种蛋气室大小曲线来监测种蛋的孵化情况,可看出随着天数的增加,气室有着明显变大的趋势。人工测量法与热红外测量法比较结果说明两者相关性为0.934 3,拥有较好的相关性。基于热图像的种蛋气室变化监测算法可在实际生产中实现种蛋的识别与气室大小的快速监测,为实现监测种蛋孵化的自动化提供了技术参考。     

基于模糊逻辑的红外相机模拟器定量化仿真度评价框架

针对红外相机模拟器仿真度量化评价体系的现状,提出了一种基于模糊逻辑和模糊集思想的全新的理论框架.该框架是一种客观的、多尺度的评价体系,涉及到模糊逻辑、曲线相似度评价、图像质量评估以及信息论等多个交叉领域.和现有的单一尺度的评价方法相比,这种多尺度的仿真度评价分析系统综合考虑了成像系统的主要性能特性参量和系统输出图像的质量,具有更好的任务适应性,可以方便地量化和比较具有相同或相似需求的相机模拟器的仿真度结果.     

基于数学形态学的表面原子熔融相的 STM图像识别算法

高温扫描隧道显微镜(HT-STM)可以实时原位地捕捉到表面原子的熔化相变过程.在这一原位变温实验中,快速可靠地识别出每帧STM图像中的熔融相十分关键.传统的手工统计方法存在效率低下、随意性大等问题.我们发展出一套基于数学形态学的算法,来自动快速地识别.与人工方法相比,该算法消除了人为主观误差,使确定的边界更加准确、光滑,处理效率提高了266倍.