小孔径成像系统衍射退化图像恢复

针对小孔径成像系统图像的衍射退化,本文介绍了一种基于凸集投影法(POCS)的超分辨率图像复原技术,这是一种将各种先验约束引入到计算中以降低噪声和奇异性解的迭代算法,该算法可以很好的保持高分辨率图像的边缘和细节信息.使用衍射退化图像恢复技术的小孔径成像系统在航空航天相机、天文望远镜、受光源、镜头或能量大小限制的特殊光学成像系统等场合有广泛的应用前景.     

应用投影收缩的压缩感知锥束CT短扫描重建

由于锥束CT成像系统在短扫描方式下无法获得完全投影数据,从而限制了图像重建的质量,本文提出了一种基于投影收缩的压缩感知锥束CT短扫描重建算法。考虑BB(Barzilai-Borwen)梯度投影算法的非单调收敛,分析了投影收缩法的预测校正特性,并将校正过程引入到压缩感知图像重建算法中。结合目标函数下降方向和凸集投影下降方向,校正BB梯度投影算法,改善BB梯度投影算法的非单调特性。应用该算法对模拟投影数据和仿体扫描数据分别进行了重建试验。模拟试验结果表明,在25个采样角度下,用提出算法重建图像的信噪比值比自适应最速下降-凸集投影算法、投影收缩算法和BB梯度投影算法的重建结果分别高出9.487 0、9.802 7、3.615 9dB。仿真试验结果表明:在少量投影角度下该算法重建结果有效抑制了条状伪影,清晰重建出边缘细节,极大提高了少量投影数据重建图像的质量。     

基于梯度图的快速POCS超分辨率复原算法研究

随着红外成像相关产业的兴起,红外成像技术具有的隐蔽性好、探测范围广、定位精度高、穿透距离远,以及轻质小巧、低耗可靠等优点备受青睐,已成为当前智能化光电探测发展的主流方向。然而,红外弱小目标的图像细节特征少、信噪比低等特点成为红外图像应用的瓶颈,如何提高红外弱小目标成像效果成为目前的研究热点。POCS算法是目前超分辨率复原中应用非常广泛的一种复原算法,但是该算法运算量大,处理时间较长,同时对图像的边缘细节保留能力较差。针对POCS超分辨率复原算法迭代时间较长,无法满足光电探测系统实时性的问题,提出了基于梯度图的快速POCS超分辨率复原算法(GPOCS)。该算法根据图像的梯度分布对图像中的像素点进行分类,采用不同的迭代系数进行计算。改进算法能够较好的保留边缘信息并抑制噪声,进而在保证超分辨率复原性能的基础上大大缩短了运算时间。实验结果表明:GPOCS算法复原结果在背景处噪声得到一定的抑制,整体复原能力优于传统的POCS复原方法。该算法能够有效地保留边缘细节,同时处理时间小于传统的POCS复原方法,减少了1个数量级已经是接近实时。GPOCS算法能够自适应的选取迭代步长,较好的保留边缘信息并抑制噪声,进而在保证超分辨率复原性能的基础上大大缩短了运算时间,虽然不能满足实时性的要求,但是也已经是接近实时。     

基于3线阵探测器的亚像元成像超分辨率重构

虽然增加探测器的时间和空间采样频率可以提高亚像元成像系统空间分辨率,但探测器采集到的数据易发生混叠,使重构得到的图像的分辨率无法达到理想值。本文以3片线阵探测器亚像元成像为基础,提出一种超分辨率重构算法。首先,在高分辨率网格上建立插值模型;然后,辨识插值重构图像在线阵列方向和扫描方向的模糊核,得到整幅图像的模糊核;最后,采用带有Neumman边界条件的梯度平滑正则化模型去除模糊,抑制振铃效应。实验结果表明,该算法使亚像元成像系统分辨率为单线阵探测器无过采样成像系统分辨率的2.6倍;与双线性插值法相比,平均灰度等级(GMG)提高了7.71。该算法可以进一步实现对更多片线阵探测器亚像元成像的超分辨率重构,获取更高的系统分辨率。     

自适应Radon单像素成像

使用单像素探测器实现成像需要大量采样。对于目标区域仅占场景一部分的情况时,我们提出了自适应Radon单像素成像方法,能够使用单像素探测器实现目标区域的定位和成像。本文对该方法的目标定位方式、编码采样算法、重建算法等进行研究,以减少单像素成像的采样数量。基于Radon变换的基本原理,使用图像在水平和垂直方向的投影信息,以获取场景中目标区域的大小和位置。建立自适应Radon-Hadamard单像素成像模型,仅对目标区域进行单像素采样,然后使用滤波反投影技术重建目标区域。研究结果表明:所提出的自适应Radon单像素成像方法能够实现对场景中目标区域的成像,采样数量远低于重建图像的分辨率,重建图像的结构相似性系数大于95%,有效的提高了单像素成像方法的成像效率。     

射线源平移扫描 CT 解析重建算法研究

微焦CT通过圆周扫描可对处于视场内的物体实现高分辨力成像。针对超出视场的大物体CT成像,一种射线源平移扫描CT(STCT)被提出。STCT采用射线源直线运动的方式采集投影数据,具有结构简单、应用灵活等特点。由于在STCT扫描过程中,每个位置的射线只能照射到部分物体,投影数据存在截断。为了提高重建效率和处理截断投影数据,提出了基于数据重组的滤波反投影重建算法(rFBP),该算法基于STCT扫描特性和X射线衰减性质,通过对置射线源采样点与探测器像元,将截断投影数据重组为全局投影数据,并在此基础上推导了rFBP算法表达式。仿真和实物实验结果验证了rFBP算法的有效性与实用性,重建时间综合缩短至SIRT算法的0.6%。rFBP算法能避免截断伪影,准确、高效地重建STCT图像。     

采用双三次插值的空间目标偏振成像

为了解决暗弱场景下空间目标与背景对比度过低,无法区分的问题,采用分焦面偏振成像系统分别对室外暗弱场景、室内空间模拟环境进行成像;为了弥补分焦面偏振成像系统图像分辨率下降的缺点,采用双三次插值算法进行上采样。通过分焦面偏振相机的一次曝光便可获得4个不同偏振角度下的光强图,进而解算出偏振度图像和偏振角图像,并与传统的光强图像进行对比;利用双三次插值算法对4幅光强图进行上采样提高图像分辨率,然后再解算出偏振度图像,与未通过上采样获得的偏振度图像进行对比。实验结果表明,偏振成像较之传统的光强成像,目标的对比度获得了提高,边缘信息、纹理信息得到了更好的展现,偏振度图像与光强图像相比,与对比度有关的EME指标至少提高了17%,双三次插值算法提高了成像分辨率。应用双三次插值算法的分焦面偏振成像系统,对暗弱场景下的空间目标的识别具有潜在的应用价值。     

噪声对超分辨率重构结果影响的分析

结合成像模型,从数学角度分析了噪声对重构结果的影响,结合POCS算法,仿真了常见成像模型中噪声对重构结果的影响。通过MATLAB软件仿真获取低分辨率图像序列集,并对低分辨率图像施加噪声获取带有噪声的低分辨率图像集,再借助算法获取高分辨率图像。根据实际情况的不同,分别仿真分析了不同程度的高斯噪声和乘性噪声以及椒盐噪声对最终重构结果的影响。研究结果表明:不论何种噪声,其对重构结果的影响趋势基本一致,即较小噪声对于重构结果影响较小,但随着噪声的增加,图像质量严重退化,重构结果中信噪比相对于原始图像下降更快,图像质量更差;另一方面在相同的信噪比情况下,高斯噪声对于重构结果的影响最大。     

基于无监督学习和注意力机制的水下偏振图像融合

针对光线在水体中传播会受到吸收和散射影响,仅使用传统的强度相机获取水下图像存在成像结果亮度偏低、图像模糊、细节丢失等问题,将深度融合网络应用于水下偏振图像,即用深度学习的方法将水下偏振度图像与光强图像融合。分析水下主动偏振成像模型,搭建实验装置获取水下偏振图像构建训练数据集,并进行适当变换以扩充数据集。构建基于无监督学习和注意力机制引导的用于融合偏振度和光强图像的端到端学习框架,并对损失函数及权重参数进行阐述。使用制作的数据集在不同的损失权重参数下进行网络训练,基于不同的图像评价指标对融合后的图像进行评估。实验结果表明,融合后的水下图像细节更为丰富,相比于光强图像信息熵提升24.48%,标准差提升139%。相比于其他传统融合算法,该方法不需要人工调节权重参数,运算速度较快,具有较强的稳定性和自适应性,对于海洋探测、水下目标识别等领域的应用研究具有重要意义。     

一种非制冷红外焦平面探测器图像清晰化设计与仿真

针对非制冷红外焦平面探测器在成像过程中存在非均匀性、存在一定数量的盲元以及红外图像质量不高等问题，设计一种非制冷红外焦平面探测器图像清晰化的算法。首先采用两点校正法对焦平面阵列各像元的增益核偏移量进行校正，采用邻域替代法，利用帧内空间相关性对盲元进行补偿；然后对图像进行3×3的滑窗滤波，将滤波后的图像与经过拉普拉斯算子锐化后的图像进行叠加，使其图像细节得到增强；最后通过直方图均衡化调整图像的灰度。仿真结果证明，所设计的方法能够有效提高红外焦平面探测器的清晰度，增强图像的细节。     

口腔颌面锥形束计算机体层摄影设备的研发

近年来,我国口腔疾病患病水平呈明显上升趋势,而我国现有口腔CT设备研发水平处于初级阶段,尚未很好满足临床需求。为提升口腔疾病的诊断效率,团队研发了一款新型口腔颌面锥形束计算机体层摄影设备(口腔CT)。该设备选用KL29型X射线管和PaxScan非晶硅探测器,保证获取质量卓越的投影数据;采用低剂量重建算法及脉冲扫描方式,有效降低曝光剂量,获得优质CBCT图像;采用探测器偏置技术增大CT图像FOV成像面积。     

压电陶瓷管的微位移测量与非线性校正

为了对原子力显微镜(AFM)中压电陶瓷管扫描位移进行非线性校正,提出了一种微位移测量与校正的简易方法.采用涡流位移传感器测量微位移,将其放大100倍以提高检测灵敏度;得到了压电陶瓷管的位移-电压曲线,其最高位移分辨率计算值为0.4 nm.根据AFM中压电陶瓷管的工作特点,确定扫描范围下测量得到的位移-电压关系,通过对等间隔像素点施加对应的非等间隔控制电压序列的方法进行非线性校正,依据像素点精度要求通过插值算法获得控制电压序列.系统采用LabVIEW虚拟仪器技术,校正后压电陶瓷管最大位移滞回偏差从10.1%降为0.4%.实验表明:扫描频率和扫描像素分辨率调节方便,同时校正算法复杂度也有所降低.     

快速旋转式偏振成像探测装置的设计

为了获取更快的偏振成像探测速率,本文对现有的机械旋转式偏振成像装置进行了改进,设计了连续旋转检偏器的成像方式,并改进图像处理过程,进一步提高了偏振成像速度。该装置克服了传统机械旋转式偏振成像装置体积大、成像速度慢、效率低的不足,利用电机带动检偏器快速匀速旋转,并与相机的曝光同步,能够快速便捷地实现偏振图像的获取。同时为了实现更高的偏振图像采集速率,对偏振图像采用了流水线式的处理方式,利用每相邻的3幅强度图解算得到偏振图像,使偏振图像与强度图像具有相同的成像速率。经过测试,该装置能够很好地完成偏振图像的采集,获取被测目标的偏振度和偏振角,在稳定工作状态下平均获取一幅偏振信息耗时0.033 s,且具有较好的工作稳定性。本文所做工作提升了机械旋转式偏振成像仪的工作效率,也为进一步提升机械式偏振成像仪的成像速度、实现对运动目标探测打下了基础。     

基于 MCP / sCMOS 的单光子成像探测系统及算法研究

针对单光子计数成像技术探测目标信号微弱信噪比低、所得图像目标区域不清楚、背景噪声严重等问题。 本文利用 270±5 nm 的日盲紫外滤光片、图像增益 710 5 的微通道板像增强器(MCP)、荧光屏和最大分辨率为 1 504×1 504 的科学级互补金属 氧化物半导体(sCMOS)等器件,设计了日盲紫外单光子探测系统,并通过时序控制获取了单光子光斑图像。 为了突出图像中的目 标区域,本文利用改进的形态学高帽变换算法,对光斑目标区域进行增强处理;随后利用三角阈值法对图像进行二值化处理,同时 利用连通域对目标区域的坐标进行提取;最后运用区域极值算法在原图中的目标区域进行单光子计数。 对紫外光源进行了单次 曝光时间为 80~100 ns 的系列成像和数据处理实验,实验结果验证了所设计的单光子成像探测系统和光子计数算法的可行性。     

利用异形像元探测器提高空间分辨率

为了解决光电系统成像中探测器分辨率低的问题,针对造成探测器分辨率低的两大主要因素-采样率不足及感光区域的低通滤波效应,提出一种基于异形像元探测器的超分辨成像方法.综合现有的超分辨重建技术和减少像元尺寸方法的优缺点,将现有的探测器矩形像元逐一"变形",去除同一位置1/4象限;利用该异形像元探测器阵列获取一序列相互错位1/2像元的欠采样图像;最后利用图像算法计算出这些图像的灰度矩阵信息,重建最终的高分辨图像.该方法可同时提高探测器的采样频率和截止频率,拓展带宽,从而实现高分辨率成像.为了验证该方法的有效性,在试验中选取填充因子100%的46 μm×46 μm中波红外探测器,利用焦距为6 000 mm、口径为600 mm的红外平行光管和焦距为50 mm的中波红外镜头成像,如果不采用任何技术,物方分辨率为11.04 mm;过采样技术可将分辨率提高1.60倍,物方分辨率为6.9 mm;而采用异形像元探测器超分辨成像方法,在试验中将每个像元都抠掉23 μm×23 μm后, 物方分辨率为3.1 mm.     

X线阵探测器实时成像系统的设计

为了解决工业无损检测x线的数字化成像问题。本文介绍了一种基于TCP／IP通信协议的X射线无损检测扫描成像系统,阐述了探测器数据接收与成像的基本原理及技术实现,进行了系统硬件和软件的设计。试验结果表明,X-SCANX射线线阵列探测器可以实现16bit高速图像数据获取。空间分辨率可达0．4mm。并取得了比较满意的x射线图像效果。     

高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现

为提高已研制的基于非制冷焦平面探测器的显微热成像系统的空间分辨力,研究提出了一种基于光学平板旋转微扫描器的高分辨力显微热成像系统.分析了光学平板旋转微扫描的工作原理,给出了微扫描器相关的参数设计、加工容差,并与现有的非制冷显微热成像系统实现了一体化设计与加工,确定了光学微扫描显微热成像系统的技术指标.利用该系统实际采集的显微热图像与过采样处理结果表明系统整体设计的有效性,系统空间分辨力得到提高,可应用于高分辨力显微热分析.＃     

高精度影像测量系统中图像的超分辨率重建

为了提高影像测量系统的测量精度,研究了基于微位移错位的多幅图像超分辨重建技术.考虑制作成本和制作难度,提出了一种不苛求精确微位移的超分辨率重建技术.首先,获取随机微位移图像序列;然后,利用被测对象中易于实现高精度提取的特征点或采用模板衬底中的特征点计算出图像序列间的准确位移关系;最后,根据本文提出的数学模型重建出高分辨...     

分焦平面偏振图像传感器信噪比标定

为了标定分焦平面偏振图像传感器的信噪比,设计了分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比标定实验。对分焦平面偏振图像传感器信噪比参数对偏振角度测量结果的影响程度、信噪比标定原理、标定实验流程等进行了研究。根据分焦平面偏振传感器的结构和数字图像传感器的数学模型得到信噪比的标定原理。在不同信噪比、不同入射角度线偏振光情况下,对偏振角度测量结果进行了仿真。然后,根据标定原理设计标定实验的装置结构和实验流程。最后,进行实际标定并对实验数据进行了分析。信噪比-偏振角度测量精度仿真结果表明：分焦平面偏振图像传感器的信噪比越大,偏振角度测量精度越高,且入射偏振光角度也会影响测量精度。分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比参数的实际测试结果表明：标定值与指标值相差不超过0.55 dB。实验结果证明,该方法是准确有效的,能够较好地完成分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比的标定任务。     

偏振探测系统的图像配准

分振幅式偏振探测成像系统的各分光路图像之间存在位置误差,率先完成各分光路图像之间的图像配准是进行偏振探测的前提条件。针对探测过程中,目标特征不明显、图像特征难以提取、各分光路图像间灰度变化较大的问题,提出适用于分振幅式偏振探测成像系统各分光路图像的相似性度量函数,并在此基础上,完成各分光路图像间的配准工作。首先,根据图像间的位置误差会造成偏振信息图像中出现信息异常区域的原理,研究了相似性度量函数的提取算法;接着,根据探测系统的各分光路的成像特点,确定图像间的几何变换参数;以遗传算法作为参数优化搜索算法,搜索得到最优的几何变换参数,完成整个图像配准算法的设计;最后,分别利用构造图像和实际采集图像,对配准算法进行了验证,并以图像间互信息值(MI)衡量图像配准的精度。实验结果表明:配准后的构造图像的MI为2.692 5,高于特征配准方法的实现精度;实际采集图像配准后的MI达1.849 3,同样高于特征配准方法的实现精度。基本满足偏振探测系统的图像配准需求。