基于多帧图像重建的数字全息超分辨技术研究

作     者：冯丹青 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田爱玲

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：数字全息 显微测量 图像重建 三维重建 超分辨 

摘      要：工业领域逐步向微型化发展的趋势,使得微光学元件得到了广泛应用。数字全息作为一种重要的光学检测手段,具有无损、快速、非侵入等特点,但对微光学元件进行参数检测时,仍存在成像分辨率低、像质不理想等问题。因此,如何有效提高数字全息成像系统的分辨率,实现对微光学元件的精确测量成为了当前研究的热点。本文针对数字全息的超分辨成像问题,开展基于多帧图像重建的数字全息超分辨技术研究。其主要内容包括以下几点:首先,对数字全息超分辨的理论基础进行研究,基本原理包括数字全息的记录和再现,全息图的相位重建以及多帧图像超分辨重建算法。并介绍了三种图像质量评价指标,为之后的仿真分析和实验研究提供了理论基础。其次,对数字全息显微超分辨实验系统进行设计和搭建,实验系统设计包括数字全息干涉光路以及图像超分辨重建系统。根据系统要求选择合适的实验器件,完成系统的搭建,并采集得到具有亚像素位移的全息图序列。最后,对全息图的重建展开研究。在再现算法的实验研究中,将实验得到的结果与白光干涉仪测量的数据进行残差估计,实验结果显示角谱法具有更好的灵活性和更高的重建精度,直径残差和高度残差分别为0.65μm和0.08μm。在多帧图像超分辨重建算法在数字全息中的适用性研究中,利用cameraman图像和USAF1951分辨率板图像进行仿真,仿真结果显示,分辨率从6.20μm提升至4.92μm。并通过USAF1951分辨率板和微透镜阵列的全息图分别从二维和三维重建的角度,验证了非均匀插值法、凸集投影法、最大后验概率法三种超分辨重建算法在全息图重建中的有效性。实验结果显示,将参考全息图的三维重建结果,分别与实验采集全息图和超分辨重建全息图的三维重建结果进行残差估计,得到其各自的残差值。经计算,后者残差的PV和RMS值与前者相比在不同程度上都有所减小,其中基于凸集投影法得到的全息图,其三维再现精度最高,PV和RMS值分别降低了60.74%和43.03%。说明重建得到的超分辨率全息图的三维再现结果更接近于参考值,证明该方法能够提高全息图的图像分辨率,并且有效提升数字全息的测量精度。