激光非视域成像系统仿真与重建算法研究

作     者：吴振东 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：郝伟

授予年度：2022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] 0803[工学-光学工程] 

主      题：非视域成像 计算成像 图像去噪 目标重建 

摘      要：非视域成像技术是一项突破传统成像范围极限、实现对隐藏目标成像的技术。通过这项技术，可以在医学成像、自动驾驶和机器人视觉等诸多场景中取得突破。通过测量发射的光子信号经中介面-隐藏目标-中介面三次漫反射后的回波光子和对应的飞行时间，可以收集获得隐藏目标的二维或三维信息，以重建隐藏场景。 在实现非视域成像的过程中存在许多挑战。首先，非视域成像过程中由于经历多次漫反射，损失了大量信号，因此对获取数据的精度要求较高，而整体系统模型构建复杂，准确分析各种参数对数据获取和重建结果的影响，对于尽可能塑造一个理想的成像条件环境具有显著帮助。其次，由于光传输过程中的距离导致的高阶损失和环境噪声，非视域成像是一个低信噪比问题，使得高质量的重建极其困难。如何有效滤除噪声，降低不可避免的环境噪声对成像结果的影响，具有十分显著的现实意义。本文围绕激光非视域成像系统仿真与重建算法研究展开研究，取得的主要研究成果如下: (1)针对非视域成像过程模型构建复杂的问题，本文基于三次漫反射衰减模型搭建了光子计数激光非视域成像系统仿真平台，实现对非视域成像全场景仿真。仿真实验表明，扫描分辨率、中介面粗糙度系数和噪声辐射照度等各类参数的变动，均对获取回波光子与重建隐藏目标具有十分显著的影响。 (2)针对非视域成像过程中信噪比低的问题，本文通过调整仿真平台中噪声辐射照度值，从而仿真建模不同的噪声环境。使用了CEEMDAN-ICA组合方法进行去噪，并与其他几种传统去噪算法进行比较，仿真实验表明，本文所用的CEEMDAN-ICA组合方法去噪能力优于其他几种算法。 (3)针对主流非视域成像算法基于隐藏目标的反照率信息进行重建、对于边缘和细节处理能力较弱的问题，本文根据这一问题使用了基于表面法向量的改进光锥变换算法，该算法通过将表面法向量与反照率进行结合，从而实现了同时对隐藏目标的表面法向量信息与反照率信息重建。该算法与仅能估计出隐藏目标反照率信息的非视域算法具有相同的计算复杂度，但提升了细节和边缘处理能力，相较于能重建出隐藏目标表面轮廓的算法又大大降低了运算时间。