基于压缩感知的单击序列成像方法及其应用研究

作     者：马艳玲 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：岳庆炀

授予年度：2024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：全息成像 压缩感知 单击序列成像 双折射测量 超快成像 

摘      要：高速动态成像在物理学、生物学、化学、材料学等多个领域对宏观或微观高速过程的研究具有深远的学术价值和广泛的应用前景,单击序列成像以单击测量不可重复的高速、超高速、超快事件的优势成为高速动态成像中的佼佼者。单击序列成像在相机一次曝光时间内能够捕获多帧高速过程的图像,在成像高速、超高速乃至超快现象时,巨大的数据处理量往往限制了成像时间分辨率的进一步提升。压缩感知理论的提出为这一问题的解决提供了可能,其突破了奈奎斯特采样率的限定,实现了“在采样中压缩,用最少的测量次数采样信号,直接进行信号的压缩表示,这极大的降低了传感器处理数据的负担。本论文重点研究高速和超快单击序列成像方法以及其在偏振测量和全息成像上应用,特别是基于压缩感知的单击高速偏振成像方法和超快全息成像方法,论文的主要研究内容如下: 1.对高速动态成像的产生和发展进行了简单的回溯;介绍了现有高速相机的主要类型以及使用普通相机成像高速场景的主要方法,同时也对偏振成像在(超)高速成像领域中应用和复用全息在超快成像中的应用进行了介绍。 2.归纳总结了压缩感知的相关理论,首先阐述了压缩信号重构的先验条件;其次介绍了重构算法中的数学概念,详细推导了两步迭代收缩/阈值(Tw IST)算法的迭代公式。 3.提出了一种基于压缩感知的单击压缩偏振成像方法,通过数字高速调制设备以一个比图像传感器采样率更高的速度调制光场,然后利用压缩感知重构算法从单帧偏振测量中重构出14帧强度和双折射图像,成功实现了高速各向异性材料的双折射测量。通过深入的理论分析、数值模拟以及实验验证了所提方法的可行性和有效性,为高速各向异性材料的双折射定量测量提供了一种全新的方法。 4.提出了一种基于压缩感知的单击超快压缩全息成像方法,该方法实现了单次记录超快现象的多帧强度和相位图像,成像速度高达1310 fps,从单帧全息图测量中可重构得到20帧强度和相位图像。我们通过理论分析和数值模拟验证了该方法切实可行,为单击超快全息成像技术提供了一种有效的手段。