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基于压缩感知的菲涅尔孔径编码无透镜成像（特邀）

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光子学报 2022年第7期 267-276页

作者：吴佳琛曹良才清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室

为了降低菲涅尔孔径编码成像的传输带宽，改善小尺寸像感器拼接成像质量，提出菲涅尔孔径编码成像的压缩感知重建算法。基于压缩感知理论框架对部分采样的编码图像重建可行性进行分析，指出压缩感知重建误差随波带片常数缩小而降低。根... 详细信息

为了降低菲涅尔孔径编码成像的传输带宽，改善小尺寸像感器拼接成像质量，提出菲涅尔孔径编码成像的压缩感知重建算法。基于压缩感知理论框架对部分采样的编码图像重建可行性进行分析，指出压缩感知重建误差随波带片常数缩小而降低。根据重建图像中孪生像和原始像在梯度域稀疏性的差异，引入全变差正则化实现抑制孪生像的效果。建立压缩感知理论框架下图像重建目标函数，利用交替方向乘子法进行求解。结合编码图像的能量分布和采样模式的可实现性，测试了矩形采样和辐射线采样两种模式，对不同采样数据量下重建图像质量进行分析。结果表明，辐射线采样模式相比矩形采样模式具有更高的图像采样效率，且仅通过7.3%的实验测量数据就可以获得质量良好的图像，为多块小尺寸像感器拼接成像提供了理论基础，有利于拓展编码掩膜无透镜成像的应用领域。

关键词：无透镜成像压缩感知菲涅尔波带片编码掩膜图像重建

相位恢复算法研究及其在光学密码分析中的应用

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相位恢复算法研究及其在光学密码分析中的应用

作者：吴佳琛深圳大学

学位级别：硕士

电子信息和通信技术的飞速发展,将人类带入到全球信息化的时代。然而,信息技术的发展给人们带来方便快捷的同时,也带来了不容忽视的安全隐患问题。信息系统由于其开放性和自身的缺陷,客观上导致了信息系统在安全上的脆弱性,因此针对信... 详细信息

电子信息和通信技术的飞速发展,将人类带入到全球信息化的时代。然而,信息技术的发展给人们带来方便快捷的同时,也带来了不容忽视的安全隐患问题。信息系统由于其开放性和自身的缺陷,客观上导致了信息系统在安全上的脆弱性,因此针对信息的加密、隐藏,对于信息交互者的身份认证等技术应运而生。相对于传统信息安全技术,光学信息安全则是近年来在国际上开始起步发展的新一代信息安全技术,本论文将对光学信息安全中的重要技术手段——相位恢复算法以及光学信息安全中的光学密码分析学展开较为的深入研究。本论文首先简要介绍了光学信息安全的发展,总结了光学密码编码学和光学密码分析学领域相关研究成果。然后对光学信息安全中的基本概念及理论基础进行了必要阐述,其中包括菲涅尔衍射,透镜傅里叶变换性质以及相位恢复算法。由于相位恢复不仅是光学信息处理中的一种重要方法,更是光学密码分析学的一种重要技术手段,因此本文对相位恢复算法的机制展开了详尽的研究,提出一种混合迭代相位恢复算法。最后本文针对双随机相位编码加密系统所存在的安全隐患,提出了一种唯密文攻击方案。本文的主要工作体现在以下两点:（1）详尽的阐述了迭代相位恢复算法的数学原理,提出一种混合迭代相位恢复算法。相位恢复算法属于逆问题的一种,迭代相位恢复算法基本思想是利用最优化方法找到两个约束集的交集。因此,本文从最优化理论的角度分析了几类经典算法,并重点研究了相位恢复算法的约束条件,归纳出非零像素个数（the number of non-zero pixels,NNP）约束条件。在此基础上提出一种混合迭代相位恢复算法,该算法结合了各个算法的优势,且利用非零像素个数约束条件来恢复支撑信息,大大降低了现有算法在获取支撑上的难度。在仅已知某一稀疏相位物体的频谱面振幅的情况下,该算法可以恢复出原始物体的相位和振幅。大量仿真实验证明了该算法的可行性。（2）提出一种针对经典双随机相位编码加密系统的唯密文攻击方案,该方案只需利用截获的密文信息,并使用本文提出的混合迭代相位恢复算法,即能有效地恢复出明文以及推导出系统密钥。该方案几乎无需任何先验信息,具有较强的可操作性,相对于已有的唯密文攻击方案,所需迭代次数较少,并且恢复的明文图像与原始明文相关程度高。相关的仿真实验结果验证了该方案的有效性和可靠性。

关键词：相位恢复光学加密光学密码分析双随机相位编码唯密文攻击

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基于数字全息的血红细胞显微成像技术

物理学报 2020年第16期69卷 77-92页

作者：张益溢吴佳琛郝然金尚忠曹良才中国计量大学光学与电子科技学院杭州310018 浙江省现代计量测试技术及仪器重点实验室杭州310018 精密测试技术及仪器国家重点实验室清华大学精密仪器系北京100084

数字全息显微成像有别于传统光学显微成像,可根据重建全息图获取细胞的生物学参数与形貌信息,是一种有效的非接触无损三维成像技术.随着像感器的发展与硬件计算能力的提升,数字全息显微成像技术在活体生物细胞检测尤其在血红细胞检测领... 详细信息

数字全息显微成像有别于传统光学显微成像,可根据重建全息图获取细胞的生物学参数与形貌信息,是一种有效的非接触无损三维成像技术.随着像感器的发展与硬件计算能力的提升,数字全息显微成像技术在活体生物细胞检测尤其在血红细胞检测领域取得了显著进展和突破.本文介绍了同轴、离轴以及光镊辅助离轴的数字全息显微技术,这些技术利用瑞利索末菲反向传播算法、清晰度量化算法、分水岭分割算法、数字重聚焦方法与热涨落方法等来实现血红细胞的形变、空间分布、三维体积信息的高精度提取,有助于糖尿病、心血管疾病、帕金森氏疾病等病理研究.数字全息显微成像技术实现了传统三维显微成像技术难以达到的实时性和定量化检测,由于独有的非接触、无损性特点,在细胞成像领域应用前景广阔.

关键词：数字全息显微成像细胞成像数字重聚焦

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基于深度学习的粒子场数字全息成像研究进展

应用光学 2020年第4期41卷 662-674页

作者：吴羽峰吴佳琛郝然金尚忠曹良才中国计量大学光学与电子科技学院浙江杭州310018 浙江省现代计量测试技术及仪器重点实验室浙江杭州310018 精密测试技术及仪器国家重点实验室清华大学精密仪器系北京100084

粒子场的数字全息成像中,由一幅粒子场全息图重建出高精度的三维粒子场分布,是数字全息技术领域的经典问题之一。相比于传统反向重建算法,深度学习算法可以从单个全息图直接重建出三维粒子场来简化算法复杂度,提高计算效率和准确率。介... 详细信息

粒子场的数字全息成像中,由一幅粒子场全息图重建出高精度的三维粒子场分布,是数字全息技术领域的经典问题之一。相比于传统反向重建算法,深度学习算法可以从单个全息图直接重建出三维粒子场来简化算法复杂度,提高计算效率和准确率。介绍国内外研究团队将深度学习算法结合数字全息技术实现粒子场数字全息成像的研究进展,从不同粒子表征方法入手,叙述了支持向量机、全连接神经网络、全卷积网络、U-Net网络、深度神经网络在粒子场数字全息成像中粒子表征及粒子场反向重建过程中的应用原理、实现途径和准确率。最后指出了深度学习算法在这一研究领域的优势及目前基于深度学习算法的不足,并对如何进一步提高该方法的准确率进行了展望。

关键词：粒子场数字全息深度学习神经网络

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彩色三维扫描中纹理重建技术研究进展

激光与光电子学进展 2018年第11期55卷 44-58页

作者：吴佳琛曹良才陈海龙彭翔金国藩清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084 深圳大学光电工程学院教育部广东省光电子器件与系统重点实验室广东深圳518060

基于光学原理的三维扫描技术通过光学系统对物体空间外形进行扫描,获取物体的三维信息,具有非接触性、高精度和高分辨率等优点。目前,工作距在1m内的结构光三维扫描重建精度可达0.01mm量级,点云数量可达百万量级。而采用纹理重建技术能... 详细信息

基于光学原理的三维扫描技术通过光学系统对物体空间外形进行扫描,获取物体的三维信息,具有非接触性、高精度和高分辨率等优点。目前,工作距在1m内的结构光三维扫描重建精度可达0.01mm量级,点云数量可达百万量级。而采用纹理重建技术能进一步呈现扫描物体的色彩、材质等信息,提高了重建物体的真实感。由于相机误差和光照环境等因素影响,在纹理映射后纹理图像中容易产生接缝、模糊和重影等现象。通过建立相机模型,推导三维空间点和二维图像间的映射关系,归纳造成纹理残留处理痕迹的原因;分类介绍不同策略下消除纹理重建中残留处理痕迹的方法,总结其研究成果在纹理重建中的作用;针对纹理重建中尚存在的不足,对彩色三维扫描的纹理重建方法的发展方向进行了展望。

关键词：三维传感纹理重建马尔可夫随机场复合权重纹理融合色彩校正

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简单光学成像技术及其研究进展

物理学报 2023年第8期72卷 21-46页

作者：刘有海秦天翔王英策亢兴旺刘君吴佳琛曹良才清华大学精密仪器系北京100084

计算成像为光学成像系统提供了更强大的信息获取能力,通过在成像链路中引入编解码过程,在增大信息量的同时降低系统的复杂度,为实现更简单和更智能的成像系统奠定了基础.本文总结了以计算成像为基础的简单光学成像技术的发展.简单光学... 详细信息

计算成像为光学成像系统提供了更强大的信息获取能力,通过在成像链路中引入编解码过程,在增大信息量的同时降低系统的复杂度,为实现更简单和更智能的成像系统奠定了基础.本文总结了以计算成像为基础的简单光学成像技术的发展.简单光学以小型化和集成化的成像元件与系统为目标,将光学系统设计与图像处理算法进行联合优化,在小尺寸、低质量和低功耗的系统中实现与复杂光学系统相媲美的成像效果.随着微纳加工技术的发展,简单光学元件从单透镜或少片透镜逐渐发展到衍射光学元件、二元光学元件和超构表面等平板光学元件.复原算法中总结了正向求解算法、基于模型的优化迭代算法和深度学习人工智能算法.本文介绍了深度成像、高分辨与超分辨成像、大视场和大景深成像等技术,以及简单光学在消费电子、自动驾驶、机器视觉、安防监控和元宇宙等领域发挥的作用,并对未来的发展进行展望.

关键词：简单光学计算成像无透镜超构透镜

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基于深度学习的计算全息显示进展

液晶与显示 2023年第6期38卷 819-828,I0002页

作者：刘珂瑄吴佳琛何泽浩曹良才清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

计算全息作为一种三维显示手段,能够基于衍射计算实现对目标光场的精确重建,在元宇宙通讯、AR/VR头戴显示、车载抬头显示等方向均有着重要的应用。如何实现高速且高质量的相位全息图生成是计算全息领域发展的关键问题,也是当前该方向的... 详细信息

计算全息作为一种三维显示手段,能够基于衍射计算实现对目标光场的精确重建,在元宇宙通讯、AR/VR头戴显示、车载抬头显示等方向均有着重要的应用。如何实现高速且高质量的相位全息图生成是计算全息领域发展的关键问题,也是当前该方向的重要研究课题。近年来,深度学习技术的飞跃式发展为上述问题的解决提供了一条新的技术路径。本文介绍了计算全息技术的基本原理及算法分类,综述了近年来所提出的基于深度学习的计算全息解决方案,比较了各类方案的优势与不足,展望了深度学习技术在计算全息领域的发展与挑战。

关键词：计算全息深度学习三维显示卷积神经网络液晶空间光调制器

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相位恢复波前重构技术的发展与应用(特邀)

激光与光电子学进展 2024年第2期61卷 1-17页

作者：魏金文李儒佳吴佳琛张启航高云晖曹良才清华大学精密仪器系北京100084

光波复振幅中相位信息的恢复是科学与工程领域的重要研究热点之一。相位携带了光传播中的重要信息,对成像与智能感知技术的发展有着重要的意义。相位恢复波前重构技术通过优化算法和设计特定成像装置,从光电探测器采集的强度信息中恢复... 详细信息

光波复振幅中相位信息的恢复是科学与工程领域的重要研究热点之一。相位携带了光传播中的重要信息,对成像与智能感知技术的发展有着重要的意义。相位恢复波前重构技术通过优化算法和设计特定成像装置,从光电探测器采集的强度信息中恢复出难以被直接感知的相位信息,是探测微观和宏观世界的重要技术手段之一,已广泛应用于生物显微、工业检测和天文观测等领域。概述基于干涉和非干涉的波前重构技术及其应用,梳理相位恢复波前重构算法的基本原理和发展历程,对常见相位恢复技术手段如交替投影相位恢复算法、基于调制约束和基于深度学习的相位恢复波前重构技术等进行初步的探讨。针对相位恢复波前重构技术的未来发展提出若干可能的研究方向,包括相位恢复算法的进一步优化、新型系统和器件的开发等。

关键词：相位恢复波前重构计算成像深度学习

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自行车＋公交车融入江阴人生活 009