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偏振成像技术在散射介质成像中的应用

偏振成像技术在散射介质成像中的应用

作者：延翊铭华中科技大学

学位级别：硕士

对散射介质中的目标成像是当前图像处理技术领域的重要研究课题。它在水下探测,复杂环境军事侦察,雾天智能驾驶等领域都是亟待解决的重要问题。散射介质成像主要指在浑浊的水,雾霾,大气等复杂环境中的成像技术。当目标反射的信号光穿过... 详细信息

对散射介质中的目标成像是当前图像处理技术领域的重要研究课题。它在水下探测,复杂环境军事侦察,雾天智能驾驶等领域都是亟待解决的重要问题。散射介质成像主要指在浑浊的水,雾霾,大气等复杂环境中的成像技术。当目标反射的信号光穿过该类散射介质时,会发生散射和吸收效应,信号强度变低,并且会产生前向散射噪声和后向散射噪声。最终我们所接收到的图像就是一个模糊化的,低信噪比,低对比度的不清晰图像。使用传统的光学成像技术往往得不到我们需要的效果,因此研究如何在散射介质环境中高质量成像是一门极具研究价值的课题。本文的研究的重点内容在于研究偏振成像技术在散射介质中的应用。介绍了偏振成像的基本原理以及相关概念,四种偏振成像系统以及多种偏振图像处理技术,并详细分析了他们的优缺点以及适用的场景,以浑浊的水溶液为散射介质,给出了偏振图像处理的结果。本论文的核心内容是,基于传统的偏振成像技术,提出了一种新型的偏振图像表示方法:偏振余弦表征及偏振余弦表征矢量表示法。这一方法可以极大的简化偏振成像过程中的成像过程以及图像处理过程,并且可以有效降低产生实验误差的概率。本文在第三章详细介绍了该方法的基本原理,使用方法以及利用这种方法快速且便捷的获取目标场景全偏振信息的计算方法。基于这种表示方法,对传统的偏振成像处理方法进行了改进,极大地简化了偏振成像过程的计算。在第四章中我们使用实验数据对这一方法进行了论证,验证了这一方法的正确性。在工程研究中,使用斯托克斯矢量描述偏振光的偏振特性存在一下几点问题:对于光的偏振特性描述不够直观,偏振图像处理复杂,无法确定和解决获取偏振图像时产生的误差。本文通过构建偏振光的数学模型,直观描述了偏振光的偏振特性,简化了偏振图像处理过程,并且利用最小二乘法计算余弦偏振表征参数,有效减小了偏振成像过程中产生的误差对结果的影响,弥补了斯托克斯矢量表示法存在的问题。

关键词：散射介质成像偏振成像技术偏振余弦表征法

基于统计平均和傅里叶变换的散射介质成像技术研究

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基于统计平均和傅里叶变换的散射介质成像技术研究

作者：张辉中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

光是人们观察和获取物体图像信息的重要载体,是感知环境的重要途径。当成像光路为理想条件时,光线在自由空间通常沿直线传输,物与像之间满足一种直接的映射关系,但在自然环境中,观察者与被观测物体之间时常存在一些障碍物。例如,当成像... 详细信息

光是人们观察和获取物体图像信息的重要载体,是感知环境的重要途径。当成像光路为理想条件时,光线在自由空间通常沿直线传输,物与像之间满足一种直接的映射关系,但在自然环境中,观察者与被观测物体之间时常存在一些障碍物。例如,当成像光路中存在微粒或雾霾等散射介质时,发生光的散射,入射光波前遭到破坏,从而导致光电成像系统在该条件下无法正常成像。为了解决散射介质存在时,无法对观测物体清晰成像的问题,许多透过散射介质成像方法应运而生。本文主要是利用统计平均和傅里叶变换方法透过散射介质成像,通过旋转散射介质执行散斑平均操作;改变相机的曝光时间,以散斑场的时间平均值代替集合平均值,从而消除散射介质引入的随机相位,并通过物光与参考光干涉的方式记录下物体信息,只需对干涉散斑图进行傅里叶变换即可恢复出目标物体信息。该方法光路结构简单紧凑、重建速度快、成本低,且无需相位校正、获取先验知识和复杂的图像处理。采用单散射介质旋转搭建基于统计平均和傅里叶变换方法散射介质成像系统,研究了毛玻璃旋转速度以及CCD曝光时间对重建图像峰值信噪比的影响。实验结果表明,在旋转速度为1.5 rpm,曝光时间为800 ms时,成像系统可分辨出分辨率板的第4组第3个元素。但是,在实际成像场景中很少具有旋转的散射介质,为此,采用动静结合的双散射介质成像,从而拓展该方法的应用场合,结果表明,虽然相较于透过单旋转散射介质的成像质量有所下降,但该方法仍能对目标物体清晰成像。随后,研究了平均散斑尺寸对重建图像质量的影响,结果表明,在现有实验条件下,平均散斑尺寸越大,重建图像质量越高。当平均散斑尺寸为368μm时,重建图像的结构相似度为0.3124。最后,通过高通滤波滤除了重建图像的中央亮斑,重建图像对比度得到有效提高。虽然在实验光路中需要利用参考光辅助成像,但重建速度快且简单的优点使得该方法能够进行实时成像,为透过散射介质成像提供了新的思路。

关键词：散射介质成像统计平均傅里叶变换毛玻璃峰值信噪比

部分散射散斑场的生成及透过散射介质成像的研究

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部分散射散斑场的生成及透过散射介质成像的研究

作者：朋兴磊山东大学

学位级别：硕士

自20世纪60年代初期激光器问世以来,光学中的散斑现象就引起了人们的关注。人们发现当激光照射在光滑的墙面或者纸张上时,会观察到呈颗粒状分布的散斑图像。墙面和纸张在宏观尺度上来说是光滑的,但是在微观尺度下这些物体表面是完全粗糙... 详细信息

自20世纪60年代初期激光器问世以来,光学中的散斑现象就引起了人们的关注。人们发现当激光照射在光滑的墙面或者纸张上时,会观察到呈颗粒状分布的散斑图像。墙面和纸张在宏观尺度上来说是光滑的,但是在微观尺度下这些物体表面是完全粗糙的,反射面由无数个不同方向得微小反射基元组成。当相干性较好的光束照射在这些粗糙的表面上时,相当于对入射光场进行了随机的相位调制和方向调制,出射光由于相干叠加作用便会出现随机散斑现象。根据中心极限定理可以推算出随机散斑场振幅在统计上服从瑞利统计分布,强度则服从负指数分布。近年来非瑞利统计分布散斑场逐渐引起人们的关注,在动态散斑照明显微成像,光学超分辨率成像,基于赝热光源的高阶关联成像等领域,非瑞利统计分布散斑场均发挥了重要作用。另外,除了对于散斑场物理性质的研究,人们还对于激光透过散射介质这一过程进行了深入研究,例如激光透过散射介质聚焦,穿透散射介质成像等。本文对以下两个方面进行了相关研究,第一个是利用数字微镜阵列（digital micromirror device,DMD）实现非瑞利统计分布散斑场的调制,第二个是研究深度学习在穿透散射介质成像中的应用。本论文的第一个主要工作是利用DMD实现非瑞利统计分布散斑场的生成,并对非瑞利统计分布散斑场的相关性质进行了深入研究和分析。与液晶空间光调制器相比,DMD的最突出优点在于超快的刷新频率。普通液晶空间光调制器件的刷新频率一般在几十到几百赫兹之间,而DMD的刷新频率则可以达到几万赫兹,我们实验中所用DMD的刷新频率可达到22.7kHz。利用DMD实现非瑞利统计分布散斑场的生成,可以大大提高基于非瑞利统计分布散斑场的相关应用的效率,并且拓展其在更多领域的应用。本论文采用基于超像素的方法,通过离轴的4f系统和空间滤波,实现通过使用DMD对复光场进行调制的功能。最终利用DMD生成强度服从特定统计分布的非瑞利统计分布散斑场,实现通过DMD定制散斑的统计分布,并对实验生成散斑场的相关性质进行了研究。本论文的第二个主要工作是将深度学习应用到穿透散射介质成像中。穿透散射介质成像技术特别是在生物医学成像领域发挥着非常重要的作用,传统穿透散射介质成像的方法有很多,例如基于波前校正技术的穿透散射介质成像和基于角记忆效应的穿透散射介质成像等。为了探究新型穿透散射介质成像技术,本论文就深度学习在穿透散射介质成像领域的应用进行了相关研究。通过将手写数字识别库中的图片加载到DMD上作为成像物体,扩束准直后的激光光束照射在物体上,反射光束透过散射介质（毛玻璃）和成像光路后被相机采集。相机采集到的是物体透过散射介质后的散斑图像,无法直接从散斑图像中得出物体的任何空间信息。采用U-NET型全卷积神经网络,通过大量数据的训练,最终实现基于深度学习的穿透散射介质成像功能。

关键词：非瑞利统计分布散斑场主动光场调控深度学习散射介质成像

基于压缩感知和散斑相关法的散射介质成像方法研究

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激光生物学报 2019年第1期28卷 64-71页

作者：董昕陈思佳李军华南师范大学物理与电信工程学院广东广州510006

散射介质成像是生物医学成像领域的一个重要研究方向,对生物医学临床的诊断有着重大的意义。结合散斑相关法和压缩感知技术,提出了一种散射介质成像方法。该方法与传统散射介质成像方法相比,将减少图像采集、图像重建所记录的数据量,提... 详细信息

散射介质成像是生物医学成像领域的一个重要研究方向,对生物医学临床的诊断有着重大的意义。结合散斑相关法和压缩感知技术,提出了一种散射介质成像方法。该方法与传统散射介质成像方法相比,将减少图像采集、图像重建所记录的数据量,提高图像处理的效率,并且降低了系统的搭建成本。试验结果表明,结合TVAL3信号重构算法和双谱分析法的散射图像重建算法,随着采样率的增大,峰值信噪比平稳上升,为散射介质成像方法在生物医学成像领域的运用提供了一种有效方案。

关键词：压缩感知散射介质成像散斑相关法相位恢复算法

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散射介质光学系统成像性质研究

激光与光电子学进展 2024年

作者：郭振翔沙刘鲍海宇孙文卿吴泉英江苏省微纳热流技术与能源应用重点实验室苏州科技大学物理科学与技术学院

由于散射现象的存在，传统的光学系统无法直接对随机介质后的目标物进行观测，只能采集到散斑图像，而从中恢复目标的质量不仅与算法参数，还受到散射距离以及光学成像系统的制约。为提高散斑图像恢复质量，本文研究了焦距、物距和图像... 详细信息

由于散射现象的存在，传统的光学系统无法直接对随机介质后的目标物进行观测，只能采集到散斑图像，而从中恢复目标的质量不仅与算法参数，还受到散射距离以及光学成像系统的制约。为提高散斑图像恢复质量，本文研究了焦距、物距和图像恢复质量之间的关系，提出了最佳成像参数模型，通过改变镜头焦距，调节相机获得的目标频谱信息，采集清晰的散斑图，再根据散斑相关原理与相位恢复算法，实现物体通过散射介质后的散斑图像恢复。仿真及实验结果表明，当散射距离为0.5m，焦距调节范围从18到55mm，随着焦距逐渐增大，镜头的有效孔径变大，物体频谱信息保留得更完整，目标物结构相似度由0.3824上升至0.7829，恢复效果更好。虽然通过调整算法参数来优化短焦距镜头采集的散斑重建质量，但当焦距为45mm时，结构相似度由0.6341上升至0.7626，仍未能实现更理想的恢复效果。随着散射距离增加，图像重建效果迅速下降，更长焦距的镜头才能实现散射介质成像。

关键词：散射介质成像散斑自相关相位恢复算法镜头焦距

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偏振视觉

中国科学：信息科学 2024年第7期54卷 1620-1645页

作者：赵永强乔新博李宁潘泉西北工业大学自动化学院西安710072 清华大学自动化系北京100084

传统视觉技术已经广泛应用于生产生活中的各类领域,然而在面对复杂环境以及非合作目标时,获得的信息量有限使传统视觉技术无法有效地检测、识别目标.作为与光强、波长、相位并列的光的基本物理特性,偏振能够反映发射或反射光的振动特性... 详细信息

传统视觉技术已经广泛应用于生产生活中的各类领域,然而在面对复杂环境以及非合作目标时,获得的信息量有限使传统视觉技术无法有效地检测、识别目标.作为与光强、波长、相位并列的光的基本物理特性,偏振能够反映发射或反射光的振动特性,表征物体的多种信息,因此偏振信息能有效区分目标与背景,并在恶劣环境中维持信息有效性.利用偏振信息的这种特性,人们将光的偏振信息引入视觉系统,得到了一种解决复杂场景成像问题的方案,即偏振视觉.偏振视觉最早在部分生物上发现,对偏振视觉的进一步研究使人们发现偏振视觉相较于传统视觉在复杂场景下的成像优势.本文以偏振视觉的发展为主线整理了偏振视觉技术的诞生、成像设备的发展与该技术在各领域的应用,并展望了偏振视觉及其相关技术的未来发展方向.

关键词：偏振视觉偏振信息偏振成像设备散射介质成像目标检测反射光去除三维重构

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基于统计平均方法实现透过散射介质全息成像

光子学报 2022年第6期51卷 307-314页

作者：张辉张在坤孔德鹏贺正权中国科学院西安光学精密机械研究所西安710119 中国科学院大学北京100049

为了透过散射介质恢复隐藏环境中物体的信息,搭建双光束干涉全息成像系统,通过旋转毛玻璃实现散斑平均,在相机获得干涉散斑图像后,只需要对其进行傅里叶变换即可对隐藏在散射介质后的物体进行信息重建。通过引入第二个静置的散射介质扩... 详细信息

为了透过散射介质恢复隐藏环境中物体的信息,搭建双光束干涉全息成像系统,通过旋转毛玻璃实现散斑平均,在相机获得干涉散斑图像后,只需要对其进行傅里叶变换即可对隐藏在散射介质后的物体进行信息重建。通过引入第二个静置的散射介质扩展了该方法的应用场景。实验结果表明,毛玻璃旋转速度越快,达到最高峰值信噪比所需要的相机曝光时间越短。该方法利用统计平均和无透镜傅里叶变换数字全息,结构简单、重建速度快,且不需要相位校正和复杂的图像处理、目标扫描、波前整形等。

关键词：散射介质成像数字全息统计平均毛玻璃峰值信噪比

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不同路径下散射介质对计算关联成像的影响

光学学报 2016年第10期36卷 437-445页

作者：刘保磊杨照华曲少凡张艾昕吴令安北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室北京100190

物体和探测器中间存在的散射介质会对传统光学成像造成严重影响,计算关联成像是能够降低散射影响的有效方法之一。本文分析了光源发射路径和接收路径存在的散射介质,建立了存在散射介质的计算关联成像(CGI)模型,对比分析了不同路径段的... 详细信息

物体和探测器中间存在的散射介质会对传统光学成像造成严重影响,计算关联成像是能够降低散射影响的有效方法之一。本文分析了光源发射路径和接收路径存在的散射介质,建立了存在散射介质的计算关联成像(CGI)模型,对比分析了不同路径段的散射介质对CGI和传统直接成像(TDI)的影响。从理论分析得出,CGI中发射路径的散射介质会引起重建图像质量的衰减,而接收路径中的散射介质几乎不会影响最终的成像结果。实验分析证实,CGI可以降低散射光对成像造成的干扰。实验结果表明,在发射路径和接收路径同时存在散射干扰时,CGI和TDI的衬噪比分别为2.98和2.72。CGI能够降低云、烟、雾或生物组织等介质的散射干扰。

关键词：成像系统散射介质成像计算关联成像空间光调制器

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散斑相关成像:从点扩展函数到光场全要素

光学学报 2020年第1期40卷 65-76页

作者：谢向生刘忆琨梁浩文周建英中山大学物理学院广东广州510275 汕头大学理学院物理系广东汕头515063

散射光学成像恢复是光学成像领域最重要的研究课题之一。科学家已经提出各种技术实现不同散射环境下的成像恢复。其中,散斑相关性的解卷积技术具有成像质量高、恢复速度快和易于集成等优点。简要综述了散斑相关成像的进展,从光学记忆效... 详细信息

散射光学成像恢复是光学成像领域最重要的研究课题之一。科学家已经提出各种技术实现不同散射环境下的成像恢复。其中,散斑相关性的解卷积技术具有成像质量高、恢复速度快和易于集成等优点。简要综述了散斑相关成像的进展,从光学记忆效应和解卷积原理出发,介绍点扩展函数新物理特性及其在成像恢复中的应用,总结点扩展函数的间接获取方法,最后提出光场全要素(plenoptics)的概念。光场的全要素探索有望在更复杂散射环境中提供更全面的信息,使散射光学成像技术在生物、医疗、海洋、军事和日常生活等场景中更具应用前景。

关键词：成像系统散斑相关成像散射介质成像散射