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基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点双光子显微成像技术研究

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基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点双光子显微成像技术研究

作者：任苏霞深圳大学

学位级别：硕士

多焦点双光子激光扫描显微术(multifocal two photon laser scanning microscopy,MTPLSM)采用多焦点并行激发的方式,大大提升了传统双光子荧光扫描显微技术的成像速度,并且还具有较大成像深度、低活体样本损伤、高空间分辨率、以及高信... 详细信息

多焦点双光子激光扫描显微术(multifocal two photon laser scanning microscopy,MTPLSM)采用多焦点并行激发的方式,大大提升了传统双光子荧光扫描显微技术的成像速度,并且还具有较大成像深度、低活体样本损伤、高空间分辨率、以及高信噪比等优点,广泛应用于活细胞及组织成像。但由于在三维成像时,MTPLSM技术仍需进行大量的轴向扫描来获取光切片图像序列,限制了其三维成像速度。为了进一步提高MTPLSM的三维成像速度,本文提出了一种基于双螺旋点扩散函数工程的MTPLSM(MTPLSM based on double-helix point spread function engineering,DH-MTPLSM),搭建了相关系统并进行了三维成像重构实验。本论文的主要研究工作如下:(1)调研了激光扫描共聚焦显微技术、多焦点双光子激光显微成像技术以及提高其成像速度的方法;阐述了DH-PSF工程和数字重聚焦技术的基本原理,在此基础上提出了DH-MTPLSM成像方法和系统。(2)研究了多焦点阵相位图的设计方法;提出利用改进的加权相位恢复算法设计DH-MTPLSM中生成三维多焦点阵的相位片方法,提高了光能利用率和点阵强度的均匀性;研究利用高速相位型空间光调制器(spatial light modulator,SLM)实现三维多焦点阵的产生和数字扫描的方法。(3)基于高速SLM和加工的DH-PSF相位片,搭建了DH-MTPLSM成像系统,编写了扫描控制程序,开展了对荧光珠、伊红溶液、老鼠肾细胞切片、铃兰根茎的成像实验;采集数据后,利用MATLAB编写了相应的基于DH-PSF模型的数字重聚焦图像重构程序,实现了快速三维高分辨层析成像,验证了该系统优异的成像能力,对于DH-MTPLSM的发展具有重要的意义。

关键词：多焦点双光子激光扫描显微双螺旋点扩散函数数字重聚焦空间光调制器

基于光场分层成像的火焰三维温度场测量方法研究

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基于光场分层成像的火焰三维温度场测量方法研究

作者：赵文超东南大学

学位级别：硕士

燃烧是燃料和氧化剂发生的伴随发光、发热现象的剧烈氧化还原反应。燃烧现象广泛存在于冶金、航空航天、火电站、汽轮机等工业过程中。火焰是燃烧现象的可见形态,而火焰温度测量是燃烧诊断领域的一个重要研究方向。为了进一步揭示火焰... 详细信息

燃烧是燃料和氧化剂发生的伴随发光、发热现象的剧烈氧化还原反应。燃烧现象广泛存在于冶金、航空航天、火电站、汽轮机等工业过程中。火焰是燃烧现象的可见形态,而火焰温度测量是燃烧诊断领域的一个重要研究方向。为了进一步揭示火焰燃烧本质以及研究燃烧规律,火焰温度场的测量越来越受到科研人员的关注。现存的三维火焰温度测量方法存在系统复杂、实时性差、操作繁复等问题。针对这些不足,本文提出一种结合了光场成像技术与分层成像技术的火焰三维温度场测量方法,并对此方法开展了系统的理论与实验研究。本文首先对光场成像技术的基础理论与方法进行了研究。基于光场成像技术,对光场相机的成像原理和内部机构以及重聚焦算法进行了探究。介绍了光学分层成像法的基本原理和概念,并将光场重聚焦与光学分层成像法相结合,提出了可以实现在单次曝光下瞬态分层成像的光场分层成像技术。对光场成像和重聚焦计算过程进行了数值模拟,用分层成像理论结合Van Citter迭代法对不同分层的原始光强分布进行了重建,重建结果证明了基于光场数字重聚焦的分层成像法的可行性。其次,搭建了光场分层成像的标定系统,并对标定方法及过程进行了研究。为了确保光场相机的重聚焦深度与实际的景深中火焰断层的位置一一对应,利用清晰度函数对景深和重聚焦参数关系进行了标定。在确定了火焰断层位置后,基于刃边法的点扩散函数模型,标定获得了不同断层面的点扩散函数。之后,提出了一种基于Hough变换的微透镜几何参数的标定方法,并在此基础上,求取了图像上R、G、B灰度值与辐射强度的拟合关系。最后,搭建了光场分层成像的火焰三维温度场测量系统,并开发了温度场测量应用软件。开展了蜡烛火焰实验,对测量方法进行了评估。把蜡烛火焰分成四个断层,并对四个断层的原始光强分布与温度场进行重建。重建的火焰外形符合真实蜡烛火焰分层外形的结构特点,重建的温度值与热电偶测量数据具有较好的一致性,误差较小。重建结果证明了基于光场分层成像的火焰三维温度场测量方法的正确性和可行性。最后,开展了对二维可视化循环流化床上的生物质单颗粒火焰的三维温度场的重建研究,对不同时刻的温度场进行了跟踪重建与分析。重建结果表明此方法可以用于实际工业火焰的测量领域。

关键词：光场成像技术数字重聚焦图像处理分层成像法火焰温度测量三维重建

基于焦距堆栈和改进EPI-Net网络的光场深度估计

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基于焦距堆栈和改进EPI-Net网络的光场深度估计

作者： OMAIR BILAL 湖南大学

学位级别：硕士

光场成像是一种获取更高维视觉信息的新兴技术。传统成像技术捕获场景光线的二维投影并复用角度域,而光场成像捕获了单个场景点不同角度方向的亮度信息,从而实现传统成像技术中丢失的角度信息的多路复用。使用这种视觉数据高维表示方式... 详细信息

光场成像是一种获取更高维视觉信息的新兴技术。传统成像技术捕获场景光线的二维投影并复用角度域,而光场成像捕获了单个场景点不同角度方向的亮度信息,从而实现传统成像技术中丢失的角度信息的多路复用。使用这种视觉数据高维表示方式提高传统成像计算机视觉任务的性能,例如深度估计、图像后处理、捕获后重聚焦、全焦图像获取以及物体分割与分类等。光场相机可以捕获空间中光线的空间和角度特征。根据这些特征可以推断出任意光照环境中光场的深度信息,这也是主动测距传感设备的一个巨大的优势。然而,手持式光场相机拍摄的光场图像包含噪声,并且基线非常窄,这使得深度估计成为了一项具有挑战性的任务。研究者们已经提出了不同的算法来减少这些限制,但这些方法往往需要权衡算法的速度和精度。本文研究了基于光场焦距堆栈的深度估计技术。另外,我们提出了一种基于全卷积神经网络(Fully Convolutional Neural Network)的快速精确的光场深度估计算法。在HCI 4D光场基准测试中,我们在大多数指标上都取得了良好的表现,本文具体的研究工作和创新点如下:(1)我们提出了一种基于焦距堆栈的光场图像深度估计方法。首先对光场原始图像进行解码与提取,然后创建焦距堆栈进行光场数字重聚焦,最后得到光场图像的最终深度图。本文研究使用解码和重采样方法对光场图像进行重聚焦。标准全光相机(SPC)在传统相机的传感器前面放置了一组微透镜来对光场进行采样。本文给出了标准全光相机(SPC)的重聚焦距离z与重聚焦参数ρ的函数关系的闭式模型。该模型建立在对相机成像过程进行一阶光学分析的基础上,通过这种方法可以得到了光场图像的数字重聚焦和深度图。传统算法在对图像进行重聚焦评价时,存在多个坐标基变换和投影积分运算,严重影响了重聚焦图像的计算速度,进而会影响最终深度图的获取速度。实验结果表明,使用解码和重采样方法可以显着减少重新聚焦光场图像的时间,而不会显着降低获取的深度图的质量。(2)其次,我们使用改进的EPI-Net网络来估计光场图像的深度。在传统的EPI-Net网络对光场图像进行深度估计时,用于获取高级特征的卷积块存在速度慢、输入参数多、可应用特征不足以及深度图质量和分辨率低等问题。因此,本文提出了一种基于改进的EPI网络的光场图像深度估计方法,该方法将初始低层次特征合并后使用稠密块(Dense-Blocks)获得高层次特征,从而在减少参数数量的同时充分利用特征,最终提高深度图的质量。实验结果验证了该网络的可行性和有效性。与传统的EPI-Net网络相比,改进的EPI-Net网络获得的光场图像深度图在视觉上具有更丰富的纹理特征。最终深度图的均方误差(MSE)和坏点率(BP)与旋转平行四边形算子(SPO)算法和传统的EPI-Net网络相比有所降低。

关键词：深度图估计数字重聚焦光场相机深度学习稠密块全光相机

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基于光场相机深度估计方法的研究

基于光场相机深度估计方法的研究

作者：范甜甜郑州大学

学位级别：硕士

光场图像不同于传统的二维成像,光场成像中包含了丰富的深度信息,通过对深度信息的估计可以应用到相应的领域。如:场景重建、景深计算及多角度场景這染等领域。光场相机可以实现先拍摄再聚焦的功能,我们可以运用场景重建技术来提高图像... 详细信息

光场图像不同于传统的二维成像,光场成像中包含了丰富的深度信息,通过对深度信息的估计可以应用到相应的领域。如:场景重建、景深计算及多角度场景這染等领域。光场相机可以实现先拍摄再聚焦的功能,我们可以运用场景重建技术来提高图像后期处理能力。光场成像的深度信息的提取是当下研究的重要领域,深度信息的提取技术被广泛的应用到场景景深研究方面。越来越多的国内外学者开始关注光场成像技术,光场成像理论也慢慢的应用到多个领域,如遥感、军事侦查、显微探测、三维重建及立体视觉等。本文的主要研究内容如下:(1)首先研究光场相机发展的过程,以及深度估计方法目前的研究现状。(2)研究什么是光场以及光场呈现和原理和数据的获取方式,并研究了原始光场数据提取以及解码的关键技术。对获取的图像进行解码,获取图片四维光场信息,得到各个视角的清晰图。(3)研究了数字变焦和数字对焦,着重研究了斯坦福型光场相机图像处理算法。(4)对深度信息提取的方法及理论作了深入的研究,对极平面图像、多视角图像、重聚焦焦点堆栈的深度估计方法进行研究,重点研究重聚焦多线索融合方法以及在图像处理上的应用。(5)本文主要研究了重聚焦多线索融合的图像处理方法。首先提取图像的一致性深度线索和散焦深度线索,置信图信息用MRF(马尔科夫随机场)进行优化后,得到图像的初始深度估计图,然后先将初始深度图进行优化,再得到全局优化深度图,然后与遮挡线索优化深度图的结果相比较,在保证计算精度的情况下不再需要计算图像的局部的遮挡线索,降低了算法复杂度。

关键词：光场 Lytro相机数字重聚焦多线索融合深度估计

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光学元件缺陷在线检测技术研究

光学元件缺陷在线检测技术研究

作者：张文学中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

学位级别：硕士

本课题主要是对光学元件缺陷在线检测技术进行了研究,在调研了国内外对于光学系统中光学元件缺陷在线检测的研究现状以后,分析了检测系统的基本原理,根据望远镜光学系统的结构特性,提出了总体在线检测方案。本文的工作主要分为以下两个... 详细信息

本课题主要是对光学元件缺陷在线检测技术进行了研究,在调研了国内外对于光学系统中光学元件缺陷在线检测的研究现状以后,分析了检测系统的基本原理,根据望远镜光学系统的结构特性,提出了总体在线检测方案。本文的工作主要分为以下两个方面:(一)利用Zemax软件设计了一套用于望远镜中光学元件表面缺陷检测的变焦距成像系统。该成像系统采用机械变焦形式实现了90mm-540mm的6倍变焦功能,系统在各焦距处的MTF值在100 lp/mm均大于0.3,检测物方分辨率优于0.055mm,系统在不同焦距处弥散斑半径均方根值均控制在艾里斑半径范围内。并对系统环境适应性进行分析,分析了工作温度范围为-10℃-40℃时对系统成像质量的影响,结果显示环境温度的变化会使检测系统的成像质量下降,采取了温度补偿措施对系统温度变化引起的成像质量变化进行补偿。补偿后的系统成像质量良好,满足实际需求。(二)针对位于成像系统景深范围内的光学元件缺陷无法区分的问题,提出了一种利用相机阵列对多个光学元件进行在线检测的方法。首先,采用几何光学的理论分析了相机阵列的成像模型,推导了检测系统深度分辨率和空间分辨率的表达式。接着,我们利用MATLAB模拟了相机阵列的成像过程和数字重聚焦过程。最后,进行了验证性实验,图像通过图像处理以后获得缺陷的几何特征信息,并与离线检测实验结果对比。结果表明:相对于离线检测,数字重聚焦在线检测到缺陷点长度的平均相对误差为14.48%,宽度的平均相对误差为25.01%。基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测技术能够同时对位于景深范围内的光学组件进行在线检测,验证了该研究结果在实际工程应用中的有效性,我们所提出的方法在大型光学系统在线检测领域有着一定的应用前景。

关键词：检测系统变焦距成像系统相机阵列数字重聚焦

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基于焦距捷变的被动毫米波成像系统

基于焦距捷变的被动毫米波成像系统

作者：马翰驰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

毫米波成像对衣物有着较为良好的穿透性和对金属物品的灵敏识别特性,由于波长较短,在成像方面可以获得较好的分辨率,而且被动毫米波成像完全不对外辐射毫米波,对人体安全无害,故而广泛应用于隐匿危险物品探测和安检成像。本文应用了光... 详细信息

毫米波成像对衣物有着较为良好的穿透性和对金属物品的灵敏识别特性,由于波长较短,在成像方面可以获得较好的分辨率,而且被动毫米波成像完全不对外辐射毫米波,对人体安全无害,故而广泛应用于隐匿危险物品探测和安检成像。本文应用了光场相机的数字重聚焦原理,致力于研究一种非配合式,高效率的应用于安检成像的被动毫米波焦距捷变成像系统。本文提出的基于被动毫米波的焦距捷变成像系统分为以下几个研究部分,(1)光场成像的原理分析,四维坐标系的建立,光线的双平面参数化法表征。(2)准光路模型的建立,包括主透镜,微透镜阵列,辐射计阵列以及透镜表面方程的计算,系统的优化。(3)数字重聚焦算法的研究,将采集的光场信息表示成五维矩阵的格式,先得到多幅子孔径的图像,然后通过移动光场的切片到同一个深度,然后再相加所有子孔径的图像来达到重聚焦的效果。并以光场数据验证,实现了图像聚焦景深的变化。(4)整体模型的联合仿真,得到毫米波波段辐射场的具体信息,表示成五维矩阵,利用重聚焦算法实现焦距捷变。上述的被动毫米波焦距捷变成像系统的各个原件都在电磁仿真软件FEKO中建立了相应的模型,进行了仿真测试,得到了毫米波辐射场的信息,对这些数据处理之后进行数值重聚焦成像,结果可以清晰地分辨出焦聚平面的变化。

关键词：光场成像被动毫米波成像安检成像数字重聚焦

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基于光场相机的火焰三维温度场重建

基于光场相机的火焰三维温度场重建

作者：赵大成中国计量大学

学位级别：硕士

燃烧现象广泛存在于冶金、航空航天、火电发电等生产和生活领域,而温度是燃烧火焰参数中最重要的之一。对火焰温度场的准确测量能更好地揭示火焰燃烧的本质和燃烧规律,从而提高能源利用率以及保障安全和降低污染。当前的火焰三维温度场... 详细信息

燃烧现象广泛存在于冶金、航空航天、火电发电等生产和生活领域,而温度是燃烧火焰参数中最重要的之一。对火焰温度场的准确测量能更好地揭示火焰燃烧的本质和燃烧规律,从而提高能源利用率以及保障安全和降低污染。当前的火焰三维温度场测量的方法存在设备复杂、时延性高等问题,针对这些问题本文提出了基于光场相机对火焰三维温度场进行重建的方法,开展了理论和实验研究。介绍了光场的概念和参数化表征,研究了光场成像的数字重聚焦原理,以及基本的光学成像和分层成像原理。实现了光场图像的解码以及重聚焦程序,并将光场相机重聚焦技术应用于光学分层成像系统,可使用光场相机一次拍摄后重聚焦获取各分层图像。进行了基于光场相机分层成像系统的标定工作,对标定原理及方法进行了研究。提出基于阶梯尺的重聚焦参数标定方法,提高了标定的精度和易用性,实现了光场重聚焦参数与对应深度距离的标定。分层成像重建过程中还需要用到点扩散函数,本文采用了高斯点扩散模型,并使用刃边法进行了点扩散函数参数的标定。探究了光学分层成像所需的重建算法,对两种算法进行了模拟仿真对比,并采用最近邻域法进行分层重建实验,结果证明了该重建算法的可行性。并在测温之前开展了基于双色测温法的黑体炉标定实验,标定了测温系数和温度之间的关系。开展了基于光场相机的火焰三维温度场重建实验,使用光场相机对火焰进行采集,将火焰分为三个断层面,结合之前的工作基础对三个分层的原始亮度分布和温度场进行了重建。对结果进行了分析和评价,重建的火焰温度场基本符合燃烧火焰的结构特点,并采用热电偶测温进行对比,结果表明此测温方法可行性和可靠性,可用于火焰三维温度场的测量。

关键词：光场成像数字重聚焦光学分层火焰测温图像处理

基于微透镜型光场成像数据获取及深度信息提取研究

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基于微透镜型光场成像数据获取及深度信息提取研究

作者：阮龙郑州大学

学位级别：硕士

三维成像和显示技术被越来越多的应用于科研、娱乐、医疗、军事等各个领域，受经济利益和社会效应的巨大推动作用，三维成像理论和技术也不断推陈出新。光场成像是一种成像与计算相结合的新型三维成像技术，有着较简单的光学系统、低成... 详细信息

三维成像和显示技术被越来越多的应用于科研、娱乐、医疗、军事等各个领域，受经济利益和社会效应的巨大推动作用，三维成像理论和技术也不断推陈出新。光场成像是一种成像与计算相结合的新型三维成像技术，有着较简单的光学系统、低成本的硬件设备和灵活的数据后期处理方式等特点，因此受到国内外很多研究人员和研究机构的关注。本文在对光场成像基本原理和国内外光场成像的研究现状深入学习之后，针对微透镜型光场成像方式，围绕其成像方式、数据特点、数据编码、深度信息提取和数据重建等重点问题，进行了系统的研究工作。主要完成的工作如下：首先，论文对深度信息提取的方法及理论作了深入的研究，介绍了主动深度信息获取方法和被动深度信息获取方法，并对被动深度信息获取方法中立体视觉法的五个步骤作了着重说明。对立体视觉法提取深度信息中的立体匹配分别以基于区域的立体匹配和基于特征的立体匹配进行详细说明，并作出对比，指出各自的优缺点。然后，对微透镜光场成像方式的模型参数进行了分析，针对微透镜阵列两种不同位置的放置，研究了各自成像特点，并对微透镜阵列和CCD阵列的物理参数匹配过程进行了研究，为数据的获取和算法处理提供了指导。接着，利用Lytro相机获取的光场数据，分析了CCD上图像的特点，利用成像模型，建立CCD和微透镜阵列的映射关系，在此基础上，提出了一种光场数据编码方法，利用该编码方法，确定了像素与微透镜的一一对应关系。最后，利用前面编码算法的结果，在用一系列子图像获取不同视角的图像的基础之上，提出了一种针对光场成像较为有效的深度信息提取方法，主要是基于子图像分割、颜色分割、梯度投影和图像融合的思想，成功的用于Lytro相机获取视差图的深度信息获取。论文在上述研究的内容框架内，利用Matlab软件编写了光场数据编码、子图像分割、深度信息提出、数据重聚焦等算法。利用编写的算法对光场数据进行处理。结果表明，本文提出的编码和深度信息提取算法合理，可以准确的进行子图像分割和深度信息获取，与现有算法相比，深度信息准确度性能更为优异，为三维数据重建的精度提供了强有力的保证。

关键词：光场相机深度信息立体匹配数字重聚焦

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太赫兹光场成像的深度估计方法与实验研究

红外 2021年第2期42卷 35-42,48页

作者：张佳琪何敬锁张宏飞苏波张存林太赫兹光电子学教育部重点实验室北京100048 北京市太赫兹波谱与成像重点实验室北京100048 北京成像理论与技术高精尖创新中心北京100048 首都师范大学物理系北京100048

在前期工作中,通过对太赫兹光场图像进行离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)滤波和数字重聚焦,初步实现了图像去噪和前后景分割。为了进一步得到质量更高的太赫兹光场原数据并达到更加精确的深度分割效果,改进了实验方案及处... 详细信息

在前期工作中,通过对太赫兹光场图像进行离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)滤波和数字重聚焦,初步实现了图像去噪和前后景分割。为了进一步得到质量更高的太赫兹光场原数据并达到更加精确的深度分割效果,改进了实验方案及处理方法,并提出了一种基于极平面图像(Epipolar Plane Image,EPI)的太赫兹光场深度估计方法。在太赫兹图像特性的基础上,给出了深度与视差的关系,并利用局部视差和置信度构建了全局深度图,从而达到了深度估计的目的。最后,在实验中通过10×10的相机阵列采集太赫兹光场数据,得到了准确聚焦于不同平面的重聚焦结果和高分辨度的深度估计图,实现了太赫兹光场成像的深度估计。

关键词：太赫兹光场成像数字重聚焦深度估计