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深度学习在透过强散射介质成像中的应用

深度学习在透过强散射介质成像中的应用

作者：胡永强四川师范大学

学位级别：硕士

携带物体信息的光束(反射光或透射光)能够在探测面成像的重要前提是它不能够在传输过程中失真。然而,无论是在生物医学还是在军用遥感探测等现实场景中,光束的传输都会被生物组织器官以及大气云雾等障碍物扰乱。其原因在于,光束与障碍... 详细信息

携带物体信息的光束(反射光或透射光)能够在探测面成像的重要前提是它不能够在传输过程中失真。然而,无论是在生物医学还是在军用遥感探测等现实场景中,光束的传输都会被生物组织器官以及大气云雾等障碍物扰乱。其原因在于,光束与障碍物中的粒子多次相互作用叠加而产生的散射,使得目标物体光场的振幅和相位以及偏振发生改变,在探测面形成光学散斑,观察不到物体的像。基于数据驱动的深度学习方法能学习输入光场与输出光场的映射关系,能从已知的散斑有效重建原目标。与传统方法形相比,该方法有明显优势,逐渐成为散射成像技术的一个新兴研究方向。另外,基于深度学习的散射成像方法旨在学习系统输入与响应的关系,但其成像的机理未知,数据的质量影响着网络成像效果,因此,探究影响网络成像的因素是一个尤为重要的工作。本学位论文的主要工作以基于深度学习的散射成像方法为主线,将生成对抗网络的算法运用于复杂散斑光场的重建,分别从仿真及实验验证了该方法的可行性与优越性。另外,通过改变散射介质的物理条件以及光路中相机的拍摄角度和曝光时间分组获取数据集,探究这些因素对基于深度学习散射成像方法的影响,具体研究工作主要包括以下四个部分:1.基于标量衍射理论对目标透过复杂散射介质的传播过程进行仿真建模,用Matlab仿真计算获取散斑光场与目标光场的输入输出对数据,形成网络训练所需的仿真数据集;并运用不同于训练数据的数据集产生散斑进行测试,验证深度学习方法的可行性基2.提出一种基于负峰值信噪比损失函数的Pix2Pix网络,并对不同网络以及不同损失函数的相同网络的成像效果进行了对比分析。3.基于光学器件的传输特性,分别用静态和动态、单层和多层的复杂散射介质搭建复杂散射介质成像光学系统,通过Python编程语言对空间光调制器和工业相机的循环控制分组获取实验数据集,将不同散射环境的数据组分组训练,验证网络在复杂强散射环境中对散斑光场的恢复能力。4.通过控制变量研究分析了散射光的功率以及散射介质的光学厚度和动态散斑的时间相关性对网

关键词：透过散射介质成像散斑图像图像重建生成对抗网络 Pix2Pix网络

透过散射介质对直线运动目标的全光成像及追踪技术

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物理学报 2018年第22期67卷 234-241页

作者：贾辉罗秀娟张羽兰富洋刘辉陈明徕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

光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素,透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一.本文提出一种利用散斑差值自相关透过散射介质对运动目标进行实时追踪的方法.采用赝热光照明,基于光学... 详细信息

光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素,透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一.本文提出一种利用散斑差值自相关透过散射介质对运动目标进行实时追踪的方法.采用赝热光照明,基于光学记忆效应理论,通过对运动目标采集的两帧散斑做差值,然后做自相关运算,计算目标移动的距离,实现对目标的实时追踪,并且利用相位恢复算法进行简单处理就可以重建隐藏目标.对该方法进行了实验验证,成功地对隐藏的运动目标实现了成像与追踪.这种透过散射介质对运动目标的全光成像及实时追踪技术,在生物医学等领域具有重要应用潜力.

关键词：透过散射介质成像散斑差值自相关光学记忆效应运动目标

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透过散射介质对运动物体的成像与追踪

光学学报 2020年第12期40卷 111-118页

作者：韩伟张也辛煜南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

由于散射介质的强散射作用,传统光学成像系统无法对散射介质后的物体进行成像与运动追踪。针对这一问题,提出了一种透过散射介质对运动物体进行追踪与重建的方法。基于散射介质的光学记忆效应理论,通过先验信息解算散射成像系统的点扩... 详细信息

由于散射介质的强散射作用,传统光学成像系统无法对散射介质后的物体进行成像与运动追踪。针对这一问题,提出了一种透过散射介质对运动物体进行追踪与重建的方法。基于散射介质的光学记忆效应理论,通过先验信息解算散射成像系统的点扩展函数,利用点扩展函数的轴向缩放关系确定轴向位移,利用重建物体的互相关确定横向偏移。基于此方法搭建的实验系统也很好地实现了散射介质后物体的快速重建与运动追踪。所提方法仅需采集移位物体的连续散斑图像即可追踪物体位移,无需特定装置且效果优异,有利于透过散射介质成像在生物医学领域的应用。

关键词：成像系统透过散射介质成像运动目标追踪反卷积点扩展函数

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透过动态散射介质的运动目标成像技术研究

透过动态散射介质的运动目标成像技术研究

作者：贾辉中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素,透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一。近年来,透过散射介质的散斑相关成像方法受到越来越多研究人员的重视,本文研究了散斑相关成像的理论基... 详细信息

光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素,透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一。近年来,透过散射介质的散斑相关成像方法受到越来越多研究人员的重视,本文研究了散斑相关成像的理论基础,构建光学成像系统模型,并搭建实验光路,验证了透过散射介质的散斑相关成像的可行性。在此基础上,提出一种利用散斑差值自相关透过散射介质对运动目标进行实时追踪的方法。该方法采用赝热光照明,结合光学记忆效应理论,通过对运动目标采集的两帧散斑做差值,然后做自相关运算,计算目标移动的距离,实现对目标的实时追踪,并且利用相位恢复算法进行简单处理就可以重建隐藏目标。对该方法进行了实验验证,成功地对隐藏的运动目标实现了成像与追踪,这种透过散射介质对运动目标的全光成像及实时追踪技术,在生物医学等领域具有重要应用潜力。光学记忆效应的散斑相关成像方法易受动态散射介质的影响,而光学浴帘效应可克服散射介质的扰动问题。针对透过动态散射介质的目标成像技术,我们进一步提出采用光学浴帘效应理论的散斑照明成像方法。首先,研究了散斑照明的理论基础,得出:在目标后厘米量级处就可获得目标的傅里叶频谱,采用该照明方式可以减小“远场”距离,实现对近距离目标成像。由此,结合光学浴帘效应理论,将散射介质作为投影屏,目标的频谱投影在散射介质表面,相机直接拍摄介质表面的散斑图案。本文中基于散斑照明的特点构建成像系统,搭建实验光路,对相机拍摄的散斑做一系列预处理,得到目标的频谱幅值并将其代入到相位恢复算法,最终实现了透过动态散射介质对运动目标成像。基于光学记忆效应的散斑相关成像和基于光学浴帘效应的散斑照明成像系统结构简单易于实现,数据处理并不复杂,互为补充。前者只需采集一帧散斑即可成像,因此可以使用高像素的手机相机拍摄散斑图用于图像重建,在便携式设备上具有巨大的应用潜力。后者可以弥补散斑相关成像无法透过动态散射介质成像的不足,理论上可将成像距离推广到任意距离,不论是在生物医学对微小组织细胞的成像还是在天文学上透过大气湍流的观测都具有巨大的应用潜力。若将两者的成像方式相结合,其适应范围将会更广,将会进一步拓宽透过散射介质成像的应用领域。

关键词：透过散射介质成像散斑相关光学记忆效应散斑照明光学浴帘效应

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关于散射成像研究现状的一些思考 (特邀)

红外与激光工程 2022年第8期51卷 1-3页

作者：刘红林中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

透过散射介质的光学成像是人们长期追求但一直未能真正解决的问题。研究人员提出并发展了各种各样的方法和技术,从最早只利用弹道光的时间门和空间门技术,到后来利用了散射光的波前整形、散射矩阵测量和散斑自相关成像,再到近年热门的... 详细信息

透过散射介质的光学成像是人们长期追求但一直未能真正解决的问题。研究人员提出并发展了各种各样的方法和技术,从最早只利用弹道光的时间门和空间门技术,到后来利用了散射光的波前整形、散射矩阵测量和散斑自相关成像,再到近年热门的深度学习方法。尽管这些方法和技术都经过了毛玻璃、氧化锌薄膜、生物组织切片等薄散射介质的原理性验证,但随着介质厚度增加,所有方法和技术都迅速失效。厚度一直是难以克服的瓶颈。这篇评论归纳对比了散射成像的主要方法和技术,重新审视了经过散射介质波前被完全随机化等主流观点,分析了现有方法和技术无法透过厚散射介质成像的原因,并提出了未来有望真正解决问题的研究方向。

关键词：透过散射介质成像弹道光散射光波前整形散斑自相关成像深度学习

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计算成像技术及应用最新进展

激光与光电子学进展 2020年第2期57卷 3-47页

作者：邵晓鹏刘飞李伟杨力铭杨思原刘佳维西安电子科技大学物理与光电工程学院陕西西安710071

计算成像技术(CIT)是一类有别于传统光学成像"所见即所得"的信息获取和处理方式的新体制成像方式。随着新型光电器件的发展和硬件计算能力的提升,计算成像技术在光电成像领域呈现出蓬勃发展的趋势。计算成像技术通过对光场信息进行采集... 详细信息

计算成像技术(CIT)是一类有别于传统光学成像"所见即所得"的信息获取和处理方式的新体制成像方式。随着新型光电器件的发展和硬件计算能力的提升,计算成像技术在光电成像领域呈现出蓬勃发展的趋势。计算成像技术通过对光场信息进行采集和计算,达到传统成像无法企及的信息利用率和解译度,满足"更高(分辨率)、更远(探测距离)、更大(光学视场)"的光电成像需求。从成像全链路的信息获取与丢失过程出发,通过透过散射介质成像、偏振成像及仿生成像等几种典型的计算成像方式对光场多物理量信息获取和解译进行分析,详细介绍了计算成像技术的方法原理及实现途径。根据成像技术的发展趋势,前瞻性地提出了计算光学系统设计和超大口径望远镜的设计思想。计算成像技术在提高成像分辨率、扩大探测距离、增大成像视场及减小光学系统体积和功耗等方面具有明显的优势,有望穿透云雾、活体生物组织等实现更远距离、更大深度的成像,应用前景广阔。

关键词：计算成像透过散射介质成像偏振成像仿生光学

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基于周期性极化铌酸锂波导的透过散射成像

基于周期性极化铌酸锂波导的透过散射成像

作者：李炽南昌大学

学位级别：硕士

周期性极化铌酸锂(Periodically Poled Lithium Niobate,PPLN)波导因其优异的非线性光学特性,在光通信、光学信息存储与处理、光学成像等领域有着广泛的应用。特别是在光学成像领域,该材料的独特特性为高时间分辨率的透过散射介质成像... 详细信息

周期性极化铌酸锂(Periodically Poled Lithium Niobate,PPLN)波导因其优异的非线性光学特性,在光通信、光学信息存储与处理、光学成像等领域有着广泛的应用。特别是在光学成像领域,该材料的独特特性为高时间分辨率的透过散射介质成像提供了新的解决方案。利用PPLN波导的非线性效应进行频率上转换,可以从散射光中提取出微弱的弹道光,从而实现单光子水平的透过散射介质成像。本论文正是基于其非线性和频效应定制了一块PPLN波导,用于将近红外波段频率上转换至780 nm波段附近,并基于该波导搭建了一套频率上转换单光子探测系统。系统通过采用适当的皮秒脉冲泵浦光以及信号光在该波导中实现高效率的频率上转换,达到10 ps左右的时间分辨率。当目标物体位于光学厚度为4.9的散射介质后约40 cm处时,系统能实现约1.1 mm的横向分辨率和1.5 mm的纵向分辨率。然而,在实际的透过散射介质成像场景中,由于没有目标物体先验位置信息,这使得频率上转换单光子探测系统需要对光学延迟线(Optical Delay Line,ODL)执行全范围扫描(560 ps),成像效率极低。为解决这个问题,本论文提出了一种将近红外单光子探测器与上转换单光子探测系统相结合的方法,该方法借助近红外单光子探测器所获取到的光子飞行时间(Time Of Flight,TOF)峰值位置信息与ODL的和频扫描位置之间存在的线性关系,将近红外单光子探测器所收集到的TOF信息实时反馈至ODL,从而实现ODL精准扫描。并且通过近红外单光子探测器的初步“预览”筛选掉非目标点,从而专注于对实际目标物体的扫描与探测。该方法提高了近20倍的成像速率,且目标点在扫描点中占比越少,该方法的优势就越大。同时,通过对其他材质物体进行成像实验,验证了该方法的线性关系具有普适性。该方法不仅为快速实现高分辨率的透过散射介质成像提供了新思路,还展现了在实际应用中的巨大潜力。

关键词：周期性极化铌酸锂频率上转换单光子探测透过散射介质成像

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光源空间相干性对散斑成像质量影响的研究

光源空间相干性对散斑成像质量影响的研究

作者：朱达波南京航空航天大学

学位级别：硕士

光经过散射介质之后,会在散射介质内部会发生散射,使得出射光在像面形成一个光强分布杂乱的斑点状图案,称为散斑。在光学成像领域,散斑会导致成像质量的下降甚至无法成像,因而一直被视为一项急需被克服的障碍。然而,近年来研究者们发现... 详细信息

光经过散射介质之后,会在散射介质内部会发生散射,使得出射光在像面形成一个光强分布杂乱的斑点状图案,称为散斑。在光学成像领域,散斑会导致成像质量的下降甚至无法成像,因而一直被视为一项急需被克服的障碍。然而,近年来研究者们发现散斑虽然表现为杂乱无章的斑点,但却包含了未知物体的信息,可以利用各种技术手段及算法从散斑中恢复出物体的图像信息。据此,可实现透过散射介质成像。非相干光源在许多方法和技术中都起着关键性作用,在透过散射介质成像中也不例外。本文引入了一种可以改变高空间相干度激光光源的空间相干性的装置,在此基础上,研究了光源的空间相干度对透过散射介质成像质量的影响,并研究了光场的空间相干性在传播过程中的变化。具体内容如下:阐述了基于记忆效应的透过散射介质成像的基本原理及重建算法。对光波从光源出发,传播到像面的过程进行了模拟仿真,利用随机相位与高斯函数的卷积来模拟散射介质对入射波前的作用,并利用菲涅尔衍射模拟光场的传播过程。基于数学仿真模型,模拟了动态和静态物体的成像过程,并设计了相应算法流程来重建物体的图像。研究了基于赝热光源的空间相干度的调制方法。首先介绍了空间相干性的定义,然后引入杨氏双缝干涉实验作为测量空间相干度的方法。利用透镜对激光束进行聚焦,然后改变旋转磨砂玻璃到焦点的距离,随着距离的增大,光束照射到毛玻璃上的面积也越大,透过毛玻璃的光束的空间相干性也会降低,由此实现了可控相干性的部分相干光束,并进行了实验验证。进一步,还研究了赝热光源在空间传播过程中相干性的变化以及常用的低相干性光源是否能用这种方法调制。结果表明,在光束横截面方向上,光束的空间相干性不会发生太大的变化;在光轴方向上,空间相干性会逐渐增大。对于低相干性的光源来说,该方法对空间相干性的影响不大。研究了光束相干性对透过散射介质成像的影响。我们利用上述基于旋转毛玻璃及透镜组合调制光源空间相干度的装置,来研究空间相干性对基于记忆效应的透过散射介质成像质量的影响。在不同空间相干度的光源下,分别用相位恢复算法和互相关法从复杂和简单的物体产生的散斑中还原出物体图像。结果表明,光束的相干性越低,重建图像的质量越高,完全非相干光源的成像质量是相干光源的1.5倍。与完全非相干光束相比,利用空间相干度低于0.58左右的部分相干光也能获得较好的成像质量。研究结果为部分相干光在透过散射介质成像中的应用提供了一定参考。

关键词：散斑成像空间相干性透过散射介质成像图像重建光学记忆效应

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基于无实验训练神经网络的散射成像研究

基于无实验训练神经网络的散射成像研究

作者：刘有为电子科技大学

学位级别：硕士

非均匀介质(如生物组织、云雾等)引起的光散射降低了成像系统的信噪比,甚至使感兴趣的图像信息淹没在噪声中。如何克服散射或从散射光场中提取有效物体信息一直是科研工作者的研究热点。近年来,基于深度学习的散射成像如雨后春笋般涌现... 详细信息

非均匀介质(如生物组织、云雾等)引起的光散射降低了成像系统的信噪比,甚至使感兴趣的图像信息淹没在噪声中。如何克服散射或从散射光场中提取有效物体信息一直是科研工作者的研究热点。近年来,基于深度学习的散射成像如雨后春笋般涌现,解决了一系列传统成像技术路线遇到的瓶颈,如复杂物体散射成像、动态散射环境下的物体成像、深度定位散射成像等。然而,目前的深度学习散射成像研究需要大量的实验数据训练神经网络以重建待检测目标,给研究人员在时间成本、硬件成本等方面带来了一定的负担,甚至于某些实验数据难以获取,不足以支撑神经网络训练。基于此,本文通过分析非均匀介质(散射介质)固有的光学记忆效应、散斑和物体之间的联系,创新性地提出利用仿真数据训练神经网络以便于从实验散斑中重建待检测目标的方法。具体研究内容如下:(1)由于散射介质固有的光学记忆效应,在空间非相干光照明下,散斑的自相关和物体的自相关一一对应。基于该物理先验信息,作者采用仿真物体的自相关训练神经网络模型,然后重建实验中的未知物体。为了比较所提方案和以往研究方案的成像性能,利用实验数据训练神经网络的模型也被搭建并用于重建未知目标。实验结果表明,利用仿真数据训练网络的方法能重建现实中的未知物体。然而与实验数据训练网络对比,均方误差、皮尔森相关系数以及峰值信噪图像性能指标略微逊色。(2)为了进一步提升仿真训练神经网络方法的成像性能,研究分析认为散斑自相关包含了某种噪声。作者模拟散射成像系统的点扩散函数自相关,使其卷积目标物体自相关,达到修正仿真数据的目的。经过修正后的仿真模型达到与真实的散射成像场景更加相近的效果,训练出的重建网络模型能根据实验散斑数据恢复出质量更高的重建像。比较仿真、实验数据训练神经网络的性能,两者的目标重建的质量指标相当,但前者在不同倍率的未知物体上的泛化性能远高于后者。

关键词：透过散射介质成像神经网络仿真 PSF