傅里叶单像素成像技术与应用

非可见光成像是光学成像领域中的难题之一。单像素成像作为一种新型的计算成像技术,利用空间光调制技术,可实现只使用一个无空间分辨能力的单像素探测器获取物体的空间信息。因此单像素成像是解决传统成像在非可见光波段成像难题的潜在解决方案之一。近年,傅里叶单像素成像技术被证明是一种可以兼得高成像质量和高成像效率的单像素成像技术。自2015年被提出至今,傅里叶单像素成像已经从二维成像推广到三维成像、从灰度成像推广到彩色成像、从静态成像推广到动态成像、从单模态成像推广到多模态成像、从宏观成像推广到显微成像,发展出一系列的成像技术。对傅里叶单像素成像技术的基本原理、与之相关的成像技术和应用进行了综述,并讨论了现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。

2维载频条纹傅里叶变换轮廓术

为了在3维形貌测量中解决非连续物体所存在的非连续相位解包问题并提高测量精度,提出采用2维网格光栅作为空间载频条纹的傅里叶变换轮廓术。首先应用2维傅里叶变换对2维光栅条纹图像进行频谱分析;然后设计带通滤波器分离出两个1维变形光栅条纹,在1幅变形网格光栅条纹得到两个1维光栅各自所对应的包裹相位分布;最后应用查表法进行解包得到确定的调制相位分布,给出了详细的理论推导和实验结果。结果表明,采用2维网格光栅+查表相位解包法很好地解决了1维单一频率光栅条纹的低测量精度、1维双频光栅的频率混叠以及3维测量中高度不连续所存在相位解包问题,该方法是可行的。

基于相移结构光照明的浮雕成像技术研究

详细介绍了一种基于相移结构光照明的浮雕成像技术,对该成像技术的原理和成像特性进行了实验研究,并采用相移结构光照明的方法实现彩色浮雕成像。实验中,将多幅相移正弦条纹光场斜投射到被拍摄物体上,数码相机依次拍摄被照明的物体,再利用拍摄到的多幅相移图像,通过计算的方法重建出所需要的图像。理论分析和实验结果表明,相移结构光照明成像技术能有效地消去环境不均匀光照的影响,获取的反射率分布图像只与结构光照明有关,突显了斜投射照明所形成的阴影,图像的明暗变化反映出物体表面的法线变化,因而在视觉上形成了明显的浮雕效果。

基于光电混合神经网络的单像素快速运动物体分类(特邀)

对快速运动物体进行持续分类具有重要的应用前景。受限于有限的数据传输带宽和存储空间,目前基于场景图像的物体分类技术难以实现对运动物体的持续分类。受到单像素成像在时间上累积获取信息这一方式的启发,结合深度学习,提出了一种基于光电混合神经网络的单像素快速运动物体分类方法。该方法不需要获取目标物体的图像,利用对光场的空间调制和单像素测量,直接获取用于分类的特征信息,从而避免了在持续分类过程中基于图像分类方法产生的海量图像数据。单像素测量过程作为神经网络的一部分,将光计算与电子计算无缝衔接起来,构建了一个光电混合神经网络用于对物体的分类。通过对快速旋转圆盘上的手写数字进行持续分类实验测试,证明了提出的方法在分类快速运动的手写数字方面的能力,超过了人眼视觉。

激光散斑三维形貌绝对测量技术

为了实现对物体的三维形貌绝对测量,避免相位解包裹处理,研究实现了一种基于激光散斑场纵向相关性质的三维形貌绝对测量技术。实验研究了激光散斑场纵向相关性质,利用CCD相机拍摄不同纵向深度的散斑图,通过相关运算获得散斑图的纵向深度与横向偏移之间的线性关系。利用这一线性关系,实现了对处于激光散斑场中的物体表面到参考面之间高度的绝对测量,三维形貌重建无需相位解包裹处理,并且由于激光散斑场是激光照射毛玻璃形成的,避免了投影数字散斑技术中的透镜投影系统,技术装置简单,操作方便。该技术有望在实践中获得应用。

角度扫描型表面等离子体共振传感器抗噪声干扰的方法研究

表面等离子体共振(SPR)传感器已广泛应用于生物学、医学、化学、药物筛选以及环境监测、食品安全等领域。但SPR传感系统检测样品时易受到来自光源、光电检测器等器件自身噪声及环境光噪声的影响,其中环境光噪声的影响尤为明显,因此SPR传感器通常需要在遮光环境下进行操作,不利于现场的快速检测。为此,在自行研制的角度扫描型SPR传感器基础上,重点研究环境光噪声的特性,提出一种统计平均滤波和低通滤波结合的数据处理方法来抑制日光灯照环境下的噪声干扰。检测磷酸盐(PBS)缓冲液的实验结果表明,该方法可使SPR传感器在日光灯照环境下准确检测,相对遮光测量结果的误差为0.0027%。该方法可有效提高角度扫描型SPR传感器抗环境光干扰能力,具有良好的应用和推广价值。

瞬时频率引导的小波变换轮廓术相位解包裹技术

提出了一种新的用于小波变换轮廓术进行相位解包裹的质量图建立方法。对受物体形貌调制的变形条纹图,利用小波变换相位解调技术获得变形条纹的包裹相位与瞬时频率;将瞬时频率与条纹载频的绝对差值和相邻像素点之间瞬时频率的变化程度两方面建立质量图,质量图值的大小可表示位相质量的好坏,质量图的值越小,相位质量越可靠;再设定阈值,将质量图分为质量好坏两部分,不同部分分别采用扫描线算法和洪流相位解包裹法进行位相解包裹。本文方法在提高解包裹处理速度的同时,还可以更为精确地检测出噪声、阴影或条纹突变等区域,使相位解包裹精度和效率得到了保证。通过理论分析、仿真分析、实物静态和动态实验表明,与现有的质量图引导的洪流相位解包裹法相比,本文方法解包裹速度更快,适用于动态测量中大量变形条纹图的相位精确快速解包裹。

改进的三步空域准相移单帧条纹相位解调技术

三步空域准相移技术是一种单帧相位解调技术,适用于动态条纹相位分析。本文在已有的三步空域准相移技术的基础上,提出了一种改进的三步空域准相移技术。改进后,在计算每个像素点相位时,可以根据具体情况,灵活选择邻域范围,调节所使用像素点的个数,有利于噪声的隔离,避免误差的传播,从而提高动态条纹分析中相位解调的精度。