Time-of-Flight透散射介质成像技术综述

Time-of-Flight (ToF)成像是利用光在目标和相机之间的飞行时间来获取场景的深度信息,具有体积小、成本低、实时成像等优势。在散射环境中,由于散射介质对光的散射作用,ToF成像受到多径干扰的影响,深度测量误差较大,限制了ToF相机在散射场景中的应用。ToF透散射介质成像技术是校正因散射光引起的多径干扰效应,从传感器接收到的混叠信号中分离出目标分量,实现散射场景中的深度信息恢复,其在雾天自动驾驶、水下勘测、生物医学等领域具有广阔的应用前景。依据ToF成像系统的不同,详细介绍了PL-ToF和CW-ToF成像的基本原理,阐述和分析了散射场景中ToF稳态成像和瞬态成像的机理和特点,分别回顾和总结了ToF稳态成像和瞬态成像的透散射介质成像研究现状,并介绍了ToF透散射介质成像的应用前景,最后依据现有ToF透散射介质成像技术的优缺点,对未来发展趋势进行了展望。

基于压缩感知和散斑相关法的散射介质成像方法研究

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。

相位解调技术在浑浊介质成像中的应用

浑浊介质引起的多光散射会扭曲光波传播，使图像变得模糊。浑浊透镜成像（TLI）则可以重建这种被扭曲的图像。在该方法中，需要提取输光场的复电场（复振幅）信息，以计算浑浊介质的传输矩阵。但是CCD记录的是图像的强度信息，丢失了扭曲光场的相位信息。由于物光经过浑浊介质后变成了强度剧烈变化的散斑图像，直接进行相位解调会产生较大误差。为了消除散斑强度变化的影响，分别记录扭曲光场图像、参考光图像、干涉条纹图像和背景光图像。根据对应关系换算出干涉余弦因子，对余弦因子应用希尔伯特变换进行相位解调就可以比较准确地计算出散斑的相位。通过上述方法成功地计算出扭曲图像的复电场及浑浊介质的传输矩阵。由于对振幅的测量采用直接方法，因而对于散斑干涉条纹来说，该方法的计算结果更加准确。

基于散斑照明和全息的穿透散射介质成像

目前,穿透散射介质的成像技术因其在生物医学成像和安防领域的巨大应用价值而受到广泛关注。虽然存在不同穿透散射介质的成像技术,但实现实时成像依然存在问题。提出了一种结合散斑照明、傅里叶全息成像和浴帘效应的快速穿透散射介质成像方法。该方法对单幅原始散斑图像进行一次傅里叶变换运算就可以恢复隐藏物体的信息,简单的图像处理过程使得系统具备实时成像的能力。从理论和实验上,对该方法的非侵入、实时成像能力进行了验证,成功地对隐藏在散射体之间的物体进行了探测,并实现了实时成像。另外,也给出了物体尺寸的计算公式。该方法有利于推动对抗散射成像技术的实用化。

基于投影仪的“街角成像”和穿透散射介质成像

散射介质对传统成像的影响非常大,散射严重时甚至使传统成像方式完全失效。如何在存在散射介质的情况下得到高分辨率的图像是人们一直关注的技术。将投影仪应用于关联成像(GI),可以在实验室内实现"街角成像",即利用墙面的漫反射对墙角另一侧无法直接成像的物体进行成像,并在此基础上实现了对隐藏在散射介质后的物体进行成像。该成像方案省去了传统关联成像系统中的参考臂的测量,使用一个无空间分辨能力的桶探测器即可实现。对比实验结果与传统方式得到的结果并分析实验的分辨率以及影响因素,证明了使用投影仪等普通光源在存在散射介质的情况下成像的可行性。

透过散射介质对直线运动目标的全光成像及追踪技术

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.

基于统计平均方法实现透过散射介质全息成像

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。

成像传感介质的现状及发展趋势——信息记录材料在成像领域的技术进展(七)

介绍了成像用介质及发展趋势 ,比较了化学感光成像和CCD成像各自的优缺点 。

医学影像学成像介质的种类及特点

目的:简介医学影像学成像介质的种类及特点。方法:比较传统医学影像学与现代医学影像学成像介质的特点和分类。结果:现代医学影像学成像技术优于传统医学影像学,但要普及受许多客观因素的影响。结论:数字化成像系统具有强大的优势和远大的发展前景。

浑浊水下主动偏振成像技术中的检偏角度研究(特邀)

水下偏振成像技术可以对水下图像对比度进行增强,但受探测器动态范围限制,难以获取准确的偏振信息,影响最终增强效果。提出了以三个任意角度检偏片成像结果进行基于水下图像复原的方法,并对滤光角度进行了研究。结果表明,对于主动线偏振照明,在入射光的正交偏振方向附近取三个点效果最好。对于非偏振光照明,在背景光偏振角间隔45°位置附近取三个点效果最好。该结果可以为高浑浊水下主动偏振成像增强技术提供理论支撑,拓展水下主动偏振成像技术的应用范围。

飞秒全息成像技术研究

飞秒全息成像技术目前主要有两个应用方向：飞行中的光波记录方法以及透过高散射介质（特别是生物活组织）成像。本文针对第二个应用方向做了一些初步工作，建立起了一套完整的电子全息系统，包括数字再现软件、ＣＣＤ摄像机、图像采集处理机。采用建立的电子学全息系统，在空气中拍摄了金属丝的飞秒全息图，为进一步利用飞秒全息技术研究透过高散射介质成像打下了基础。

关于散射成像研究现状的一些思考 (特邀)

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。

CT系统参数标定及成像研究与设计

CT系统除需要设备支持外,参数标定精度和成像模型对扫描效果具有显著影响.本文巧妙地利用模板与探测器的关系,寻找最佳标定位置,精确地对CT扫描系统进行参数标定,在此基础上,建立含有插值、滤波、局部搜索算法的CT介质成像优化模型,并列举实例进行图像重构模拟分析,最后利用逐差法设计更加精确的标定模板.

二维介质体剖面重建的非线性时域玻恩迭代方法

本文论述了利用时域分析方法求解二维无耗介质体的逆散射问题，并利用改进的玻恩迭代方法提高收敛速度，获得较好的重建结果。同时，还给出了调谐因子选择的一般规律。

基于偏振成像的水下图像复原技术研究最新进展

在水下环境中,悬浮的散射颗粒对光场的散射和吸收作用导致成像清晰度显著下降。基于偏振成像的水下图像复原技术是实现水下清晰成像的有效方法之一。该技术利用散射光的偏振特性,分离场景光和散射光,估计散射光强和透射系数,实现成像清晰化。近年来,偏振成像技术已广泛、高效地应用于水下图像复原和水下目标识别等诸多领域。水下偏振图像复原技术作为光学成像技术和图像处理技术的交叉领域,引起了广泛的关注并取得了大量优秀的研究成果。文中主要介绍了基于偏振成像的水下复原技术的基本原理、偏振信息处理方法和最新发展现状,综述了近年来偏振水下图像复原技术代表性的改进型方法。

散射介质光学系统成像性质研究

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有关,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,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0.5 m,焦距调节范围从18~55 mm时,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45 mm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,只有更长焦距的镜头才能实现散射介质成像。

生物组织单像素成像重构的散射干扰抑制

针对单像素成像重构中的散射介质影响而导致重构图像无法达到最佳效果的问题,研究了有无散射介质的情况下,关联算法和压缩感知算法的图像重构适用性。分析了散射介质在成像光路造成的调制信息空间结构变化和在探测光路造成的信号损耗对成像的影响,建立了近红外单像素成像系统,使用CGI算法和TVAL3算法实现了穿透生物组织散射介质的单像素成像实验。实验发现,在无散射介质时,TVAL3算法的重构时间、峰值信噪比和相似度等均优于CGI算法;而在有散射介质时,CGI算法的三项数值中有两项优于TVAL3算法,其最大重构时间(0.304 091 s)小于TVAL3算法最小时间(1.766 299 s),其最小峰值信噪比(9.983 1 dB)高于TVAL3算法的最大值(9.170 456 dB),其相似度(0.098 2、0.117 8)则位于TVAL3算法的范围内(0.099 258~0.497 622)。结果表明,基于关联成像理论的CGI算法较适合散射介质成像,基于压缩感知理论的TVAL3算法更适合无散射介质成像。

菲涅耳波带板无运动卷积全息术

提出了菲涅耳波带板(FZP)无运动卷积全息术.该技术使用均匀扩展光源,使得从光源不同位置发出的光在经过FZP编码孔径之后,在物体上形成多个菲涅耳波带板投影叠加.物体的全息图是FZP投影光强分布函数与物体的光强分布函数的卷积,无需机械运动便得到物体的扫描全息图·采用数字相关解码方法实现全息图的再现·用蒙特卡罗方法模拟了菲涅耳波带板入射光束在经过散射介质以后,其出射光强分布随散射介质厚度的变化规律·结果表明:当散射介质厚度为5cm时,出射光束依然基本保持菲涅耳波带板形式的光强分布·对嵌埋在浓度为1%的Intralipid散射溶液中直径为0.4mm的金属丝进行成像实验,分别得到当散射介质厚度为1cm、3cm和5cm时的再现像,实验验证了菲涅耳波带板无运动卷积全息术用于高散射介质中物体成像的可行性·

基于低秩分解与像素置乱的图像去雾方法

针对浓雾场景下图像目标信息被严重遮挡,现有雾天图像清晰化算法难以取得较好去雾效果的问题,基于低秩分解并结合像素置乱提出一种新的图像去雾方法。根据低秩分解理论和散射介质成像模型,将雾天降质图像看作两部分的叠加:一部分是具有低秩特性的雾化背景,另一部分是具有高秩特性的清晰目标场景。由于目标场景本身具有局部相关性和非局部相似性而含有一定程度的低秩成分,直接进行低秩分解会导致一部分目标场景被当作雾化背景去除,因此对原始雾天图像进行像素置乱以破坏场景本身的相关性,同时雾化背景因其全局缓变特性仍保持低秩属性,从而在进行低秩分解时最大限度地保留场景信息。最后,将高秩成分进行像素归位,获得去雾后的复原场景。实验结果表明,与暗通道先验、DehazeNet等主流图像去雾方法相比,该方法针对O-HAZE数据集中浓雾图像的去雾具有更好的表现,在有效去除浓雾的同时,不会产生大面积色偏现象。