计算成像技术中的点扩散函数工程

围绕光学成像中点扩散函数(Point spread function,PSF)在计算成像中的新内涵与应用,介绍了传统光学成像中PSF的概念以及PSF在光学系统设计中关键作用,并简要说明了几种利用PSF恢复图像算法以及图像评价指标。在此基础上以计算成像框架下信息传递的视角重新审视了PSF的内涵,从狭义、广义光学系统两个方面对计算成像领域中的相关研究进行了归纳总结,最后展望了PSF工程技术的应用前景及发展趋势。

用于三维单颗粒示踪的多焦面双螺旋点扩散函数显微研究

双螺旋点扩散函数(double-helix point spread function,DH-PSF)显微可实现纳米尺度的三维单颗粒示踪(three-dimensional single particle tracking,3D SPT),被广泛应用于生命科学等领域,但DH-PSF显微的成像景深和定位精度有限,限制了其在活体厚样品中的应用.为了解决此问题,本文提出了一种基于轴向分光棱镜的多焦面DH-PSF显微(z-splitter prism-based multifocus DH-PSF microscopy,ZPMDM)方法和系统,通过将基于轴向分光棱镜的多焦面显微与DH-PSF相结合,在无需扫描的情况下提高DH-PSF显微的轴向定位范围和定位精度,解决完整活细胞内3D SPT的大景深探测难题.通过系统标定,ZPMDM中3个通道的平均三维定位精度分别为σ_(L(x,y,z))=(4.4 nm,4.6 nm,10.5 nm),σ_(M(x,y,z))=(4.3 nm,4.2 nm,8.2 nm),以及σ_(R(x,y,z))=(4.8 nm,4.4 nm,10.3 nm),DH-PSF的有效景深扩展至6μm,实现了大景深范围内的甘油-水混合溶液中的荧光微球示踪,并初步研究了活巨噬细胞的吞噬现象,进一步验证了该方法的有效性,对于3D SPT的发展和应用具有重要意义.

考虑点扩散函数效应的光谱遥感图像超分辨率制图

由于硬件设备的限制和土地覆盖类别的多样性,采集得到的光谱遥感图像的空间分辨率有时较为粗糙,导致大量混合像元产生,严重影响了土地覆盖类型空间分布的制图精度。超分辨率制图技术可以有效地处理光谱遥感图像中的混合像元,获得准确的地物类别分布信息。在遥感大数据背景下,来自同一卫星采集同一区域的多位移图像可以作为辅助数据改进超分辨率制图结果。然而,目前多位移图像插值超分辨率制图方法很少有效地考虑点扩散函数效应影响,导致制图结果精度降低。为了解决这一问题,本文提出了一种考虑点扩散函数效应的多位移光谱遥感图像超分辨率制图方法,改善土地覆盖类别制图结果。在所提出的方法中,首先,对多位移图像进行光谱解混,以生成粗糙丰度图像。然后,在考虑点扩散函数效应的情况下,对粗糙丰度图像先采用面到点克里格法,然后进行理想方波滤波,得到改善的粗糙丰度图像。接下来,通过插值对改善的粗糙丰度图像进行上采样以获得上采样丰度图像,并对上采样的所有丰度图像进行整合以获得精细丰度图像。最后,根据精细丰度图像提供的类别比例信息,使用类别分配方法将类别标签分配给亚像元,以获得理想的制图结果。实验结果表明,通过减少点扩散函数效应影响,所提出的方法展示出最佳性能表现,例如在美国华盛顿特区数据集实验结果的总体精度分别达到77.63%和Kappa系数达到0.7263。

基于点扩散函数的图像学高分辨率技术

常规基于一维假设的高分辨率处理技术如反褶积、反Q滤波方法等,针对水平构造或者小倾角构造有较好的处理效果,但在面向高陡构造或者断裂等复杂构造时处理效果不佳。而偏移成像结果可以看作是点扩散函数(PSF)与真实反射系数褶积的结果,高维空间条件下的高分辨率处理技术实际上是此正演问题的一个反问题,即基于成像结果进行反射系数反演。为此,提出了一种基于点扩散函数的高分辨率处理技术,首先基于点扩散函数的计算原理,推导出了基于高频近似条件下的快速求解算法,并在高维空间褶积理论的指导下结合图像学反演算法研发了纯数据驱动的点扩散函数提取技术,最后采用高维空间反褶积算法求得高分辨率成像结果,实现地震频带的有效拓宽和成像分辨率的提升。模型数据和实际数据测试结果表明,该算法可在不损失低频的前提下有效扩宽高频,且具有在计算效率与常规高分辨率算法基本相当的条件下有效提高不同展布方位地质体分辨率的优势。

基于射线理论点扩散函数的成像域最小二乘偏移

最小二乘偏移能够消除非规则地震采集、带限子波等因素对偏移结果造成的不良影响,提高成像分辨率和振幅保真度,但高昂的计算成本严重制约了其实用性和应用前景.本文基于射线理论格林函数和地震波走时一阶近似,提出了一种快速的点扩散函数计算方法,不但可以大幅降低点扩散函数的计算成本,还能够适应任意的空间采样以保证点扩散函数的插值精度.以此为基础,本文进一步发展了成像域最小二乘偏移方法,能够高效、灵活地实现地下反射率的迭代更新,并最终获得分辨率更高、照明更加均衡的反演成像结果.文中给出的模型和实际数据的测试结果验证了上述方法的正确性和有效性.

熔融共混一步法制备具有优异水氧阻隔性能的苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物量子点扩散板

为了同时增强苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物(SMMA)的光扩散性能和水氧阻隔性能,首次将阻隔性能优异的乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)作为光扩散粒子,通过简单的熔融共混法制备了不同EVOH含量的SMMA/EVOH复合材料。采用扫描电子显微镜、透光率雾度仪、气体渗透仪、水蒸气透过率测试仪等详细研究了复合材料的微观结构、光扩散性能、水氧阻隔性能、力学性能以及量子点荧光强度的变化。研究结果表明,EVOH与SMMA不完全相容,质量分数40%以下的EVOH在SMMA体系中以球形分散相形式存在,可将雾度从纯SMMA的0.3%提高至80%以上,起到光散射粒子的作用,透光率依然保持在60%以上;随着EVOH含量增加,复合材料的拉伸力学性能呈现先增加后降低的趋势,但水氧阻隔性能逐渐提高。将量子点加入阻隔扩散板中,能够有效延长量子点的荧光寿命,具有较强的应用价值。

点扩散函数深度域反演

当前地震勘探领域缺乏深度域反演的有效方法,无法直接利用深度偏移后的地震数据进行储层预测。为解决这一问题,本研究采用基于点扩散函数的深度域反演方法对深度域地震数据进行反演,该方法借鉴光学领域的点扩散函数的概念,在偏移速度场中加入均匀分布的点散射体,然后使用波动方程有限差分的方法进行正演模拟,在此基础上进行叠前声波波动方程逆时偏移,得到点扩散函数。并且本研究依据最小二乘理论推导了点扩散函数深度域声波阻抗反演的公式,最后使用该反演方法在Marmousi模型和实际的地震资料上进行了测试。反演测试结果表明:该深度域反演方法反演结果精度高,稳定性好。

一种用曲轴轨迹确定轴外点扩散分布的方法

根据曲轴宽电子束聚焦理论,研究了一种用曲轴轨迹确定轴外点扩散分布的方法。这种新方法可在保持与传统方法相同的精度条件下,减小电子光学传递函数的计算量,提高计算速度,对大物面成象系统的计算具有实际意义。

运动模糊图像点扩散函数尺度鉴别

运动模糊图像的运动模糊方向被高精度地鉴别出来后,将之旋转到水平轴,则二维问题可简化为一维问题来处理。将旋转后的模糊图像在水平方向上进行一阶微分,然后在水平方向上求微分图像的自相关,并将自相关图像的各列加起来,得到一条鉴别曲线,在鉴别曲线上的零频尖峰两侧,会对称地出现一对共轭的负相关峰,两负相关峰间的距离等于运动模糊点扩散函数尺度的两倍。这一新的运动模糊点扩散函数尺度鉴别方法,不仅适用于匀速运动模糊尺度鉴别,也适用于振动、加速运动等变速直线运动的模糊尺度鉴别,而且具有很强的抗噪声干扰能力,鉴别精度高。文中借用信息光学中用于目标识别的光学联合变换相关器JTC概念,给出了该新鉴别方法的解析理论分析。

点扩散函数高斯拟合估计与遥感图像恢复

为了减轻或消除航天遥感相机成像过程中图像退化造成的模糊,突出图像的特征目标,对获取的图像进行了恢复处理。首先,采用陷波滤波器在频率域对遥感图像进行了去噪预处理。然后,通过图像中具有刀刃边缘的地物估计成像系统的退化函数,即点扩散函数;同时,利用高斯拟合对估计的点扩散函数进行校正。最后,利用拟合后的点扩散函数,采用自适应维纳滤波对图像进行恢复。实验结果表明:陷波滤波器基本消除了图像中叠加的条带噪声。与原图相比,细节图像恢复后其方差增大4.395,灰度平均梯度增大1.799,Laplacian梯度增大10.014,图像目视效果更清晰。高斯拟合的点扩散函数用于遥感图像恢复,减轻了图像模糊,使图像细节突出,纹理清晰,利于图像的判读和分析。

基于系统辨识的显微镜点扩散参数提取方法及应用

该文提出了基于系统辨识的显微镜点扩散参数提取方法 ;在此方法基础上设计并完成了标定试验 ,建立了显微镜点扩散参数和被观察物体Z坐标之间的映射关系 ;作为其应用 ,实现了一个具有显微图像效果的微操作拟实环境 ,当拟实环境中虚拟微操作工具Z坐标发生改变时 ,显微图像中虚拟微操作工具的像的模糊度随之发生变化 ;人眼观测表明 ,它与实际显微图像的微操作工具的模糊程度变化符合得很好 ;整个系统表现出高精度和很好的实时性 .

基于点扩散函数的黏声介质反演成像

从弹性波基本方程出发,分析了地震波吸收与衰减补偿物理机制和黏声介质中应力-应变关系,得到了衰减与补偿统一表达的黏声介质传播方程。采用交错网格有限差分和最佳匹配层吸收边界条件来模拟这一方程,实现了黏声介质地震波场吸收与补偿的格林函数计算。凹陷速度模型测试结果表明,该方法能有效补偿吸收衰减振幅。从Hessian核函数的数学物理特征出发,对比分析了声波点扩散函数(PSF)和黏声波点扩散函数,结果表明,吸收衰减效应显著降低了照明振幅强度,带吸收衰减的PSF明显比声介质PSF能量低,在深层这种能量损耗更为强烈;吸收衰减效应改变了观测系统对地下的照明图样。进行了面向目标体的PSF分解和求逆,并将求得的逆算子直接作用于成像结果。盐丘模型测试结果表明,在盐丘周围,吸收衰减效应显著降低了成像分辨能力,精确的逆PSF能够有效提高反演成像结果的分辨率。

基于点扩散函数的小目标辐射测量

提出了一种基于点扩散函数(PSF)精确测量尺寸很小或者距离很远的一类小目标的红外辐射特性的方法。该方法在已知目标几何形状的前提下,采用倾斜刃边法测得光学系统的点扩散函数;对目标成像和探测器焦平面阵列采样过程进行建模,得到目标在探测器上成像的模拟图像;通过对红外系统捕获的模拟图像与真实图像进行匹配获得最优化估计的目标亮度、尺寸以及中心位置。最后,通过实验对该方法进行了验证。结果显示:圆形目标温度为70℃,理想几何成像直径大于4个像元时,测得的辐射亮度最大误差为2.35%;目标尺寸(面积)最大误差为1.89%。该方法可用于获取目标和背景辐射特性,测试红外成像系统性能,完成图像复原和小目标定位等。

点扩散函数的改进倾斜刃边重建的高精度估计

基于现有刃边法提出了一种不受刃边倾角限制的点扩散函数高精度估计算法,通过改进刃边拟合、样本去噪与防走样重采样优化边缘扩散函数重建过程,并采用高斯函数拟合点扩散函数得到高精度PSF估值。试验表明,相较于现有刃边法,本文方法的估计精度与稳定性有显著提高。

改进的奇异值分解法估计图像点扩散函数

为了提高图像复原算法的性能,提出了一种改进的奇异值分解法估计图像的点扩散函数。从图像的退化离散模型出发,对图像进行逐层分块奇异值分解,并自动选取奇异值重组阶数以减少噪声对估计的影响。利用理想图像奇异值向量平均能谱指数模型,估计点扩散函数奇异值向量的频谱,再反傅里叶变换得到其时域结果。实验结果表明,该方法能在不同信噪比情况下估计成像系统的点扩散函数,估计结果比原有估计方法有所提高,有望为图像复原算法的预处理提供一种有效的手段。

点扩散函数法对近视患者准分子激光角膜原位磨镶术后早期视觉质量的评价

背景目前对屈光手术后视觉功能的评价研究主要是对比敏感度的研究，但易受患者主观因素的影响。点扩散函数（PSF）分析法是一种定量评价术后早期视觉质量的方法。目的研究近视患者行准分子激光角膜原位磨镶术（LASIK）后在明视和暗视两种环境下（3mm和6mm瞳孔直径）视觉系统调制传递函数（MTF）的变化，用PSF分析法评价术后早期的视觉质量。方法回顾性系列病例研究。38例72眼纳入本研究，分为低、中、高度近视组，术前等效球镜值分别为（-2．72±0．52）、（-4．89±0．80）、（-8．00±0．98）D。分别于术前，术后1周、1个月、3个月检查裸眼视力（UCVA）、最佳矫正视力（BCVA）、屈光度，PSF分析仪测量模拟明视、暗视下的MTF值。结果LASIK术前，3／11／71和6Him瞳孔直径下的MTF值差异有统计学意义（P=0．000）。术后1周、1个月、3个月，3mIn瞳孔直径下，低、中、高空间频率的MTF值与术前比较，均有明显先下降后上升的趋势；术后3个月仍未恢复到术前水平，术后各时间点MTF值与术前比较差异均有统计学意义（P〈0．05）；部分高空间频率（18．85～37．70cpd）的MTF值与术前比较，差异无统计学意义（P〉0．05）。6mm瞳孔直径下，低度近视组和中度近视组低空间频率（2．98～7．44cpd）的MTF值与术前比较明显下降，差异均有统计学意义（P〈0．05）；部分中、高空间频率（9．42～37．70cpd）的MTF值下降不明显（P〉0．05）；而高度近视组术后各时间点在所有空间频率段MTF值均下降（P〈0．05），随着时间的推移有逐渐上升的趋势，但术后3个月仍未恢复到术前。结论近视患者LASIK术后MTF值随屈光度及瞳孔直径的增加而下降，随时间的推移呈逐渐好转的趋势。PSF分析可对LASIK术后的视觉质量进行定性和定量分析，有助于准分子激光术后视觉质量的分析和手术方案的改进。

基于随机点扩散函数的多帧湍流退化图像自适应复原方法

针对湍流退化图像随机性的问题,提出了一种基于随机点扩散函数的多帧湍流退化图像自适应复原方法。首先介绍了随机点扩散函数的图像退化模型,并分析了点扩散函数随机性对图像复原造成的影响,建立了基于随机点扩散函数的多帧图像退化模型。在此基础上,建立了基于多帧退化图像的全变分复原模型,利用前向后向算子分裂法对模型进行求解,提高了算法的运算效率。然后,提出了一种新的自适应正则化参数选取方法,该方法利用全变分复原模型的目标函数计算正则化参数,当正则化参数收敛时,复原图像的峰值信噪比达到最大值,因此利用目标函数的相对差值作为自适应算法迭代终止的条件,可以获得最佳复原效果。最后通过实验分析,算法中退化图像的帧数应不大于10帧。实验结果表明:当取10帧退化图像时,AFBS算法运算时间与单帧的FBS算法相当,信噪比增益为1.4 d B。本文算法对图像噪声有明显的抑制作用,对湍流退化图像可以获得较好的复原效果。

利用拉氏算子鉴别散焦模糊图像点扩散函数

对于散焦模糊图像,通常把其散焦点扩散函数近似为圆柱形函数。若能有效地从模糊图像中鉴别出该圆柱形的半径,则等价于求出了散焦模糊点扩散函数。利用拉氏算子对散焦模糊图像进行无方向性的二阶微分,然后求微分图像的自相关,则三维显示的自相关图像上会出现一个环形槽。环形槽由数值为负的一系列相关峰连成,槽底位置连成鉴别圆。该鉴别圆以零频尖峰为圆心,直径等于作为散焦点扩散函数的圆柱形直径的两倍。通过插值求和,得到一条鉴别曲线,可以直接鉴别出其直径。这一新的鉴别方法计算量小,鉴别精度高,抗噪声能力较强。

用于全数字对焦的点扩散函数性能分析与评价

为了对用于全数字对焦的点扩散函数模型进行定量分析,提出用原始图像与处理所得图像的均方差进行性能评价的方法.点扩散函数模型分别被用于全数字对焦处理,并通过基于点扩散函数的图像恢复,完成全数字对焦的功能模块和评价模块.结果显示,高斯型点扩散函数模型具有最佳的性能,在评价指标方面优于均匀扩散模型和基于刃边响应的点扩散函数模型.高斯模型能够恢复出更接近于准确对焦的图像,而且对被成像物体没有直边特征的限制.

散焦含噪图像的点扩散函数估计与边缘检测

针对机器视觉中图像模糊的原因,采用广义高斯函数描述点扩散函数(PSF),建立边缘扩散模型,从一幅图像所含的多条边缘中提取样本,依据提出的整合准则从全部样本的估计结果中计算整幅图像的PSF,利用最优求解的概念,在最小二乘近似下实现PSF及亚像素级边缘位置的最佳估计.实验结果表明,由于获得了图像对应的PSF最佳估计,因此边缘检测具有比较高的抗噪性能,在边缘亚像素检测基础上完成的尺寸测量误差小于0.5%.