基于边缘约束与范数比值的图像盲复原

针对现有的研究方法对运动所引起的模糊图像进行复原时效果欠佳的问题,提出一种基于边缘约束与范数比值的图像盲复原算法.该算法首先对退化图像的边缘进行约束,得到图像的强边缘结构,提高了点扩散函数估计的准确率;然后对要估计的清晰图像构造范数比值的稀疏惩罚约束项,并将得到的强边缘信息与构造的范数比值惩罚约束项进行结合用于指引点扩散函数的复原;在对点扩散函数进行复原时,由粗到细多尺度交替迭代估计点扩散函数,使得迭代出的最大尺度更加精确;最后对图像进行非盲解卷积求解,使其复原.该算法将退化图像的边缘信息与构造的范数比值惩罚约束项进行结合指导点扩散函数的复原,可以抑制图像在复原过程中产生的大量伪迹.实验结果表明,该算法对恢复图像边缘细节具有很好的效果,可以得到优质的复原图像.

类THAAD导引头气动光学效应计算研究

针对类美国末段高空域防御(Terminal High Altitude Area Defense,THAAD)系统的红外导引头外形,开展了气动光学效应计算分析,并将其用于飞行器设计。利用国家数值风洞工程高速流场计算软件NNW-HyFLOW,考虑热化学非平衡效应和材料传热耦合效应,对导引头典型状态的流场进行了模拟,获得了流场的密度、温度、压力等参数和窗口的温度场参数。基于流场参数,利用HyFLOW气动光学传输效应计算功能,开展了红外光学传输成像计算;利用HyFLOW气动光学辐射效应计算模块,开展了流场和光学窗口的热辐射计算。计算结果表明,类THAAD导引头在30 km以上飞行时,流场和光学窗口基本不会影响目标信号的光学传输成像,但流场和窗口的热辐射效应会对导引头识别目标造成影响。不过随着飞行高度的升高,这种影响会减小。

基于谱分析的红外成像模糊去除算法研究

针对红外成像中出现的像差和运动模糊问题,提出了一种基于谱分析的红外成像模糊去除算法。该方法通过对模糊问题的分析,利用红外图像频谱信息构建了模糊函数估计方法,通过数据拟合项和正则项的优化,实现红外图像的模糊去除。实验在运动模糊图像数据集和静态像差图像上进行测试,结果表明:在数据集模糊去除实验上,相比之前的方法,本文方法峰值信噪比(PSNR,peak signal-to-noise ratio)提升了2.01 dB,结果相似性(SSIM,structural similarity index)提升了0.06;静态像差图像在实验室条件下通过短波红外探测器采集,算法在主观上有较明显的复原效果,且针对高通量光学系统成像复原效果更为显著。

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。

新一代帕洛马天文台光谱仪的虚拟刀口欠采样像质测量方法

天文光谱仪的成像质量可用点扩散函数或线扩散函数来表征,但其相对于光谱仪探测器通常为欠采样,很难直接测量。在新一代帕洛马天文台光谱仪的像质测试中引入虚拟刀口法进行光源物面扫描,并应用虚拟刀口法开展欠采样光谱仪像质及光源尺度测量,通过模拟和实验研究,对比分析过采样经典直边刀口法和过采样直接测量方法,验证了虚拟刀口法具有良好的测量精度。在693 nm处,直边刀口法测得光谱仪过采样线扩散函数的半高全宽为7.05μm,虚拟刀口法测量欠采样线扩散函数的半高全宽为7.14μm,测量误差为1.3%。在0.3"视场的光源尺度下,虚拟刀口法测得689、693、701 nm欠采样线扩散函数的半高全宽分别为24.2、27.7、30.8μm,以过采样直接测量结果为参考,其测量准确度分别为98.3%,93.9%和88.8%。实验结果表明,探测器成像严重欠采样时,采用光源物面扫描的虚拟刀口法可准确测量光谱仪的成像质量,该方法结合色散系数还可实现光谱仪分辨率的测量,相关研究工作可为天文光谱仪像质的直接测量提供借鉴。

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.

深度域保真与高分辨期望成像子波

地震分辨率在地震数据采集、地震波成像处理和地震地质解释各阶段都具有非常重要的指导性意义。以地震子波主频、优势频带甚至倍频程为标志的地震分辨率描述方法已经不能满足当前及今后以岩性储层描述为目标的地震勘探需求,需要给地震分辨率赋予新的内涵。根据地震波反演成像理论,指出决定成像结果分辨能力的是Hessian算子(或成像子波),而决定Hessian算子的因素包括激发和接收地震子波、采集孔径(宽方位和长偏移距)、偏移速度场和偏移算子。认为成像子波完整的振幅谱形态决定了它的分辨能力。从成像分辨率定义切入,讨论了地震分辨率的内涵及其影响因素,将地震分辨能力归结为成像剖面上成像子波的分辨能力,进一步分析认为拥有低中频占优的宽带振幅谱的成像子波具有更强的分辨能力。根据深度域保真与高分辨成像子波的物理含义及给定目标层位保真分辨的需求,提出了期望成像子波的概念,给出了当前成像子波的旁瓣不畸变相邻地层反射子波的主瓣幅值是保真分辨的定义,保真分辨是高精度宽带弹性参数(宽带波阻抗)重构的必要条件。上述与成像分辨率相关的新概念对以宽方位、宽频带、高密度和高信噪比地震数据采集技术+FWI反演成像技术为代表的新时期的实际地震数据的采集、成像处理和地震地质解释具有更明确的指导意义。

基于多位移光谱遥感图像的空间引力模型亚像元定位

目前基于多位移光谱遥感图像的亚像元定位方法通常很少考虑点扩散函数效应影响,本文提出了一种基于多位移光谱遥感图像的空间引力模型亚像元定位方法。为了生成粗糙丰度图像,首先对多个多位移光谱遥感图像进行解混;在点扩散函数效应被考虑的前提下,对粗糙丰度图像实施面积到点的克里插值处理,然后通过理想方波滤波进行滤波,最终获得改进后的粗糙丰度图像;利用空间引力模型对改进后的粗糙丰度图像进行上采样,从而得到上采样丰度图像,再对上采样丰度图像执行整合处理,以生成精细丰度图像;在完成上述所有图像处理步骤后,最终通过应用类别分配方法,将类别标签分发给各个亚像元,以此获得精确的定位结果。在2组实验数据集上的实验结果表明:本文提出的方法比现有的亚像元定位方法获得了更好的定位效果。

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。

基于动态规划旅行时场的海森矩阵计算方法及其应用

地震波反演成像是经典偏移成像在最小二乘反演框架下的延伸,其核心在于消除偏移成像系统中海森矩阵的影响,得到更高分辨率的成像结果。海森矩阵规模巨大,对其的高效计算可有力推动地震波反演成像方法的进步。本文首先从一次反射波的偏移和反演成像的对比出发,推导出海森矩阵的表达及其简化形式,通过分析表达式,指出旅行时场是海森矩阵计算的关键问题。接着,提出利用点扩散函数(PSF,Point Spread Function)来近似表达海森矩阵,并引入动态规划旅行时计算,获取了旅行时场表征的PSF,从而实现对一阶海森矩阵的高效表达,并分析计算所得的PSF性态,对比计算效率。最后,基于传统偏移成像结果,利用计算得到的PSF进行了成像校正,对计算得到的近似海森矩阵的有效性进行了测试和应用。数值实验表明,基于动态规划旅行时场可以高效稳定地计算近似海森矩阵。通过对比海森矩阵分辨率校正前后的成像结果,验证了本文发展的高效近似海森矩阵计算方法的有效性和应用潜力。

近距三维成像稀疏MIMO阵列设计

针对MIMO阵列雷达在近场条件下的成像应用,围绕稀疏阵列的设计方法展开研究。从雷达近距离成像模型开始,推导了基于后向投影(back projection,BP)成像算法的稀疏MIMO阵列设计数学模型,在此基础上给出了以点扩展函数(point spread function,PSF)为准则的阵列设计方法,同时分析了阵列的旁瓣抑制性能。最后,给出了两种稀疏MIMO阵列,同时进行多目标成像验证。从仿真结果可知,设计的稀疏MIMO阵列能够满足近距三维成像的需求,为下一步的实际应用奠定了基础。

液体燃料表面脉动火焰蔓延机理数值研究

针对液体表面火焰蔓延提出了一种基于气液两相耦合的三维数值模拟模型,并针对低于闪点温度的液体燃料表面脉动火焰蔓延机理进行了数值研究。本文提出的数值方法成功捕捉到脉动火焰蔓延现象,预测的火焰蔓延脉动频率及传播速率与实验值吻合良好。本研究表明:火焰前锋后方存在显著横向对流流动,促进从慢速蔓延向快速蔓延的转变;气液两相中的回流区是成对出现的,即使在快速蔓延阶段火焰前锋下方仍然存在较小的气相回流区;火焰前锋前方的表面对流流动强度不是始终单调衰减的,在慢速蔓延阶段存在“双峰流动”特征;火焰前锋前方的液面温度是单调下降的,不存在温度“波谷”,温度“波谷”的发现是存在薄热边界层和实验手段无法分辨薄边界层中的温度梯度导致的。

基于PSF的太赫兹图像分辨率增强算法

近年来,太赫兹成像技术在多个领域具有广阔的应用。一套完整的太赫兹成像系统的数学模型是非常有必要的。基于点扩散函数的太赫兹图像增强模型是很好的选择。该方法将目标函数与点扩散函数进行褶积,实现了太赫兹图像的模拟传输。然后根据光学成像的过程,计算成像系统的点扩散函数。最后,基于点扩散函数对图像进行反褶积增强。该模型用于探测图像增强的结果表明,该方法有效地提高了图像的分辨率。恢复的映像包含更多细节。

飞行时间、点扩散函数和高斯滤波对18F-FDG PET/CT肺结节SUV和SNR的影响

目的:探讨飞行时间(TOF)、点扩展函数(PSF)和高斯滤波(GF)对肺结节的标准化摄取值(SUV)和信噪比(SNR)的影响,为肺结节患者提供最佳的PET重建算法.方法:回顾性分析2020年12月至2022年3月在安徽医科大学第一附属医院行全身18F-FDGPET/CT检查的38例肺结节患者的PET/CT图像.采用滤波反投影(FBP)、有序子集最大期望值(OSEM)、OSEM+TOF、OSEM+PSF、OSEM+TOF+PSF和OSEM+TOF+PSF+GF[GF的半高宽(FWHM)分别为2、4、6、8和10 mm]重建算法进行图像重建,通过视觉评估PET图像质量和半定量方法分析肺结节的SNR和SUV.分别采用Holm-Sidak检验和Friedman检验分析不同重建算法间SUV和SNR的差异.结果:相比于FBP组,OSEM+TOF+PSF组SUVmax、SUVpeak、SUVmean 和 SNR 分别提高 8.02%(P>0.05)、10.72%(P<0.000 1)、19.05%(P<0.000 1)和 688.89%(P<0.000 1);相比于OSEM组,OSEM+TOF+PSF组SUVmax、SUVpeak、SUVmean和SNR分别提高 13.89%、25.60%、38.56%和 101.07%(均P<0.01);相比于OSEM+TOF组,OSEM+TOF+PSF组SUVpeak、SUVmean和SNR分别提高8.42%、12.76%和67.98%(均P<0.000 1),SUVmax降低2.76%(P>0.05);相比于OSEM+PSF组,OSEM+TOF+PSF组 SUVmax、SUVpeak、SUVmean 和 SNR分别提高 28.17%、19.19%、33.83%和12.15%(均 P<0.01).与 OSEM+TOF+PSF 组相比,OSEM+TOF+PSF+GF(2 mm FWHM)组 SUVmax、SUVpeak和SUVmean分别降低 12.12%、52.05%和9.24%,SNR提高3.42%(均P<0.05);OSEM+TOF+PSF+GF(4 mm FWHM)组 SUVmax、SUVpeak 和 SUVmean 分别降低 56.67%、69.79%和 34.75%,SNR 提高10.10%(均P<0.05);OSEM+TOF+PSF+GF(6 mm FWHM)组SUVmax、SUVpeak、SUVmean和SNR分别降低 115.91%、99.10%、73.63%和 1.75%(均P<0.05);OSEM+TOF+PSF+GF(8 mm FWHM)组 SUVmax、SUVpeak、SUVmean 和 SNR 分别降低 198.38%、140.65%、126.04%和 18.68%(均P<0.05);OSEM+TOF+PSF+GF(10 mm FWHM)组 SUVmax、SUVpeak、SUVmean和 SNR分别降低 311.94%、198.99%、201.85%和60.47%(均P<0.05).2名医师对FBP、OSEM、OSEM+TOF、OSEM+PSF和OSEM+TOF+PSF重建算法肺结节PET图像视觉评分优秀率均值分别为0、11.63%、25.58%、18.60%和50.00%;OSEM+TOF+PSF+GF(GF的FWHM分别为2、4、6、8和10mm)重建算法肺结节PET图像视觉评分优秀率均值分别为51.16%、54.65%、54.65%、33.72%和 10.47%.结论:在所有重建算法中,OSEM+TOF+PSF+GF(4 mm FWHM)重建算法可以获得最佳的肺结节PET图像视觉评分和SNR,但降低了肺结节的SUV.

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.

高速飞行条件下长曝光图像复原方法

在大气层、临界层中高速飞行的飞行器其周边的光学成像环境复杂,准确求解点扩散函数并抑制噪声是图像复原的两个重点。针对目前复原算法存在抗噪性能差、先验信息利用不足等问题,本文提出高速飞行条件下长曝光图像的图像复原方法。首先构造多尺度多方向形态学滤波器对图像进行去噪预处理;引入小波变换将小波的多分辨率特征与图像复原相结合,进一步抑制残留噪声并加快运算速度;采用结合最大类间方差法的Radon变换计算运动模糊点扩散函数;最后构造多直线拟合模型,提出基于图像梯度的对称频谱估计,自适应重建清晰图像频谱。实验表明,本文算法可使用单幅长曝光图像完成有效去噪和去模糊,满足实时复原场景,PSNR和SSIM评价指标数值有效提升。

彩色线阵相机色彩复原及在棉花异纤分检中的应用

在工业检测应用中,针对相机或镜头组成的成像系统中多线相机(棱镜分光),结合实际应用提出了一种消除色散的图像复原方法。在分析了点扩散函数、色散成因的基础上,设计一图像复原卷积核,卷积核中的先验参数通过标定的方式获取。异纤分检设备的应用结果表明:此方法在提升图像色彩、边缘锐度,对浅色和细小物体识别率提升60%以上,为提升工业检测应用的精度和可靠性创造了条件。

基于多旋涡湍流模型的红外退化图像仿真

大气湍流效应会导致红外成像降质,为了有效模拟复杂湍流场引起的红外图像模糊现象,本文综合考虑湍流场中旋涡尺度、强度、数量和旋涡随机偏移等因素,提出一种基于改进类高斯点扩展函数的多旋涡湍流模型,对红外图像进行退化仿真;为了定量评估仿真图像的模糊程度,利用模糊图像中心像素向周围扩散的特点,提出基于相邻像素-锐度的图像降质模糊度评估方法。实验结果表明:所提出的退化模型具有图像质量变化平稳、模型参数细致、仿真可控性强等特点,并且所提出的评估方法能准确地反映图像的降质模糊度。

水声射线传播的黎曼几何建模·基础理论

水声建模一般采用外嵌描述,即以欧氏空间固定坐标系等要素刻画水声信道.黎曼几何是弯曲空间上的内蕴几何学,更能反映流形的本质性质.水声学高斯波束模型借鉴自地震学,可有效避免传统射线追踪的弊端,在以Bellhop为代表的水声模型中得到广泛应用,是水声射线建模与应用的主流方法之一.传统水声射线建模的欧氏空间底流形假设,难以有效刻画高斯波束的弯曲特性.本文通过建立水声射线传播的黎曼几何基本理论,得到程函方程、动态射线方程及高斯波束模型的黎曼几何内蕴形式,分析了水声射线几何拓扑性质,指出水声射线模型中的焦散点等价于黎曼几何中的共轭点,高斯波束几何扩展是测地线沿雅可比场的偏离,波束声线会聚体现为声场正截面曲率作用下偏离的测地线在共轭点的交汇.为验证理论正确性与适用性,本文以水平分层距离相关环境为例,给出特定环境和坐标系下应用前序理论建模的具体方法.3个典型水声传播算例的仿真对比分析,表明水声传播黎曼几何理论模型是准确有效的,相比Bellhop模型所采用的计算方法,具有更为清晰的数学物理含义.本文基础理论可方便推广至曲面、三维各向异性等情形,为后续在三维弯曲球体流形、四维时变伪黎曼流形等声传播环境下的黎曼几何射线建模研究奠定了理论基础.