聚焦型光场成像技术研究及其在形貌测量中的应用

发布时间：2020-05-07 01:48

【摘要】：光学测量是光、机、电三者高度结合的高科技。最初的光学测量仅限于对光线的控制及追迹,采集的信息量低、系统效率低下。光学成像凭借其高速、精确、非接触等特点,其在测量领域中的应用颠覆了传统的光学测量技术,为光学测量带来了革命性的飞跃,现已被广泛地应用于工业、生物、医疗、军事等领域。基于光学成像的光学测量本质上是通过成像系统采集目标的图片,并应用计算机技术在其中提取目标形貌信息的过程。因此,获取目标图像、提升采集图像质量并提高与目标的相似度是光学成像测量的关键。光学成像按照目标图像的获取方式可分为传统成像及光场/计算成像两大类。对于传统成像系统,其核心部件为镜头及面阵探测器,设计、加工、装调完成后结构很难改变,成像过程为物方场景的简单复制,信息量单一,丢失了大量有效信息。相比之下,光场成像系统并无固定结构,各部件间可互相调节,系统设计的整体思路不再是获得一个具有高分辨率的二维图像信号,而是仅采集图像理解算法需要收集的信息,实现“从二维到信息”的跨越。区别于传统成像技术,光场成像技术作为一种新兴的光学成像手段,通过对光场空域和时域参数的调控,可以有效地调制光信号的时序、相位、振幅、波前、色散等各项特性,从而获得传统成像系统无法获取的编码光场或高时空分辨率的光学图像。使用获取的高维或编码的光场信息,可以计算重构物方空间如深度、角度、轮廓等各种物理量,这必定会拓宽光学成像系统的适用场景进而更好地应用于光学测量中。然而,现有基于图像的光学测量大多基于传统成像技术,随着科学技术的不断发展,在某些物理量测量中,现有的光学测量已不能够满足人类探索未知世界的要求。且现今的科学研究往往需要在深海等极其恶劣的环境中对目标的形貌进行探测,在极暗或高浑浊度环境中传统成像技术将无法获取目标信息;此外,传统光学系统视场有限,处在视场外的目标信息将会丢失,大幅降低测量范围及精度;另外,单个传统成像系统无法实现对立体目标三维信息量的采集,需要至少两套系统相互配合,这就造成复杂程度较高,标定校准困难。针对上述问题并结合实践经验,本文系统地研究了压缩感知单像素成像技术、压缩感知计算重构、距离选通、数字重聚焦、深度面图像及焦点堆栈计算重构、深度图计算等多个关键技术,提出了一系列基于聚焦型光场成像技术的二维及三维目标重构解决方案,有效地解决了包括却不限于以上列出的传统测量技术存在的各项问题。文中的主要内容概括如下:(1)首先,针对单像素成像中计算重构这一关键性问题,提出了一种依托于压缩感知的高速、高准确度的重构方法,为之后的系统应用提供了有力的理论支撑。对于透射式及反射式二维目标成像,给出了相应的主动模式单像素成像模型,基于成像模型搭建了对应的主动式单像素探测系统,利用获取的离散采样值实现了二维目标的计算重构。在目标成功重构的基础上,详细的分析了影响系统重构质量的系统及环境因素。在系统因素方面主要探讨了单像素探测器有效像元面积、微反射镜阵列配置、采样次数及观测图样类型对系统重构质量的影响,并提出了有针对性的解决方案。对于环境因素的分析,引入了激光回波方程及介质透过率方程,通过理论和实验两个维度分析了介质浑浊度、目标距离及环境温度对系统性能的影响。在对环境因素分析的过程中发现该成像系统可在高浑浊度、宽工作温度范围下对目标进行采样探测,具有超高的噪声及温度容忍度。为进一步说明单像素光场成像技术的优势,搭建了与之对比的传统成像系统,对不同浑浊度水体中目标重构质量进行了对比。(2)其次,围绕处于非视距环境中的二维目标探测问题展开被动模式单像素成像技术的理论及系统搭建研究。考虑遮挡目标的特殊性,为抑制杂散光对整个系统的影响,设计了基于距离选通的同步控制系统,对各仪器之间的逻辑激发关系进行了详实的介绍。基于以上研究,搭建了适用于遮挡目标探测的单像素系统,利用系统采集的稀疏信号,实现了对置于视线以外二维反射式目标的探测及重构。实验中发现激光脉冲在目标表面反射时会出现比较强烈的各向异性反射,对整个系统的性能产生影响。因此,基于上一部分激光回波方程进行了进一步推导,得出了含有目标表面特性的激光回波方程,通过大量像质对比实验分析所得方程的正确性。此外,搭建了基于传统成像系统的遮挡目标探测系统并对探测结果进行比对分析。(3)最后,在两种类型二维目标不同环境中探测研究的基础上,针对目标三维信息中深度面图像获取这一关键性问题分两个部分进行研究,分别为基于透镜阵列的四维光场处理和单像素成像的目标探测。基于微透镜阵列光场成像单次采集即可获取物方空间四维光场信息的性质,结合焦点堆栈模型及切片投影定理,提出了一种滤波反向投影算法,该算法可以在短时间内高质量的通过四维光场信息获取焦点堆栈,同时对四维光场信息的视角重构进行了理论分析。在理论分析的基础上,搭建了基于微透镜阵列的光场采集系统,通过对所采集的四维光场图像进行焦点堆栈重构及视角变换,对本文提出的算法进行验证。此外,结合主动式单像素及时间飞行原理,提出了一种新型的三维目标单像素成像探测方法,建立了探测模型并搭建了实验系统对三维目标进行探测。本文以光场成像为主线,通过从二维到三维、从暴露到遮挡、从算法到实验三个维度将光场成像中的关键理论及现实应用展开了全面细致的研究,对光场成像技术的发展起到了良好的促进作用。
【图文】：

树状图,分类树,光场,成像

最成熟和应用最广泛的两项技术分别为汇聚式单像素成像及基于微透阵列的光场成像。光场中包含着海量信息，这些信息很难被直接处理，这就是压感知产生的背景，而通过使用压缩感知技术，光场成像中后期数据处理的问题可得到有效的解决。如图 1.1 所示为光场成像分类树状图。本部分将依照此树状图，分别对汇聚单像素成像、基于微透镜阵列的光场成像和压缩感知理论的国内外发展情况做入细致的梳理。含有汇聚透镜的单像素探测器成像（单像素成像

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单像素成像技术最有竞争力之处还在于这种技术拥有较大的光谱工作范围，而传统相机很难实现这一点，通常认为传统相机不能从一个带宽切换到另一个带宽。因此，若要使用传统成像系统测量多个光谱部分，需要搭配使用多个单独的镜头和相应波段的探测器阵列。此外，受制于半导体技术水平，并非所有波段都有足够分辨率的探测器阵列。而单像素成像系统能够从单个像素出发，生成完整的二维(Two dimensional, 2D)场景，将工作在不同波段的探测器集中到一个基本系统中，使得超光谱成像系统的实现成为可能。随着对单像素成像技术水平的不断提升，其成像质量必然会更接近于传统成像系统并完成超越。2006 年，美国莱斯大学的 Baraniuk 等人首次将压缩感知理论应用于光学成像域，设计并搭建了一台“单像素相机”[30]，，图 1.3 为单像素相机的结构及工作流程示意图。从图中可以看出，其核心为数字微镜器件，数字微镜器件由百万个微米量级独立控制的微反射镜构成，独立反射镜均可以绕控制轴沿正负方向旋转 12°。图 1.3 中数字微镜器件上的黑白色方格代表处于两种偏转状态的微反射镜。此类单像素相机的成像过程可以简要的描述为：第一个透镜将目标成像于 DMD 芯片上，目标图像的一部分被微反射镜阵列上反射镜微元反射，随后通过第二个汇聚透镜
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O432.2;TP391.41

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