基于造影图像的能量场反投影合成冠脉三维重建

基于造影图像的血管三维重建技术对于心血管疾病的计算机辅助诊断具有重要的临床实用价值.本文针对两幅单平面冠脉造影图像,提出了一种能量场反投影合成冠脉三维重建方法.深入研究了X射线造影成像原理和非封闭参数曲线构建方法,基于透视投影模型将两幅造影图像中形变曲线所受的外部驱动能量场反投影到三维空间中实现合成.在外部形变驱动力和内部平滑力的共同作用下,三维参数曲线不断形变向合成能量场最小的方向演化.为获得高精度的重建结果,通过曲线匹配方法实现参数曲线上点对点的稠密匹配,然后使用集束调整方法实现投影参数和血管三维结构的非线性全局优化.为了验证算法的有效性,我们将本文提出的方法在仿真数据和真实造影图像上进行了一系列实验;同时对具有不同造影成像角度差的图像进行了重建精度比较.实验结果表明本文提出的方法非常有效和鲁棒,重建冠脉血管树在三维空间中的均方误差小于0.80mm.     

基于光学衍射的纳米尺度深度重建

传统的离焦深度恢复方法（depth from defocus,DFD）在计算离焦图像的模糊程度时,均是基于几何光学成像原理,并没有考虑光波衍射对图像模糊的影响.然而,衍射现象是波的基本特性,以针孔成像为基础的光学成像系统中必然存在光波衍射.本文基于光学衍射和图像模糊机理,提出了一种精确的单目视觉全局景物3D深度信息获取方法.首先,详细分析了光学成像系统中的菲涅耳衍射机理,建立了衍射模糊与景物深度之间的关系曲线;然后,采用曲线拟合的方式建立了衍射模糊的模糊程度（点扩散函数扩散程度）与景物深度的数学关系模型,结合热辐射和图像相对模糊原理,构建了衍射模糊热辐射方程组,并把衍射模糊深度获取问题转换成一个深度信息动态优化问题.最后,使用标准的纳米栅格模板验证了衍射模糊深度重建算法在纳米尺度相对深度和绝对深度重建中的有效性和精确性.     

基于光学扩散的景物3D形貌重建

基于光学扩散的景物3D重建方法具有小透镜下深度恢复精度高、重建深度范围广、只需要一台摄像机、不需要调整相机参数或者改变相机和景物之间距离等优势.但是目前并没有一种描述光学扩散中深度变化和扩散能量分布之间关系的严谨数学模型.本文引入了物理学中的热量辐射方程,建立了光扩散过程中的连续能量分布模型,并提出了一种基于光扩散的精确单目视觉全局景物3D深度信息获取方法.首先,详细分析了物理学中热辐射机理,建立了用来描述光扩散成像过程中的连续能量分布模型;然后,结合光扩散引起的图像模糊(点扩散函数扩散程度)与景物深度之间的数学关系,提出了一种基于光学扩散的景物3D形貌重建方法.最后,使用合成图像和真实图像分别验证了本文算法在3D重建中的有效性和精确性.     

微波成像谱变形旁瓣抑制方法

由于微波成像系统获取的二维空间频谱通常是有限支撑区分布的,成像时存在高旁瓣问题,需要进行旁瓣抑制以得到高质量图像.以探寻微波成像中的旁瓣抑制新方法为目的,论文首先介绍了Fourier成像技术的基本原理,而后推导了谱域矩形支撑区下的点扩展函数.探讨了频谱支撑区变形与图像旁瓣走向变化的关系,基于谱变形产生旁瓣走向差异信息以实现主旁瓣相互分离的思想,提出了一种不展宽主瓣同时又可以有效抑制旁瓣的全新方法,并对其性能进行了详尽分析.最后通过典型微波成像系统(合成孔径雷达、逆合成孔径雷达及实孔径雷达)的仿真与实测数据处理完成了文中所提方法的基本效能评估.     

金属合金枝晶生长同步辐射X射线实时成像观察

同步辐射光源具有高能量、高亮度、高分辨率、单色性好等优点,其配合高读写速度及高分辨率的CCD(charge coupled device)成像系统,可实现对金属合金凝固过程的枝晶生长动态行为进行实时成像观察.本研究利用北京同步辐射光源,采用X射线衍射增强成像法,对低熔点的Sn-Bi和Sn-Pb合金的凝固进程进行实时成像研究,成功地获得一系列丰富的等轴晶、柱状晶生长行为以及形貌演变的视频图像,这些成像结果为验证或完善已有的金属合金凝固理论提供了直接的第一手实验数据.同步辐射X射线实时成像技术为研究金属合金凝固理论提供了崭新的实验手段和研究思路.     

嫦娥一号月面成像的高次函数形变模型匹配及超分辨率重建

分析了起伏地形在星载三线阵像机不同传感器上成像的形变模式. 针对嫦娥一号探月卫星2C级月面成像, 提出了在运动方向上用二次函数表示图像形变的线阵立体像机图像匹配方法. 用该匹配方法与标准相关方法相结合完成了嫦娥一号卫星成像的下视图与前视图、后视图的精确配准, 基于非均匀样本小波插值的超分辨率重建算法实现了嫦娥一号卫星月面图像的超分辨率重建, 增加了图像的可识别目标, 充分挖掘了嫦娥一号卫星的图像信息.     

超低分辨率人脸图像高速重建方法

文中采用软硬件相结合的方法,实现了一种基于学习的超低分辨率人脸图像的高速重建系统.硬件系统的工作频率为60MHz,采用了FPGA组成并行处理单元,采用多内存形成并行数据,高速实现了计算复杂度高的相似度计算、相似度排序,从而解决了基于学习的超低分辨率人脸图像重建的处理速度问题.文中实现了8×6,16×12,32×24三个级别的人脸图像尺寸的重建系统,重建倍率分别为4×4倍、8×8倍、16×16倍,取得了好的视觉效果和低的RMS误差率,在速度上与C相比,最大可达到7900多倍的加速比,在保证重建质量的同时在处理速度上也有显著的提高.     

玉兔2号月球车大间距导航成像的空间分辨率建模分析

玉兔2号月球车在月面巡视探测中,因斜坡凹坑众多使得行驶滑移严重.导航点的精确定位是路径规划的前提,也是月球车安全行驶的保障.玉兔2号月球车月面行进采用大间距行进模式,相邻导航点之间大多相距7 m以上,使得前后站图像的缩放尺度差异较大,如何从前后站序列成像中选出最优配对图像以实现特征匹配与定位解算的全自动是导航点定位的关键.本文在分析站点距离和成像倾角对图像重叠度、重叠区尺度变换等因素影响的基础上,提出并建立了图像像素的空间分辨率(单个像素对应月面区域的尺寸)与摄影光线长度和观测面法线方向角的关系模型,给出了不同站点距离和成像距离条件下图像重叠与缩放的定量关系,设计了站点距离、最优配对图像和匹配可行性的计算策略,从根本上确立了站点距离与成像距离对导航点定位的影响关系.结合嫦娥四号任务数据,对上述模型和分析的有效性进行验证,确立了上述方法对工程任务的指导意义.     

基于热吸收分布的热声成像方法研究

注入电流式热声成像是一种电磁场与声场耦合新型成像技术,融合了传统电阻抗成像高对比度和超声成像高分辨率的优势,具有早期诊断的潜力.为了验证该方法在复杂生物组织结构中应用的可行性,本文分析了注入电流式热声成像方法基本理论,将脉冲激励电流注入目标体,在目标体中产生焦耳热,引起热膨胀激发超声波;将热吸收作为热声源,以低电导率的椭圆和长方形目标体为几何模型,进行电磁场和声场耦合分析,得到声源及声压分布;同时,搭建了成像系统实验平台,分别采用不同厚度猪骨质和模拟生物软组织的1 S/m低电导率仿体、新鲜猪肝离体组织嵌入0.5 S/m仿体,将脉宽0.8μs的脉冲激励电流源注入仿体,开展热声实验研究.采用1 MHz中心频率的超声换能器进行声压信号的检测,得到目标体的声压信号及猪肝仿体的B扫图像.研究结果表明:较薄较软的骨头遮挡实验所检测到的声压信号并无明显衰减,尽管硬骨对声信号起到了一定的衰减作用,但依然可以得到较清晰的声压信号,且声压波形均可反映凝胶仿体电导率变化的位置;猪肝仿体实验结果验证了该方法可反映低电导率生物组织电导率变化.该研究证实了该方法用于复杂生物组织成像的可行性,为推动多物理场耦合成像技术应用于人体疾病诊断提供了依据.     

SIMO线阵列雷达对三维复杂目标电磁散射的仿真与立体重构

提出单输入多输出（SIMO,single input and multiple output）频率步进线阵列下视雷达对一复杂电大三维体目标的电磁散射数值模拟、成像、及其几何特征重构.下视聚束模式的线阵列频率步进雷达SIMO运动合成二维平面孔径,获取包含幅度与相位的散射矩阵;用双向射线解析跟踪方法（BART,bidirectional analytic ray tracing method）,数值模拟计算双站极化散射矩阵.通过距离徙动算法（RMA,range migration algorithm）获得三维分辨图像,实现三维目标几何特征的重构.计算个例给出了粗糙地面上坦克目标模型的散射、成像与重构.同时,又采用FEKO软件的物理光学（PO,physical optics）计算简单体目标散射场及其成像重构作为验证与比较,论证了本理论方法可行与准确高效的良好性能.     

多视观测下雷达转台目标成像的关键参数估计

转台目标模型是逆合成孔径雷达等高分辨率雷达成像系统的基本模型,联合利用多视角观测数据可有效提高转台目标的成像分辨率.针对目标转速、多观测视角差等先验条件未知的转台目标观测情形,文中提出一种基于距离多普勒图像域散射中心位置提取的目标转速、等效旋转中心及各次观测视角差的顺序估计方法.进而,结合卷积逆投影(CBP)算法,形成雷达转台目标高分辨率融合成像的完整方案,取得了优于单视角观测的成像分辨率.同时,分析了参数估计方法的性能及影响性能的若干因素,并通过Monte Carlo仿真验证了性能分析结果.最后,数值实验结果进一步验证了所提供参数估计方法的有效性.     

Bulk-Micromegas快中子成像转换层的Geant4优化

基于Bulk-Micromegas探测器的快中子成像实验中,中子转换质子的转换层效率低是一个瓶颈.利用基于Geant4工具包的蒙特卡洛模拟程序并使用ROOT工具对不同中子源(Am-Be源和14MeV中子源)以及不同转换层结构和厚度对转换效率的影响进行了模拟,得到了转换率达到饱和时反冲质子的能量角度分部信息.结果表明,常规聚乙烯转换膜在转换层厚度为400和1600μm时,对Am-Be源和14MeV中子源的探测效率分别达到饱和,其效率分别为0.12%和0.35%.其次设计了3种新的转换层结构,模拟了转换率以及在气体间隙中的能量沉积.新转换膜的转换效率要明显优于传统转换层的转换效率.最高转换率达到常规转换膜的3倍.     

注入电流式热声成像的声源重建

为了实现对生物组织的内部深层信息的探测,本文提出了一种新型的无损医学成像方法,即注入电流式热声成像.注入电流式热声成像是一种以超声信号为传递媒介来反映生物组织电导率信息的医学成像方法.首先,本研究对注入电流式热声成像方法的原理进行了研究,将目标体内通入微秒级脉宽的高斯脉冲电流,目标体吸收焦耳热瞬时膨胀,向外发出超声信号,利用时间反演法对探测的超声信号进行处理,来重建目标体的声源分布,进而反映生物组织内部电导率信息;其次,以低电导率的椭圆模型和复杂模型为目标体,建立了仿真研究,借助有限元方法对注入电流式热声成像正、逆问题进行仿真,并重建模型的热声图像;最后,本文搭建了注入电流式热声成像实验装置,对凝胶仿体产生的声信号进行检测和采集,并重建目标体的声源分布.仿真和实验结果表明,重建的声源分布能展现目标体电导率的分布信息.本研究为注入电流式热声成像应用于生物组织的研究提供了较好的理论和实验基础.     

中子散射相机的探测效率研究

中子散射相机的探测效率直接影响其能量重建的准确性,也是其结构优化最重要的参数之一.在加速器中子源上,采用1.2, 2.5, 3.8, 5.0和14.8 MeV几个能点,对8单元中子散射相机原理系统的探测效率进行了测量.针对实验值比理论值大2～3倍的问题,在理论模拟中加入了碳核发光的影响,并计算了偶然符合事件的影响.计算结果表明,对于单个闪烁体,碳核的发光在高能时不能忽略,而对于散射相机系统,碳核的发光可以忽略.偶然符合对探测效率的影响与入射中子能量有关,对于1.2 MeV中子,偶然符合计数占绝大多数.采用对实验能谱进行高斯拟合扣除了很大一部分的本底中子,将理论探测效率与实验值的偏差缩小到较小的范围内.     

异步旋转扫描式综合孔径干涉成像方法

综合孔径干涉成像技术在光学、射电天文学和微波遥感等领域都有很深的应用背景,随着应用需求的增长,其面临的一个主要障碍是系统结构过于复杂,这尤其不利于星载应用.为解决此问题,提出了一种异步旋转扫描分时采样成像方法,即采用两组子孔径阵绕同一中心以不同的转速进行异步旋转扫描.这种方式既可以得到较均匀的扫描轨迹,又可以自由灵活地实现系统复杂度和时间分辨率之间的平衡转换,从而可以在牺牲时间分辨率的情况下进一步稀疏子孔径阵列,以至于特定情况下简化到只需要两个子孔径.对异步旋转扫描的基本规律和设计方法进行了研究,并利用Gridding算法对其螺旋采样数据进行成像处理,最后针对地球同步轨道对地观测和太阳极轨射电天文观测两种潜在应用背景进行成像仿真,验证了此方法的实际可行性和有效性.     

室内距离向合成孔径激光成像的实验研究

（逆）合成孔径技术和激光技术的结合，综合了（逆）合成孔径雷达和激光雷达的优势，可以得到高分辨率的二维图像，是一个研究热点．给出了逆合成孔径激光成像雷达原理性的室内成像系统和数据处理方法．系统采用收发镜头分离的方式，可以有效的消除来自镜头和光纤断面等的干扰．数据处理中，给出了基于参考通道技术的一种频率非线性的时域补偿方法，有效的解决了可调谐激光器发射脉冲频率非线性的问题，然后结合已有的平动补偿技术和逆合成孔径成像算法，得到了逆合成孔径激光雷达成像图像．最后，实验结果证明了系统的可行性和所给处理方法的有效性．     

窄带雷达自旋目标成像

在详细分析自旋目标窄带雷达回波特性的基础上,提出基于复数后向投影算法的自旋目标成像算法,由于该算法利用旋转散射点的相位进行匹配搜索成像,因此具有较高的分辨率以及成像效率.同时,本文分析了该算法的分辨率及其对雷达脉冲重复频率(PRF)的要求.若目标转速较高而系统PRF无法满足,则根据压缩感知理论以及自旋目标ISAR数据的稀疏性特点,建立了方位欠采样条件下的成像模型,并提出基于正交匹配追踪的自旋目标成像算法.不同条件下的仿真结果验证了算法的有效性.     

基于特征点的空间目标三维位姿单目视觉确定算法

针对基于特征点的空间目标包括相对位置和相对姿态等的三维位姿单目视觉确定问题,提出了一种基于逆投影思想的迭代方法.给出了一种包含景深估计和绝对方位解算两阶段的迭代算法,在景深估计阶段首先计算由转移矩阵表示的最优平移矢量,然后重构各特征点,并利用其在逆投影线上投影更新各特征点的景深;在绝对方位解算阶段采用Umeyama绝对方位解析算法计算相对姿态矩阵,上述两阶段迭代进行直至结果收敛.利用全局性收敛性定理证明了文中算法的全局收敛性.最后,以航天器交会对接最终逼近段的视觉测量为背景对该算法进行了数学和物理仿真,进一步验证了算法的有效性和收敛性.     

基于压缩感知的宽孔径SAR成像

宽孔径SAR数据包含目标不同姿态角散射信息,实现宽孔径SAR成像对目标轮廓重构与解译识别具有重要价值.本文首先提出点模糊函数(point ambiguous function,PAF)研究影响压缩感知SAR成像的因素,然后用模型失配函数(model mismatch fucntion,MMF)分析宽孔径测量条件下点散射模型失配对成像性能的影响.最后根据上述结论,选择发射信号参数改善测量矩阵性能,利用广义似然比检验方法克服模型失配对成像性能的影响.实验结果验证了本文结论的正确性和成像算法的有效性.     

星载焦面视场拼接TDI CCD相机成像质量及处理方法分析

本文分析卫星偏航角、相机积分时间、平台稳定性、姿轨误差对焦平面线阵采用视场拼接的TDI相机地面成像的影响,包括线阵、沿轨两个方向上的错位(点上的变化)与地面扫描轨迹方向上的影像畸变(线上的变化).针对CBERS-02B HR相机的卫星影像,研究地面解决偏航角引起图像错位的数据处理方法——基于地面影像的图像配准仿射变换纠正法.根据CBERS-02B HR线阵的地面配准试验,分析出了CBERS-02B卫星星上偏航角补偿精度与误差对图像质量的影响,及影像畸变产生的原因.