光场成像系统仿真分析与深度标定研究

微透镜阵列的光场相机可以根据微透镜阵列与传感器之间的距离分成非聚焦(传统型)、聚焦开普勒型和聚焦伽利略型3种光场相机,使用光学仿真软件Zemax对这3种光场相机进行模拟,对得到的白板图进行微透镜中心标定以及对原始光场图片进行渲染处理,得到系统的空间分辨率(重聚焦图片分辨率)、角度分辨率(多视角数)等信息。利用重聚焦系数推导出景深、焦深的计算公式。综合考虑实际条件和测量对象,选择搭建聚焦伽利略型光场相机实验系统,该系统关键参数b=0.6 f_m,其中b为微透镜阵列与传感器之间的距离,f_m为微透镜单元的焦距。结合仿真系统分析了影响深度标定方法准确性的因素,结果表明,原图清晰度、采样步长、重聚焦步长、重采样倍数以及拟合方法都对最终得到的深度标定曲线产生影响,并通过改进实验验证了仿真的结论。     

基于Lytro光场相机的数字重聚焦研究

传统相机只能聚焦拍摄一定距离范围的清晰图像,而光场相机可以实现先拍照后聚焦,该相机无需在拍摄时对焦,通过对光场图像的后期处理实现任意距离处的数字重聚焦。对Lytro光场相机的数字重聚焦技术进行了研究,首先采用高曝光图像峰值检测法对微透镜阵列中心进行标定,再利用标定得到的中心坐标数据对原始光场数据进行重映射得到4D光场;最后对4D光场进行基变换和重积分得到任意距离处的重聚焦图像。实验结果验证了本文所提方法可实现光场图像任意焦面处的重聚焦。     

一种基于微透镜阵列的图像全聚焦方法

光场相机捕获了光线的位置信息和方向信息;但牺牲了一定的方向分辨率,降低了图像的清晰度。目前,一款消费级光场相机Lytro虽小巧便携,拍摄方便,但其提取的图像分辨率很低。针对这一问题,提出了一种基于微透镜阵列的图像序列全聚焦方法。首先对采集到的原始光场图像进行编码、标定及颜色校正等处理,再构造子图像序列模型,从处理后的图像信息中提取出不同的图像序列,在空间域积分重聚焦的原理上,用清晰度评价算子确定子图像的最佳聚焦点,再经过图像融合完成图像的全聚焦。实验结果表明,使用该方法提高了图像的空间分辨率,得到更加清晰的全聚焦图像。     

基于微透镜阵列的光场成像系统

传统成像系统在拍摄过程中需要对目标物体准确对焦,这在拍摄快速变化的物体时显得非常无力.为了克服这一缺陷,本文以Levoy的光场渲染理论为基础,利用光学设计软件ZEMAX在普通成像系统中加入一个微透镜阵列,设计出一个由成像主镜、微透镜阵列和像面CCD探测器三部分组成的光场成像系统,并仿真模拟了光场图像的采集.这样的设计能够同时记录光线的强度和方向信息,对光场图像的后处理以傅里叶切片理论为基础,通过Matlab编程,实现了光场图像的重新聚焦.本文使用普通相机镜头、微透镜阵列和CCD探测器搭建了光场成像实验系统,实验采集光场图像并进行重聚焦处理,实现了三维物体的光场成像,验证了理论及算法的正确性.     

一种微透镜光场相机的子孔径图像提取方法

多视点图像在深度计算、3D视频合成、立体匹配等技术中有广泛的应用价值。传统相机在拍摄真实场景时往往不能获取场景多个视点的信息,而新型的微透镜光场相机和相机阵列却可以得到场景更多的信息,例如场景的多视点信息,场景的深度信息等。但是由于微透镜光场相机的软件保密和源程序不开放等问题,造成研究人员无法自主提取其多视点(子孔径)图像。对此,提出了一种由微透镜光场相机提取子孔径图像的方法。首先,进行微透镜中心像素标定,然后考虑光场原图像的有效像素区域,将各中心像素的周围像素点按次序提取并重组,从而得到子孔径图像。实验表明,所提取的多视点图像具有微小的视差,体现了所提光场相机子孔径提取方法的有效性。实现了微透镜光场相机的子孔径图像提取,将为后续恢复场景深度、重建场景三维图等研究提供有效数据。     

基于微透镜阵列的光场图像深度估计

针对光场相机同时记录光线位置信息和角度信息,提出估计光场图像深度的新方法。根据光场摄像技术的数字重聚焦原理,产生场景不同焦深的图像序列;采用基于目标区域的可变窗口清晰度评价算子对目标在图像序列中的聚焦度进行测量,通过高斯插值获得最清晰的成像位置作为深度求取结果。以基于微透镜阵列的Lytro光场相机为例,实验结果表明,在降低现有算法时间复杂度的基础上,该方法提取的深度图可靠,证明了该方法的可行性与优越性。     

基于虚拟深度的聚焦型显微光场相机深度测量标定

针对聚焦型显微光场相机在内部光学参数未知的情况下,进行了基于虚拟深度的深度测量标定。首先基于高斯光学建立光场成像模型,推导出虚拟深度与实际深度间的函数关系。然后选择单一角点的标定板,在不同深度位置进行拍摄;该角点在多个宏像素中重复成像,相邻重复像点的间距随深度位置改变而变化;利用图像匹配的方法计算相邻重复像点的距离和虚拟深度值,并与实际深度一一对应进行曲线拟合。根据拟合结果,分析了不同深度位置下,该光场成像系统的深度测量分辨率。最后,通过拍摄已知倾角的倾斜棋盘格标定板,进行深度测量并分析测量误差,在主镜头工作距离靠近镜头方向2 mm(10倍景深)范围内,测量误差小于5.35%。     

中性粒子标定源中聚焦系统的研究

设计了用于中性粒子标定源的聚焦系统.利用三维电磁仿真软件CST对束流在中性粒子标定源中的输运情况进行了模拟,研究了单透镜与加速管之间的距离、聚焦电压和加速电压的改变对束流轨迹的影响.在离子源测试装置上利用塑料闪烁体对束流剖面进行了初步测定,测试结果与模拟计算相符合.文中得到的数据对中性粒子分析器的标定具有重要参考价值.     

融合全局和局部特征的光场图像空间超分辨率算法

光场相机传感器有限的空间分辨率阻碍了光场图像处理相关研究的进展.提出一种融合全局和局部特征的光场图像空间超分辨率算法,提高了对光场子视点全局关系建模的能力.由于光场相机捕捉的图像亮度较低,严重影响了超分辨率图像的质量,提出一个改进的4D零参考深度曲线估计网络（4D Zero-DCE-Net）,充分利用光场全部子视点信息来提高光场图像的亮度.为了解决光场图像空间分辨率低的问题,提出一个基于生成对抗网络的光场图像空间超分辨率网络模型.生成器包含三个部分：第一部分是Transformer和4D卷积以并行方式结合的网络结构,能以较浅的网络层捕捉图像的全局和局部细节信息;第二部分是一个交互融合注意力模块IFAM(Interactive Fusion Attention Module),能有效地融合上述两个分支得到的全局自注意力和局部细节信息;第三部分是一个重建模块PS-PA(Pixel Shuffle-Pixel Attention),能提高整个光场的空间分辨率.最后,利用相对判别器来指导生成器的训练.实验结果表明,提出的算法和其他算法相比,峰值信号比（PSNR）至少提升了1 dB.     

基于弧形阵列的板中超声导波成像检测

弧形阵列对其所在圆弧中心的重点区域进行超声导波成像检测,具有比直线阵列成像更高的横向分辨率。该文介绍了板中超声导波弧形阵列成像检测实验系统构成,详细分析了弧形阵列聚焦图像的椭圆簇轨迹特征,结合合成孔径聚焦讨论了其成像原理。该椭圆簇轨迹特征可用以分析、解释、改进图像的横向分辨率。成像实验表明:基于椭圆簇轨迹特征的合成孔径聚焦原理可用于弧形阵列成像检测,适当减小成像采样步距可使图像灰度更加平滑,成像采样距离为导波波长的1/3时成像效果最好;在圆心角小于散射点的声波散射开角时,增大阵元间距和弧形阵列圆心角可显著提高图像横向分辨率。该研究有助于将弧形阵列超声导波成像技术应用于大尺度板结构无损检测。     

The application of dynamic scanning in target detection and imaging based on an NR-PC flat lens

In this paper a finite-difference time-domain method is used to model and analyze the application of dynamic scanning in target detection and imaging by using an effective negative-refraction photonic crystal(NR-PC) flat lens.The results show that there is a transmission peak,with a value far greater than unity,resulting from the influence of mini-forbidden bands and resonance excitation effect at a resonance frequency of 0.3068(a/λ).Thus,the lightwave emitted from the point source will provide strong backscattered waves after being focused on the target by the NR-PC lens that greatly improves the refocusing resolution and imaging resolution of the backscattered wave.Furthermore,a comparison with a non-dynamic scanning scheme clearly demonstrates that the dynamic scanning scheme provides improved refocusing resolution.In conclusion,our investigation optimized the performance of a detection and imaging system,and provided the basis for converting an idealized LHM lens into a physically realizable NR-PC flat lens.     

Multiscale gigapixel photography

Pixel count is the ratio of the solid angle within a camera's field of view to the solid angle covered by a single detector element. Because the size of the smallest resolvable pixel is proportional to aperture diameter and the maximum field of view is scale independent, the diffraction-limited pixel count is proportional to aperture area. At present, digital cameras operate near the fundamental limit of 1-10 megapixels for millimetre-scale apertures, but few approach the corresponding limits of 1-100 gigapixels for centimetre-scale apertures. Barriers to high-pixel-count imaging include scale-dependent geometric aberrations, the cost and complexity of gigapixel sensor arrays, and the computational and communications challenge of gigapixel image management. Here we describe the AWARE-2 camera, which uses a 16-mm entrance aperture to capture snapshot, one-gigapixel images at three frames per minute. AWARE-2 uses a parallel array of microcameras to reduce the problems of gigapixel imaging to those of megapixel imaging, which are more tractable. In cameras of conventional design, lens speed and field of view decrease as lens scale increases, but with the experimental system described here we confirm previous theoretical results suggesting that lens speed and field of view can be scale independent in microcamera-based imagers resolving up to 50 gigapixels. Ubiquitous gigapixel cameras may transform the central challenge of photography from the question of where to point the camera to that of how to mine the data.     

基于BP神经网络自学习的双目视觉系统的研发

在摄像机标定的过程中,深度信息的丢失,摄像机镜头的畸变以及图像处理时误差等因素都影响标定的精度．本论文采用BP神经网络的自学习的性能,开发出一套双目视觉系统．以匹配点在左、右图像的坐标为网络的四路输入,通过网络得到三路输出,性能指标为该对应点在世界坐标系的坐标和网络输出的差值的平方和,根据梯度下降法来调整各神经元之间的连接权值,求得网络达到给定的误差时的各节点问权值．这样,双目视觉系统两个摄像机的投影矩阵可以用神经网络的权值与激发函数来代替,完成系统的标定．最后对系统进行精度分析．     

基于分割的立体匹配法提取光场视差图

为了解决从光场相机采集的图像中提取物体深度信息的问题,提出一种利用Lytro光场相机设备,基于图像分割的立体匹配方法估计光场图像深度。首先对Lytro相机采集的原始灰度图进行解码和颜色校正,提取相应的子光圈图像;在Matlab环境下,结合图像颜色分割、自适应立体匹配对子图像进行处理,通过平面拟合技术和BP优化得到相应的深度估计图。实验结果表明,该方法提取到深度图在视觉精度上有了明显的提高。     

视角增大的集成成像3D显示系统

本文设计了一个视角增大的集成成像3D显示系统.该显示系统由显示屏、一列凸微透镜阵列、一列凹微透镜阵列及两列正交偏振片阵列组成.显示屏用来显示微图像阵列,偏振片阵列用来消除相邻图像元之间的串扰,两列微透镜阵列用来再现3D像.本文所设计的集成成像3D显示系统中图像元经过凸透镜所成像的节距影响视角大小,由于像的节距大于图像元的节距,所设计显示系统的视角大于传统集成成像的视角.本文给出了视角理论分析的仿真实验验证,实验结果与理论分析一致     

基于单目微视觉深度信息获取及畸变校正

建立一种基于单目显微摄像机的空间运动模型,能获取目标深度信息,仿真在显微视场中该运动模型受到多种镜头畸变综合影响的成像效果,并针对存在严重畸变的显微图像提出校正方法。实验结果表明该方法正确有效。     

用鱼眼镜头数码相机测试天空亮度分布

为了解决天空亮度测试中存在的同步性差和误差大的缺陷,采用带鱼眼镜头的数码相机测试天空亮度。通过对鱼眼镜头及数码相机光学特性的研究,得到从数码照片上提取被测天空元亮度及位置信息的方法,确定其曝光参数及线性亮度记录范围,并通过对相机稳定性、鱼眼镜头透光率等误差进行分析修正,获得了精度较高的天空亮度分布测试值。为采光研究及采光观测提供了重要的技术手段。     

光声信号亚波长成像分辨率的分析与实现

为提高光声成像的亚波长分辨率,探究了光声信号产生的机理,并对其亚波长分辨率进行了傅里叶分析,发现普通正折射率透镜难以对携带诸多物质细节信息的倏逝波进行成像,通过COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对声学超透镜进行建模和仿真,结果发现在该声学透镜对声波的调控作用下,倏逝波在近场区域能够实现较好的成像效果,在对样品进行制备与测试后,实验与仿真效果基本吻合,证实了该声学透镜的实用性。