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.     

基于角度不变的线阵推扫式CCD相机几何畸变在轨检校方法

对航天遥感相机进行在轨检校,是提高卫星产品质量,扩大产品应用效果的重要技术内容.文中研究了一种基于角度不变的线阵推扫式CCD相机几何畸变在轨检校方法.该方法利用相机外方元素对于相机视向量夹角角度影响比较小的原理,根据地面控制点和一级产品图像,求解相机视向量夹角,从中提取相机光学部件的畸变模型参数,从而实现相机内外方元素解耦.相机畸变模型采用一维3阶多项式,对焦距和主点等引起的低阶误差能够很好地吸收.该方法用在HJ-1A/B卫星的宽幅盖CCD相机几何畸变校正上,检校误差残留在2—6个像元,和参考数据精度相似,表明取得了很好的校正效果.     

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.     

基于小波变换的图像扩散滤波方法

图像的非线性扩散滤波基于热扩散方程, 其关键是确定适当的扩散量与扩散方向. 在已有的滤波模型中, 扩散系数依赖于梯度, 因而容易受到噪声的干扰. 为了克服这一缺陷, 首先给出了一种新的计算扩散系数的多尺度方法. 然后建立了一类用于图像恢复的非线性小波扩散（NWD）模型. NWD模型有较强的抗噪能力, 但同已有的模型一样, 需要较大的计算量. 为此, 通过NWD模型的简化, 给出了线性小波扩散（LWD）模型. LWD模型由输运与扩散两部分组成. 由于存在输运, 所以其滤波是各向异性的, 能够较好地保持边缘, 尽管在边缘点处扩散是各向同性的. LWD模型的优点是简单易于分析, 具有较小的计算量. 最后给出了所提模型与已有模型相比较的数值实验结果.     

嫦娥四号月面巡视器全景相机制图方法

作为嫦娥四号月面巡视器的科学载荷,全景相机不仅承担着探测月面地质的任务,同时可以用于制图和地形重建,直接服务于巡视器的导航规划工作.在试验场选用一种模型方法用于前期标定实验,但为了后期制图工作的方便往往需要选用另一种模型,基于此,本文提出了一种基于畸变模型参数转换的去畸变方法,技巧性地解决了标定模型和制图模型不一致的问题,并融合支持像点(support points)稠密匹配、空间前方交会、最小二乘光束法平差、离散点云生成、德劳内三角化等多项技术,将全景相机影像用于制图工作.基于月面巡视器在LE00210站点拍摄的全景相机影像,在实验室构建控制场对本文提出的畸变模型参数转换方法进行了可行性和精度测试,结果表明畸变模型转换后定位精度优于1.6 cm,相对距离精度优于4%,并成功应用于嫦娥四号巡视器全景相机制图.     

视差计算的层级模型

生物的立体感知是由一个层级网络完成的:从初级视皮层到高层区域,神经元感受野逐步增大,局部立体感知逐步变为全局立体感知.视皮层中存在大量对视差敏感的神经元,其中V1区单个神经元的视差选择特性可用视差能量模型来描述.文中从生物的立体感知过程出发,提出了一种计算图像视差的层级模型,主要贡献有:(1)提出了一种符合心理学实验结果的归一化视差能量模型,减弱了图像对比度变化对神经元视差响应能量的影响;(2)利用视皮层视差功能柱的性质,提出了一种不同倾向视差神经元的汇聚方法;(3)根据不同脑皮层之间的连接关系,提出了一种两层网络结构来解决V1区神经元编码视差的歧义问题.文中方法可以有效提高纹理重复和纹理不丰富区域的视差计算精度.     

基于棋盘分割插值的多描述视频编码

为了提高恶劣信道上视频传输的鲁棒性, 提出了一种基于棋盘式分割插值的多描述视频编码算法, 即将输入图像按照棋盘模式分割并插值形成两路相同分辨率的近似图像, 并对这两路近似图像进行独立的运动预测、补偿和编码. 使用这种编码算法, 接收端可以在同时收到两路描述时得到相当好的重建图像质量, 而在由于误码或丢包等使其中一路描述丢失或受损时也能得到可以接受的重建图像质量. 此外, 编解码器之间的不匹配可以通过对两路描述之间差信号的部分编码得以有效的控制. 在双向通信应用中编码器还可以根据反馈信息来主动跟踪解码器的状态从而消除误差积累. 由于充分利用了分块DCT编码所固有的块间相关性, 该算法与同类算法相比具有更好的冗余率失真性能. 模拟实验表明, 该算法在保持较高压缩效率的前提下, 具有很好的鲁棒性, 在高误码信道上相对于传统的单描述视频编码可以得到更为稳定的重建图像质量, 并且编解码器之间的不匹配和误差积累都得到了有效的控制.     

基于语义约束与Graph Cuts的稠密三维场景重建

本文提出一种新颖、有效的稠密三维场景重建算法.在城市建筑场景的重建中,为了快速恢复稠密、准确的深度信息,本文算法首先在视图中对建筑区域进行了语义分割以降低非重建区域(如天空、地面等)的干扰,在提高整体重建速度的同时也增强了采用平面模型对其进行重建的可靠性;然后,在通过基于DAISY特征的空间点扩散方法获取的初始深度图的基础上,针对传统算法难以重建的弱纹理、倾斜表面等区域,本文算法依据场景分段平滑的假设,在超像素级MRF能量优化框架中对其相应的空间平面进行了推断.由于能量函数融合了初始深度图的约束、空间平面先验及空间平面间的几何关系等信息,而且候选平面集通过平面拟合和已知平面约束下的多方向平面扫描两种方法构造,使得相应的两阶段迭代Graph Cuts对能量函数的求解更快速和精确.在标准数据集和真实数据上的实验表明,本文算法能有效克服光照变化、透视畸变、弱纹理区域等因素的影响,快速恢复建筑区域完整的深度图.     

POLSAR图像杂波L分布建模及其参数估计

基于乘积模型的杂波统计建模是进行高分辨极化合成孔径雷达(POLSAR)图像非均匀区域杂波统计特性分析的有效方法,其核心在于纹理分量随机分布的类型选择.广义伽马分布(GΓD)是一种普适性很强的分布类型,Weibull分布、伽马分布、逆伽马分布等都是GΓD分布的特例,因此基于GΓD分布的图像乘性杂波建模既满足杂波建模的高精度要求,同时成为各种雷达杂波辨识的有效工具.本文首先推导了服从GΓD分布的随机变量的高阶矩特征及其对数累积量(MLC),利用纹理分量服从GΓD分布情形构建了乘积相干斑模型,得到了适用于POLSAR图像处理的L分布杂波多视处理的协方差矩阵的概率分布函数,同时推导了其高阶矩特征及其对数累积量,提出了基于对数累积量的L分布参数估计新方法.针对样本数较少的情况下对数累积量参数估计失效问题提出了基于混合矩(MME)的参数估计方法来解决.然后给出了不同分布的高阶矩和对数累积量,通过二三阶对数累积量关系图辨析了常用分布与L分布的内在关系,得到了L分布是目前乘积模型中适用范围较为广泛的统计分布的结论.最后用仿真数据验证了理论推导的正确性,并将基于对数累积量的参数估计方法与已有方法进行了比较,结果证明新参数估计方法具有更高的估计精度和运算效率;另外,还用实测数据进行了统计模型检验,其结果验证了理论推导的正确性.极化SAR中多视图像L分布杂波的统计建模及其参数估计方法为极化SAR目标检测和识别等领域的新技术研究提供了新手段.     

包含感应电动机模型的电力系统 暂态能量函数

研究了一种电力系统暂态能量函数构造方法, 该方法基于基尔霍夫电流定律, 具有简单而通用的特点, 能够统一目前已有的一些能量函数形式. 利用该方法, 推导了包含感应电动机模型的电力系统暂态能量函数, 并对其中的不可积项进行了近似处理. 在一个3节点电力系统以及WSCC 4机11节点系统中的仿真验证了能量函数的有效性. 该函数能够应用于多机大电力系统的直接法暂态稳定分析, 为研究发电机功角稳定和电动机负荷电压稳定之间的相互作用提供了一种工具.     

基于4D航迹的飞机连续下降运行飞行引导技术

连续下降运行(continuous descent operation,CDO)是减少大型飞机燃油消耗、降低噪声污染和二氧化碳排放的进近方式.但由于连续下降进近增加了飞机进场航迹的不确定性,降低了跑道容量,限制了CDO的实施.为了在高密度空域环境下实施CDO,需要借助于四维航迹运行技术,利用4D航迹预测和飞行引导系统实现可定时到达的精准飞行引导,降低CDO航迹的不确定性.本文给出了一种基于4D航迹的大型飞机飞行引导系统架构,介绍了4D航迹的描述方法和多约束情况下4D航迹规划过程;为提高估计到达时间的预测精度,提出了一种基于伪航路点的地速计算方法;最后给出了基于要求到达时间(required time of arrival,RTA)和纵向位置误差的速度调整策略.本文以某型运输机为例,进行了基于4D航迹的连续下降进近仿真,仿真结果验证本文所提引导架构和算法能够为大型客机提供面向定时到达的精确4D飞行引导能力.     

求同存异的非局部图像去噪

非局部方法是近年来图像恢复领域最重要的方法之一,这类方法的关键在于如何理解和描述自然图像的自相似性质.本文通过对自相似性质的深入分析,提出描述自相似性质的两个原则：1）＂两方向＂原则：利用隐含在图像中的两方向相关结构.2）＂求同存异＂原则：利用相似性的同时保持各相似块之间的相对差异.然后利用奇异值分解建立了一种符合这两个原则的非局部图像去噪模型.该模型能获得很好的去噪效果.     

无人机图像全自动生成大比例尺真正射影像方法

随着无人机遥感技术逐步从研究开发阶段发展到实际应用阶段,采用无人机图像进行大比例尺的真正射影像生成方法的研究具有重要的现实意义．本文旨在探索将计算机视觉中获得巨大成功的多视三维重建技术应用到对无人机影像处理中,给出了一种基于运动恢复结构重建算法和多视图立体视觉算法全自动生成大比例真正射影像的方法．本文首先分析了无人机图像PMVS重建点云的特点,给出一种由基于面片多视图立体视觉稠密点生成数字表面模型的方法,然后详细介绍了包括正射影像图像坐标映射模型、可见性计算、基于Markov随机场能量优化的面片选择和匀光处理等真正射影像生成的关键步骤．实验结果以及与商业软件的比较表明：本文给出的方法在野外地形和城市区域均能获取有效的真正射影像结果．     

一种快速TMF的无监督SAR图像多类分割算法

三重Markov随机场(TMF)模型非常适合处理非平稳、非高斯图像的分割问题.为了降低模型和算法的复杂性,以满足对实测SAR图像处理的实时、稳健和高效的需求,文中提出了一种快速TMF的无监督SAR图像多类分割算法.该算法首先针对SAR图像的乘性斑点噪声,研究了SAR图像四叉树分解的数字特征、阈值选取及分解规则,使得在图像平滑区进行粗分解,而在图像边缘区进行细分解,将图像快速映射成一种新的基于边缘信息的pixon描述,然后再将TMF算法进行扩展,导出了基于边缘信息pixon描述的TMF新的势能函数,最后完成Bayes最大后验模型(MPM)分割.测试数据和实测SAR图像的仿真实验验证了快速TMF算法的有效性.     

射线半影成像与大面积源区中子成像实验系统理论模拟评估

阐述射线半影成像条件与重建基本原理, 推导其数学解析表达式; 建立系统蒙多卡罗数字模型; 获得源区中两离散单元点的系统响应函数(点扩散函数), 验证考核了系统空不变特性; 利用数学解析卷积和模拟实验两种方法, 分别获得源区中4个单元点的“半影图像”, 用同一滤波重建方法分别对两种不同途径获得的4点半影图像进行恢复重建, 得到相同的结果, 揭示了射线半影图像的编码实质; 通过MCNP模拟计算, 获得了整个源区面在闪烁光纤阵列相面上的中子半影图像, 应用改进型维纳滤波方法重建反演获得了源区中子通量分布图像, 与预置的中子源区图像进行了分析比较, 从原理上验证了系统中子半影成像实验的可行性, 以及改进重建算法的可靠性.     

低维特征空间中基于旋转图像的三维环境模型配准方法

近年来,异类机器人之间(如飞行机器人和地面机器人)的协作成为机器人学研究发展的一个新的领域.异类机器人协作的难点之一是协作环境建模,而由于所获得的环境模型具有不同的观测视角和尺度,其环境建模中的模型配准是一个难点和关键.目前,能够适用于大视角差、大尺度差场景配准的方法并不多,基于旋转图像的配准方法被认为是一种可行方案,但其中存在的计算负担大和在野外环境中的鲁棒性差使得其也很难在实际系统中应用.基于此,面向三维点云环境模型,以旋转图像为基础,提出了一种新的基于低维特征空间的模型配准方法.首先,通过引入模型曲率、旋转图像熵值和激光反射强度3个特征构建了一个三维特征空间,得到候选对应点集合.然后,在候选对应点集合中利用旋转图像的方法查找正确的对应关系,实现模型配准.由于低维特征空间的引入,基于旋转图像特征的对应点搜索区域大大减小,因此算法计算效率得到了极大改善.同时由于引入的新特征与场景旋转图像特征的互补性,算法的鲁棒性和精确性也得到了提升.这些性能改进最后通过实验得到了验证.     

热学中的相对论性动质量和动质能

相对论是近代物理学的基础理论之一,改变了人们基于牛顿力学框架的传统时空观,尤其狭义相对论中的质能方程深刻地揭示了质量和能量这两个自然界中最基本物理量的内在关联,该方程通常用于计算核变反应中的质量亏损和高能粒子加速器中的粒子能量.但需要指出的是,相对论和质能方程作为描述自然界基本规律的基础性理论,它的适用范围并不限定在核变反应和高能物理领域,在其他物理学分支中都具有普适性意义,热学也不例外.本文首先回顾了历史上相对论从时空观角度在热学中的一些应用,指出相对论和热学也具有内在联系.然后从相对论中质量传递的角度来研究热量的传递过程,即基于质能方程提出了热质和热质能的概念,热质和热质能是热学中的相对论性动质量和相对论性动质能.进一步基于热质理论建立了普适导热方程并给出其宏观和微观物理解释,阐明了出现热波等非傅里叶导热现象的物理原因.最后通过高热流密度金纳米薄膜导热实验初步证明了热质理论的正确性.     

光与电子的电磁感应相互作用

本文论述了光与电子的电磁感应相互作用和电子云导体模型,说明了电子云形状方位因子的变化规律,讨论了电子与光之间电磁感应造成的能量交换行为,运用电子云导体模型对光与电子之间相互作用的几种情况进行分析。说明光与分子中电子之间的电磁感应相互作用确实存在,先与电子间能量交换的根源之一是它们之间的电磁感应相互作用。     

基于共形几何代数的3D医学图像配准

随着医学图像处理技术的发展,3D／3D配准益受重视,尤其是在外科手术导航等医学应用中．学者们提出了各种3D／3D配准方法,但大多方法是采用传统代数方法进行配准,配准精度和效率都存在问题．本文利用非经典数学——共形几何代数重建了3D医学图像的位置关系约柬问题,分析了医学图像的共形几何变换,构造了新的3D医学图像配准相似测度,基于此提出了新的3D医学图像配准算法,用于CT和MR图像的3D配准．新算法中,以骨骼轮廓作为配准的基础点集,在骨骼轮廓的基础上采用共形几何代数构造共形几何体,接着采用新的3D医学图像配准相似测度进行三维数据的直接配准．实验表明新算法实现了三维数据的直接对齐,能较好地定位组织器官的三维位置．可以直观地体现配准结果．     

有机非线性光学晶体DAST及其在太赫兹领域的应用研究进展

主要介绍DAST晶体的基本结构和物理性能参数,几种不同生长方法及基于有机DAST晶体通过光学差频法产生THz波.重点研究了基于DAST晶体利用光学差频法产生太赫兹(THz)波过程中,泵浦光源的双波长调谐范围及光束质量对THz调谐范围及转换效率的影响,及其利用光整流法产生THz波的过程中,泵浦光(飞秒激光的波长、脉冲宽度和能量)对THz脉冲输出能量和转换效率的影响.综合分析影响THz辐射性能的因素及其获得大尺寸高质量晶体的主要挑战.本课题组在系统分析利用自发成核、斜板、籽晶和双温区法生长晶体优缺点的基础上,利用自发成核结合顶部籽晶法生长出高质量、尺寸为25 mm×22 mm×2 mm的晶体.下一步计划从晶体生长和泵浦光束的质量两方面改善THz输出能量及光-THz波转换效率.