基于FPGA 的高分辨率科学级CMOS 相机设计

针对高分辨率科学级相机应用广泛,国内需求量大的背景,设计了基于长光辰芯公司GSENSE400 图像传 感器的国产化高分辨率科学级CMOS( Complementary Metal Qxide Semiconductor) 相机。该相机系统包括基于FPGA ( Field Programmable Gate Array) 的数据采集、控制与Camera-Link 输出设计。FPGA 主要包含SPI( Serial Peripheral Interface) 配置模块、CMOS 时序驱动模块、数据采集模块、Camera-Link 数据转换模块以及串口通信模块。根据 CMOS 的时序逻辑,在FPGA 中实现了CMOS 驱动时序的设计。根据相机输出HDR( High-Dynamic Range) 图像的 数据量,同时为了简化FPGA 数据传输模块的设计,通过使用1 片DS90CR287 芯片,选用Camera-Link的base 模式 进行图像数据的传输,并实现串口对相机的控制。对该相机系统进行成像测试,实现了HDR 模式下连续输出 24 帧,2 048 × 2 048 像素,低读出噪声、高灵敏度、高动态范围图像,基本满足科学级成像条件的需求。     

复频域实时重建医学光声图像的研究

提出将光声成像中的傅里叶域重建方法与分布式并行计算相结合的方法,应用于实际处理医学成像中,实现实时重建医学光声图像的目的.滤波反投影算法是光声图像重建的一个广泛使用的算法,但由于在时域重建的时间复杂度大,并不适合实时重建.傅里叶域重建方法相对于滤波反投影算法具有时间复杂度上的优越性,且产生较少的伪影.并行处理技术,已经广泛应用于各类工程学科,其影响力及范围随着研究深入逐步扩大.分布式并行计算将提高图像处理速度,使实时重建医学图像成为可能.将MATLAB作为平台,实现了对医学图像在复频域的并行加速处理,给出了并行处理与串行处理的测试结果的比较.实验结果表明:傅里叶域重建方法与分布式并行计算的结合,使医学光声成像重建时间大大缩短.     

电脑篇

佳能PowerShot A5数码照相机日前,佳能公司向中国市场推出其针对小型办公和个人用户的佳能数码照相机PowerShot A5。这是佳能公司新推出的世界上最小的XGA通讯的数码照相机。这部照相机体积为103(长)×68(宽)×32.5(高)mm,重量为230克(不舍电池)。PowerShotA5造型独特,采用铝合金机身、伸缩镜头,可放在T恤衫的口袋内,方便携带。 PowerShot A5拥有810,000像素的CCD(图像传感器)及标准5mm高光学分辨率镜头(相等于35mm照相机),再配合两个非球面镜片元素,可将失真度减低,同时把清晰度和自然色彩的复制度大大提高,其图像分辨率高达1.024×768。Power shot A5融合了照相机的高精确性和高速的自动对焦系统,拍摄一张照片到储存只需4秒钟时间,     

嵌入式GPU滑动聚束SAR实时成像方法

针对SAR实时成像系统的传统计算平台实时性不足与功耗过高的问题，研究了一种基于嵌入式GPU的实现方法.为了充分利用嵌入式GPU中有限的内存资源，提出一种内存分割与重配置方案，采用页锁定内存和zero-copy技术，实现数传-计算并行化处理；为解决实时性问题，在算法并行计算环节，利用共享内存、寄存器等资源实现大规模数据并行.结果表明，在TX2上完成16 384×8 192点滑聚SAR成像处理时间为12.66 s，功耗为15 W.该优化方法也适用于其他模式的雷达处理算法，并可为未来嵌入式实时成像处理提供参考.      

基于深腾7000系统的大规模CFD并行计算

从基本流动控制方程及数值离散、多重网格、并行算法等方面详细阐述了混合网格框架下计算流体力学软件的基本原理,提出了采用三重嵌套循环结构在时间推进格式中实现多重网格加速及并行计算技术的主流程设计方案;同时给出了高精度混合网格并行计算软件在深腾7000系统上的大规模并行测试结果以及在某型民用飞机高升力流场数值模拟中的应用.结果表明:此高精度混合网格并行计算软件在采用千万网格点规模的大型飞机高升力复杂流场计算时,不仅计算结果与实验结果符合较好,且在2 048核并行计算时仍具有很好的并行可扩展性,计算效率不低于80%.     

基于FPGA的合成孔径超声成像波束合成设计

合成孔径超声成像,因其可以利用少量超声传感器得到高分辨率及高对比度超声图像而成为现代数字医学超声成像常采用的方法.传统合成孔径方法的复杂性限制了实时成像系统的成像速度.对比传统的定制目标区域及非均匀采样的成像方法,利用高速数字电路设计出了应用于多阵元合成孔径超声成像系统的均匀采样波束合成算法,并利用现场可编程门阵列(FPGA)技术进行硬件实现.使用Altera公司的CycloneⅡ系列EP2C8Q208C8芯片,利用同步动态随机存储器(SDRAM)存储回波数据,数据经延时叠加及加权处理后通过USB送入PC端成像.系统测试结果表明:采用流水线结构及并行数字电路,FPGA可以在高速时钟下完成合成孔径超声成像的波束合成算法,结果精确高效,可以运用于实时成像系统.     

基于双向预测插值的多维矢量鬼成像视频

为了进一步提升运动物体鬼成像视频的质量,根据视频中每帧都具有相关性的特点,提出了一种基于双向预测插值的多维矢量鬼成像视频的实时成像算法.即运用具有能量集中特点的多维矢量Walsh变换,将总数一定的Walsh基图样分成更少的组,使每组的有效基图样翻倍,再分别作用于目标物体,重构后得到数量少但成像质量更好的隔帧图像,再通过双向预测插值得到中间帧.使用该算法作用于像素为64×64的目标物体,可在实时状态下实现运动物体鬼成像的视频.在采样数量和采样时间不变的情况下,可实现高质量重构,得到了品质更好的鬼成像视频.     

基于Intel集成性能基元的数字荧光频谱分析技术的软件加速实现

实时频谱分析广泛应用在电子侦察、信号捕获和监测等领域。实现了一套基于x86平台的软件化实时频谱分析系统。在Intel+Windows的通用PC机上,用C/C++编程实现数字下变频、快速傅里叶变换和数字荧光技术等关键算法,并利用Intel集成性能基元对算法进行加速,最后调用MATLAB的可视化引擎实时显示200×2 048点高分辨率荧光频谱图。系统处理速度为每秒60兆个采样点,瞬时带宽30 MHz～2 k Hz,频谱分辨率15 k Hz～1 Hz,荧光图刷新速度25帧/s。该系统为实时频谱分析提供了一套简单有效的解决方法。     

深度学习下的高效单幅图像超分辨率重建方法

提出一种基于深度学习的高效单幅图像超分辨率重建方法,增加一个亚像素卷积层和一个替换的级联卷积,即设计一个具有合适深度的卷积神经网络,以保证图像的重建质量,并采用级联小卷积核提高运行速度.在标准的公共数据集上进行实验测试,结果表明:与亚像素卷积神经网络(ESPCN)算法相比,所提算法重建的高分辨率图像的质量和速度皆显著提高;将其应用于实际项目中,可端到端地重建低分辨率服装风格图像,获得高分辨率图像.     

8～12μm热红外图像的特征增强算法研究与DSP实现

热红外成像技术在众多领域和军事领域都发挥着重要的作用.由于焦平面阵列FPA红外探测器的噪声大以及弱小目标红外信号的灰度级不明显,文中采用Gauss与非线性中值联合滤波抑制噪声以及分线段增强算法对图像的特征进行增强.图像实时信号处理系统(DSP)用TMS320DM6437来实现.实验结果表明:该算法和DSP实时信号处理系统的结合,实现对弱小目标的特征增强.     

DART-Orbitrap MS快速筛查血液中的130种毒物

血液样品经乙酸乙酯提取、离心、取上清液5μL筛网进样,采用正离子模式扫描进行实时直接分析离子源-静电场轨道阱高分辨质谱(DART-Orbitrap MS)分析,通过比对130种毒物精确分子质量数据库,建立了血液中毒物快速筛查分析方法.结果表明:130种毒物的检出限(以3倍S/N计算)为0.2~50μg/L,质量精确度均在5×10-6μg以内.该方法样品前处理简单、溶剂消耗少,具有分析时间短、灵敏度高的特点,适用于血液中毒物的快速筛查分析.     

基于K-LT的高分辨率图像的分块算法

针对卡洛变换(Karhunen-Loeve Transform,K-LT)应用于高分辨率图像处理中,存在计算量大和速度慢的缺点,提出大分块算法和小分块算法以快速实现K-LT。大分块算法通过把图像矩阵均匀分块,得到多个分辨率相同的子图像,再把这些子图像纵方向堆叠形成伪多光谱图像来降低特征空间的维数;小分块算法则把每个子图像像素采用行堆叠或列堆叠的方法来降低特征空间的维数。2种算法都能够使K-LT速度大幅度提升。仿真结果表明:对于分辨率为1 024×1 024的图像矩阵,采用这两种分块K-LT算法所用的时间,分别是传统K-LT算法的1/45和1/48,可以满足实时性处理的要求。     

量子成像及其发展与应用

量子成像是基于量子涨落的非局域成像技术,亦称"鬼成像",与传统成像相比,其具有非局域成像、单像素成像、无透镜成像等诸多优点,在高分辨率成像、非相干成像、恶劣条件下成像等方面具有广阔的应用前景。量子成像不限定成像光源必须是纠缠光源,可模拟纠缠光源的角度和空间关联特性的经典光源同样可以实现"量子"成像。量子成像通过两路探测器的符合关联实现最终成像,虽然计算鬼成像(GI)只使用一路单像素桶探测器就完成了量子成像,但其本质上仍是通过桶探测器与SLM之间的符合关联才实现最终成像的。目前,量子成像由于不能记录光源的瞬时强度且成像时间较长,还主要停留在理论实验阶段,距离实际应用尚有较大差距。     

磁共振三维动态增强技术参数对血管成像质量的影响

目的:探讨三维动态增强血管成像(3D dynamic contrast enhancement magnetic resonance angiography,3D DCE MRA)技术参数对图像质量的影响.方法:106例行三维动态增强血管造影检查的病例,分为三组分别采用以下方法成像:①智能(smart)跟踪法;②test小剂量测试法;③经验法.同时将可变参数进行对比,采用SPSS 10.0统计软件,卡方检验和秩和检验对数据进行处理.结果:三组间图像质量差异具有显著性(P=0.038).测试法成像质量优率最高. K空间中心充填和K空间顺序充填对图像质量的影响差异具有显著性(P=0.015),K空间中心充填图像质量好于K空间顺序充填.结论:3种3D DCE MRA成像方法中,test小剂量团注测试法是3D-DCE MRA成像最佳的延时时间计算方法,其成像质量最佳.高质量的3D DCE MRA图像依赖于患者的配合、合理的扫描序列及参数选择、最佳扫描延迟时间的把握、合理的造影剂剂量和注射速度.     

基于部分连接神经网络的场景识别

目前基于图像的场景识别的方法都依赖于对图像特征的选取及特征数目的精简.提出了一种基于部分连接演化神经网络模型来进行图像场景识别的新方法:不对图像进行特征提取,而是将待识别图像的每个像素都作为神经网络的输入.为了克服新方法由于大量神经元引起的模型训练时间过长问题,将基于C语言计算架构的演化神经网络模型创造性地移植到基于图形处理器(GPU)的通用并行计算构架(CUDA),神经网络的演化训练速度提高200倍以上.在实验中,尽管输入的图像大小达到300×400像素(120 000个输入神经元),但CUDA的部分连接演化神经网络对场景图像有较强的识别能力,对亮度、缩放、旋转等变化也有较好的鲁棒性.     

太赫兹快速成像技术研究进展

太赫兹(terahertz,THz)成像技术有广泛的应用前景,但受现有太赫兹辐射源限制,传统太赫兹成像技术采用点扫描探测方式,导致图像采集时间过长,限制了该技术的进一步发展和应用.为了提高太赫兹成像速度,近几年提出了许多技术方案.简要介绍了传统的点扫描太赫兹成像技术,分析了影响太赫兹成像速度的原因,综述了包括快速扫描成像、太赫兹单像素成像、太赫兹波电光调制二维成像、二维太赫兹波探测器阵列(太赫兹相机)直接成像等太赫兹成像技术及其优缺点.     

上海城区PM_(2.5)精细化空间分布插值方法研究

PM_(2.5)是我国大中型城市的主要污染物之一,已成为多学科领域的研究热点.基于监测点的监测数据无法直接获取城市内部空气污染的高分辨率空间分布情况,以上海市中心为研究区,引入土地利用回归(LUR)模型模拟PM_(2.5)质量浓度的高分辨率空间分布情况.双变量相关分析表明,与PM_(2.5)质量浓度分布相关性最强的地理变量分别是国控点2 000 m缓冲区内的道路长度、2 500 m缓冲区内的建筑面积、2 500 m缓冲区内的绿地面积、500 m缓冲区内的水体面积以及人口密度.基于以上变量,用多元线性回归分析建立PM_(2.5)质量浓度空间分布的LUR模型.在研究区内建立1 km×1 km格网,用LUR模型模拟各格网交点的PM_(2.5)质量浓度,再通过空间插值分析得到上海市PM_(2.5)质量浓度的空间分布模拟图.结果表明,PM_(2.5)模拟质量浓度存在明显的空间梯度差异,整体呈现西部高东部低的格局,并由人口密集区域向四周递减.人类活动是影响PM_(2.5)质量浓度分布的主要原因,模拟结果与实际情况相符.     

快鸟影像广义成像模型适用性分析

基于高分辨率快鸟(QuickBird)卫星立体影像,探讨了各种广义成像模型及改进模型的适用性,并在平行线中心投影模型基础上,提出了参数时间描述的平行线中心投影模型,认为该模型最适合描述快鸟影像的成像几何.同时进一步将其应用于上海地区快鸟立体像对,进行立体定位实验和精度分析.实验结果表明:参数时间描述的平行线中心投影模型的立体定位精度与经过补偿的有理函数模型的立体定位精度相近,平面定位精度可达亚像素级水平.     

基于光学相干断层成像含支架的冠脉血管三维重建

光学相干断层成像(OCT)以其具有高分辨率,实时成像等特征,已经成为冠状动脉疾病检测的一个新方法.对含支架的OCT冠脉血管图像进行三维重建研究,以期直观地显示三维空间结构图.通过比较选择合适的降噪算法对图像预处理,根据OCT图像的特性,利用改进的最大类间方差算法(Otsu)对冠脉血管进行分割,并利用一个新的自动算法对冠脉支架进行检测.由于图像存在大量可视支架,在对极坐标图像序列预处理之后,用全局的强度轮廓检测候选的像素,去除伪影,确定支架上下边界和位置,并合并相邻的候选像素为一个支架点,成功标记出检测到的支架点,可有效地排除伪影造成的干扰,提升聚类算法的精确度.在此基础上,利用Amira软件实现了对冠脉血管和支架进行三维重建和融合.     

气态场动态监测与ESPI连续拍摄存储系统

为了实现气态流场的动态监测,开发设计了一套电子散斑干涉 (ESPI) 连续拍摄存储系统.这一系统由双光束激光散斑干涉光路、计算机摄像系统和相应软件组成.应用这一系统对酒精灯火焰作了动态监测和温度场处理,图像采集速度达10帧/s.