光学三维成像实验系统

建立光学投影层析三维成像系统,该系统包括光学成像、图像采集、断层重建及三维显示,重建算法为滤波反投影算法.实验结果表明:利用该系统得到的重建图像与样品的形状吻合,重建结果边缘清晰,伪迹较小.     

基于块稀疏贝叶斯的生物发光断层重建

生物发光断层成像(BLT)是一种非侵入、高灵敏度的光学分子影像技术,可以通过探测生物体表面的光信号重建出生物体内部光源的三维分布情况。由于光在组织中传播时,散射占据主导作用,导致BLT重建问题的病态性,给光源重建带来巨大的挑战。在BLT重建中,基于光源稀疏分布的特征,稀疏正则化方法相比于传统的L2范数正则化取得了显著进展。更进一步,由于生物发光光源的分布具有的空间聚集特征,利用该特征将有助于进一步提高BLT重建的准确性。相比于传统的针对求解域中所有未知量进行稀疏重建的算法,探索了利用块稀疏进行生物发光断层成像重建的可行性,首先通过对系统矩阵进行相关系数分析将求解域划分成一系列数据块,然后利用块稀疏贝叶斯算法对生物发光光源的分布进行三维重建。通过仿真实验与小鼠活体实验,并与传统稀疏重建算法L1-LS进行了比较,结果表明该方法可以有效缓解BLT重建问题的病态性,抑制噪声,并且可提高重建结果的准确性。     

频域宽带下视多波束三维声成像算法

为解决下视多波束三维成像声呐跨航向分辨率差、旁瓣级高的问题,提出一种频域宽带下视多波束三维声成像算法。该算法将阵元域回波信号通过二维傅里叶变换直接变换到波数-频率域,之后进行深度向匹配滤波,同时选取带宽内的频点进行频域宽带信号的相位补偿,再进行二维逆傅里叶变换回阵元域,实现跨航向-深度向成像处理。沿航向采用时域合成孔径方法,得到三维图像结果.计算机仿真和海上实验结果表明,相比于常规的下视多波束三维成像声呐处理算法,改进的方法跨航向主瓣变窄,角分辨率明显提高,旁瓣降低10~30 dB。相比于传统基于分块DFT的频域宽带波束形成,改进的频域宽带方法避免了跨航向处理中的时域分块插值和多次变换域,复数加法和乘法次数显著降低。改进的频域宽带下视多波束三维声成像算法可以有效地获取水下三维高分辨图像,抑制虚影,明显改善成像质量。同时,计算效率高,更适合于实时成像系统实现。      

基于联合平行投影迭代的叠栅层析重建

描述了一种新的叠栅层析代数迭代模型,并针对传统代数迭代法中的垂直投影算法收敛速度较慢的问题,结合新模型提出了一种改进了的平行投影重建算法.用该算法进行了数值模拟重建,结果表明：与叠栅层析中的变换类算法相比,对非完全数据问题,新算法具有有效结合先验知识进行重建的能力；与传统的垂直投影算法相比,新算法能在保证重建准确度的前提下大幅度的提高收敛速度.     

基于衍射光学元件色散特征的三维建模系统

为了重建复杂形状的三维物体,在此提出了一种便捷的基于衍射光学元件（DOE）色散成像特性的三维建模算法,该算法在一种新型的三维建模系统中实现,它充分利用了DOE在红外波段的模式投影和探测.给出了重建复杂形状的三维物体的仿真试验结果,证明该算法及系统的有效性和可行性.     

采用条件波数谱密度函数的宽带高分辨方位谱估计算法

针对宽带高分辨方位估计存在方位估计偏差大、算法复杂度高等问题,提出了一种基于条件波数谱密度(Conditional Wavenumber Spectral Density based,CWSD-based)的宽带高分辨方位谱估计算法.该算法利用条件波数谱密度将阵列信号转换到频率-波数空间,宽带信号能量在该空间的坐标呈现与入射角相关的线性分布,通过借鉴直线检测原理,实现邻近目标的高分辨方位估计,且无需预估角度和信源数等信息。仿真结果表明,该算法理论分辨率与处理最高频率成反比,估计均方误差约为0.1°,对阵形畸变鲁棒,运算效率高。海上试验数据表明,本文方法在方位分辨率、弱目标检测、非目标向噪声抑制、稳健性等方面都优于宽带常规波束形成和最小方差无畸变算法,在实际海洋中可实现超低旁瓣高分辨波达方向估计。      

基于Mojette频域最小冗余覆盖的有限角度计算机层析成像重建

基于Mojette投影变换的空域与频域性质,提出频域最小冗余覆盖的有限角度计算机断层成像(CT)重建算法。其中频域最小冗余覆盖即空域投影采样最少,也就是重建图像的投影数目最少、效率最高。通过研究发现了Mojette投影数据在其频域上的等效关系,将投影压缩在有限角度范围内,实现了有限角度CT图像重建。实验结果表明利用所提方法可得到较好的重建结果。     

基于代数迭代的Mojette变换层析重建算法

提出了一种基于代数迭代的Mojette变换层析重建算法。在确定最佳投影角度的基础上,结合传统层析技术中的乘性代数迭代算法进行重建。利用该算法对轴对称火焰进行了层析重建。数值模拟结果表明,与基于角的重建算法相比,该算法在噪声较大情况下的层析重建质量更好。     

三维层析诊断跨界面成像修正方法研究

三维层析诊断技术通过高速相机采集火焰在空间各方向上的二维投影,利用层析算法重构火焰的三维空间分布,具有时空分辨能力,可完整解析火焰发展过程,是测量和评估发动机缸内燃烧过程的新兴技术。该技术应用于光学发动机燃烧测试时,缸内光学信号通过透明缸壁时将发生折射,导致投影产生扭曲,进而影响火焰三维重构精度。本文基于平行光成像假设和光线追踪法,在MATLAB平台上发展了跨缸壁界面的成像扭曲修正算法,并使用数值方法验证了该算法的正确性。     

基于倾斜阵的距离与方位联合估计*

针对阵列倾斜引起的阵不变量方法定位精度下降的问题,该文结合倾斜阵声源定位的三维模型提出一种基于倾斜阵的距离与方位联合估计算法。该算法通过联合自校正方位距离联合估计方法对阵列倾角在声源-接收平面的投影量进行估计和补偿,改善目标距离估计误差的同时,利用匹配出的阵列倾角投影量反向估计目标方位,获得对声源二维位置的估计。通过仿真验证了该算法能够在阵列倾角较小时实现目标方位与距离的联合估计。     

干涉型计算层析成像光谱仪的图像重建

针对干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)提出了一种光谱图像数据立方体的重建方法。干涉型计算层析成像光谱仪是一种将空间调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理相结合的一种新型成像光谱仪,具有高通量、高光谱分辨力以及高空间分辨力的特点。分析和讨论了干涉型计算层析成像光谱仪的工作原理以及获取图像的特征,介绍了光谱图像数据立方体的重建方法。根据多角度投影数据的特点提出采用卷积反投影计算层析成像图像重建算法,给出了图像重建步骤以及相应的数学表达式。对D65光源照明条件下的396×396像素目标进行了仿真实验,投影角度为0~180°,步长为0.5°,列出了仿真实验部分结果。实验结果验证了干涉型计算层析成像光谱仪及其图像重建算法的可行性。     

3-D flame temperature field reconstruction with multiobjective neural network

A novel 3-D temperature field reconstruction method is proposed in this paper, which is based on multi-wavelength thermometry and Hopfield neural network computed tomography. A mathematical model of multi-wavelength thermometry is founded, and a neural network algorithm based on multiobjective optimization is developed. Through computer simulation and comparison with the algebraic reconstruction technique (ART) and the filter back-projection algorithm (FBP), the reconstruction result of the new method is discussed in detail. The study shows that the new method always gives the best reconstruction results. At last, temperature distribution of a section of four peaks candle flame is reconstructed with this novel method.     

CT不完全投影数据重建算法综述

本文主要针对计算机断层成像(computed tomography,CT)不完全投影数据重建中探测器全覆盖稀疏角度重建和探测器部分覆盖截断数据重建问题,综述了其在研究方法上国内外的进展.在探测器对被检测物体可以完全覆盖的情况下,针对稀疏均匀采样和视角受限采样,探讨了离散模型迭代重建算法和压缩感知采样重建算法.在探测器对被检测物体不能完全覆盖的情况下,探讨了锥束螺旋BPF重建算法、加型迭代重建算法和锥束FDK改进算法.论文可以为CT重建领域的研究工作者提供全面的方法梳理和总结,并指出了当前研究的重点和未来研究的方向.     

Three-dimensional magnetic resonance microscopy of materials

Several aspects of magnetic resonance microscopy are examined employing three-dimensional (3D) back-projection reconstruction techniques in combination with either simple Bloch-decay methods or MREV-8 multiple-pulse line narrowing techniques in the presence of static field gradients. Applications to the areas of ceramic processing, catalyst porosity measurements and the characterization of polymeric materials are presented. The focus of the discussion centers on issues of sensitivity and resolution using this approach compared with other methods. Advantages and limitations of 3D microscopy over more commonly employed slice selection protocols are discussed, as well as potential remedies to some of the inherent limitations of the technique.     

无需系统标定的三维视觉重建北大核心CSCD

为了解决传统三维重建需要依赖系统标定信息的问题,提出了一种基于相位图的不需要系统标定信息的三维视觉重建算法。首先使用结构光测量技术获得被测物体表面的相位图,再利用相位图的横向和纵向空间扭曲特性计算物体表面相对深度信息,最后实现被测物体的三维视觉重建。这种方法可以用在无法进行标定或无法获取标定信息的场合。实验结果表明,当被测物体表面结构简单时,这种方法的三维视觉重建效果较好。并通过对比传统三维重建结果验证了该方法的有效性。     

Three-dimensional imaging and visualization of partially occluded objects using axially distributed stereo image sensing

In this Letter, we propose a multiperspective three-dimensional (3D) imaging system using axially distributed stereo image sensing. In this proposed method, the stereo camera is translated along its optical axis and multiple axial elemental image pairs for a 3D scene are collected. The captured elemental images are reconstructed in 3D using a computational reconstruction algorithm based on ray back-projection. The proposed method is applied to partially occluded object visualization. Optical experiments are performed to verify the approach.     

全息模拟再现像的三维重构

提出一种全息模拟再现像的三维重构方法,可以模拟再现得到三维再现像.计算机模拟再现许多幅在不同深度位置的二维光强分布;利用灰度级变化的聚焦度评价方法,通过寻找最大聚焦度值,确定再现三维像各像点的深度信息.实验证明,该方法能实现模拟再现像的三维重构,使数字全息术有希望成为一种全新的三维面形检测技术.再现像三维重构的实现可以更客观地对全息图进行像质评价,并验证计算机制全息术算法的正确性.     

4-D image reconstruction for Streak Tube Imaging Lidar

The Streak Tube Imaging Lidar (STIL) which is the flash laser radar is developed in recently years. It can output the 4-D image (3-D range image + 1-D intensity image). The core part of STIL is the streak tube, which is a line array detector. STIL can directly collect the image of returned light pulse, and consequently, it can’t output the 4-D target image. In the paper, the peak detection as the reconstruction algorithm is used to reconstruct the multiple streak tube images, and the clear 4-D target images are obtained. The outdoor imaging experiments are completed for the far distance buildings. The reconstruction for the multiple streak tube images is finished, and the results state that the peak detection algorithm can output the high-resolution 4-D target images. Original Text ? Astro, Ltd., 2009. The article is published in the original.     

Progressive EPR imaging with adaptive projection acquisition

Continuous wave electron paramagnetic resonance imaging (EPRI) of living biological systems requires rapid acquisition and visualization of free radical images. In the commonly used multiple-stage back-projection image reconstruction algorithm, the EPR image cannot be reconstructed until a complete set of projections is collected. If the data acquisition is incomplete, the previously acquired incomplete data set is no longer useful. In this work, a 3-dimensional progressive EPRI technique was implemented based on inverse Radon transform in which a 3-dimensional EPR image is acquired and reconstructed gradually from low resolution to high resolution. An adaptive data acquisition strategy is proposed to determine the significance of projections and acquire them in an order from the most significant to the least significant. The image acquisition can be terminated at any time if further collection of projections does not improve the image resolution distinctly, providing flexibility to trade image quality with imaging time. The progressive imaging technique was validated using computer simulations as well as imaging experiments. The adaptive acquisition uses 50-70% less projections as compared to the regular acquisition. In conclusion, adaptive data acquisition with progressive image reconstruction should be very useful for the accelerated acquisition and visualization of free radical distribution.