【摘要】：光學(xué)測量是光、機(jī)、電三者高度結(jié)合的高科技。最初的光學(xué)測量僅限于對光線的控制及追跡,采集的信息量低、系統(tǒng)效率低下。光學(xué)成像憑借其高速、精確、非接觸等特點(diǎn),其在測量領(lǐng)域中的應(yīng)用顛覆了傳統(tǒng)的光學(xué)測量技術(shù),為光學(xué)測量帶來了革命性的飛躍,現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、生物、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域�；诠鈱W(xué)成像的光學(xué)測量本質(zhì)上是通過成像系統(tǒng)采集目標(biāo)的圖片,并應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)在其中提取目標(biāo)形貌信息的過程。因此,獲取目標(biāo)圖像、提升采集圖像質(zhì)量并提高與目標(biāo)的相似度是光學(xué)成像測量的關(guān)鍵。光學(xué)成像按照目標(biāo)圖像的獲取方式可分為傳統(tǒng)成像及光場/計(jì)算成像兩大類。對于傳統(tǒng)成像系統(tǒng),其核心部件為鏡頭及面陣探測器,設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)完成后結(jié)構(gòu)很難改變,成像過程為物方場景的簡單復(fù)制,信息量單一,丟失了大量有效信息。相比之下,光場成像系統(tǒng)并無固定結(jié)構(gòu),各部件間可互相調(diào)節(jié),系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體思路不再是獲得一個(gè)具有高分辨率的二維圖像信號,而是僅采集圖像理解算法需要收集的信息,實(shí)現(xiàn)“從二維到信息”的跨越。區(qū)別于傳統(tǒng)成像技術(shù),光場成像技術(shù)作為一種新興的光學(xué)成像手段,通過對光場空域和時(shí)域參數(shù)的調(diào)控,可以有效地調(diào)制光信號的時(shí)序、相位、振幅、波前、色散等各項(xiàng)特性,從而獲得傳統(tǒng)成像系統(tǒng)無法獲取的編碼光場或高時(shí)空分辨率的光學(xué)圖像。使用獲取的高維或編碼的光場信息,可以計(jì)算重構(gòu)物方空間如深度、角度、輪廓等各種物理量,這必定會拓寬光學(xué)成像系統(tǒng)的適用場景進(jìn)而更好地應(yīng)用于光學(xué)測量中。然而,現(xiàn)有基于圖像的光學(xué)測量大多基于傳統(tǒng)成像技術(shù),隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,在某些物理量測量中,現(xiàn)有的光學(xué)測量已不能夠滿足人類探索未知世界的要求。且現(xiàn)今的科學(xué)研究往往需要在深海等極其惡劣的環(huán)境中對目標(biāo)的形貌進(jìn)行探測,在極暗或高渾濁度環(huán)境中傳統(tǒng)成像技術(shù)將無法獲取目標(biāo)信息;此外,傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)視場有限,處在視場外的目標(biāo)信息將會丟失,大幅降低測量范圍及精度;另外,單個(gè)傳統(tǒng)成像系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)對立體目標(biāo)三維信息量的采集,需要至少兩套系統(tǒng)相互配合,這就造成復(fù)雜程度較高,標(biāo)定校準(zhǔn)困難。針對上述問題并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),本文系統(tǒng)地研究了壓縮感知單像素成像技術(shù)、壓縮感知計(jì)算重構(gòu)、距離選通、數(shù)字重聚焦、深度面圖像及焦點(diǎn)堆棧計(jì)算重構(gòu)、深度圖計(jì)算等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù),提出了一系列基于聚焦型光場成像技術(shù)的二維及三維目標(biāo)重構(gòu)解決方案,有效地解決了包括卻不限于以上列出的傳統(tǒng)測量技術(shù)存在的各項(xiàng)問題。文中的主要內(nèi)容概括如下:(1)首先,針對單像素成像中計(jì)算重構(gòu)這一關(guān)鍵性問題,提出了一種依托于壓縮感知的高速、高準(zhǔn)確度的重構(gòu)方法,為之后的系統(tǒng)應(yīng)用提供了有力的理論支撐。對于透射式及反射式二維目標(biāo)成像,給出了相應(yīng)的主動模式單像素成像模型,基于成像模型搭建了對應(yīng)的主動式單像素探測系統(tǒng),利用獲取的離散采樣值實(shí)現(xiàn)了二維目標(biāo)的計(jì)算重構(gòu)。在目標(biāo)成功重構(gòu)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)的分析了影響系統(tǒng)重構(gòu)質(zhì)量的系統(tǒng)及環(huán)境因素。在系統(tǒng)因素方面主要探討了單像素探測器有效像元面積、微反射鏡陣列配置、采樣次數(shù)及觀測圖樣類型對系統(tǒng)重構(gòu)質(zhì)量的影響,并提出了有針對性的解決方案。對于環(huán)境因素的分析,引入了激光回波方程及介質(zhì)透過率方程,通過理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)維度分析了介質(zhì)渾濁度、目標(biāo)距離及環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能的影響。在對環(huán)境因素分析的過程中發(fā)現(xiàn)該成像系統(tǒng)可在高渾濁度、寬工作溫度范圍下對目標(biāo)進(jìn)行采樣探測,具有超高的噪聲及溫度容忍度。為進(jìn)一步說明單像素光場成像技術(shù)的優(yōu)勢,搭建了與之對比的傳統(tǒng)成像系統(tǒng),對不同渾濁度水體中目標(biāo)重構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行了對比。(2)其次,圍繞處于非視距環(huán)境中的二維目標(biāo)探測問題展開被動模式單像素成像技術(shù)的理論及系統(tǒng)搭建研究。考慮遮擋目標(biāo)的特殊性,為抑制雜散光對整個(gè)系統(tǒng)的影響,設(shè)計(jì)了基于距離選通的同步控制系統(tǒng),對各儀器之間的邏輯激發(fā)關(guān)系進(jìn)行了詳實(shí)的介紹�；谝陨涎芯�,搭建了適用于遮擋目標(biāo)探測的單像素系統(tǒng),利用系統(tǒng)采集的稀疏信號,實(shí)現(xiàn)了對置于視線以外二維反射式目標(biāo)的探測及重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激光脈沖在目標(biāo)表面反射時(shí)會出現(xiàn)比較強(qiáng)烈的各向異性反射,對整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。因此,基于上一部分激光回波方程進(jìn)行了進(jìn)一步推導(dǎo),得出了含有目標(biāo)表面特性的激光回波方程,通過大量像質(zhì)對比實(shí)驗(yàn)分析所得方程的正確性。此外,搭建了基于傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的遮擋目標(biāo)探測系統(tǒng)并對探測結(jié)果進(jìn)行比對分析。(3)最后,在兩種類型二維目標(biāo)不同環(huán)境中探測研究的基礎(chǔ)上,針對目標(biāo)三維信息中深度面圖像獲取這一關(guān)鍵性問題分兩個(gè)部分進(jìn)行研究,分別為基于透鏡陣列的四維光場處理和單像素成像的目標(biāo)探測�；谖⑼哥R陣列光場成像單次采集即可獲取物方空間四維光場信息的性質(zhì),結(jié)合焦點(diǎn)堆棧模型及切片投影定理,提出了一種濾波反向投影算法,該算法可以在短時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量的通過四維光場信息獲取焦點(diǎn)堆棧,同時(shí)對四維光場信息的視角重構(gòu)進(jìn)行了理論分析。在理論分析的基礎(chǔ)上,搭建了基于微透鏡陣列的光場采集系統(tǒng),通過對所采集的四維光場圖像進(jìn)行焦點(diǎn)堆棧重構(gòu)及視角變換,對本文提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證。此外,結(jié)合主動式單像素及時(shí)間飛行原理,提出了一種新型的三維目標(biāo)單像素成像探測方法,建立了探測模型并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對三維目標(biāo)進(jìn)行探測。本文以光場成像為主線,通過從二維到三維、從暴露到遮擋、從算法到實(shí)驗(yàn)三個(gè)維度將光場成像中的關(guān)鍵理論及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用展開了全面細(xì)致的研究,對光場成像技術(shù)的發(fā)展起到了良好的促進(jìn)作用。
【圖文】：

最成熟和應(yīng)用最廣泛的兩項(xiàng)技術(shù)分別為匯聚式單像素成像及基于微透陣列的光場成像。光場中包含著海量信息，這些信息很難被直接處理，這就是壓感知產(chǎn)生的背景，而通過使用壓縮感知技術(shù)，光場成像中后期數(shù)據(jù)處理的問題可得到有效的解決。如圖 1.1 所示為光場成像分類樹狀圖。本部分將依照此樹狀圖，分別對匯聚單像素成像、基于微透鏡陣列的光場成像和壓縮感知理論的國內(nèi)外發(fā)展情況做入細(xì)致的梳理。含有匯聚透鏡的單像素探測器成像（單像素成像

單像素成像技術(shù)最有競爭力之處還在于這種技術(shù)擁有較大的光譜工作范圍，而傳統(tǒng)相機(jī)很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，通常認(rèn)為傳統(tǒng)相機(jī)不能從一個(gè)帶寬切換到另一個(gè)帶寬。因此，若要使用傳統(tǒng)成像系統(tǒng)測量多個(gè)光譜部分，需要搭配使用多個(gè)單獨(dú)的鏡頭和相應(yīng)波段的探測器陣列。此外，受制于半導(dǎo)體技術(shù)水平，并非所有波段都有足夠分辨率的探測器陣列。而單像素成像系統(tǒng)能夠從單個(gè)像素出發(fā)，生成完整的二維(Two dimensional, 2D)場景，將工作在不同波段的探測器集中到一個(gè)基本系統(tǒng)中，使得超光譜成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。隨著對單像素成像技術(shù)水平的不斷提升，其成像質(zhì)量必然會更接近于傳統(tǒng)成像系統(tǒng)并完成超越。2006 年，美國萊斯大學(xué)的 Baraniuk 等人首次將壓縮感知理論應(yīng)用于光學(xué)成像域，設(shè)計(jì)并搭建了一臺“單像素相機(jī)”[30]，，圖 1.3 為單像素相機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作流程示意圖。從圖中可以看出，其核心為數(shù)字微鏡器件，數(shù)字微鏡器件由百萬個(gè)微米量級獨(dú)立控制的微反射鏡構(gòu)成，獨(dú)立反射鏡均可以繞控制軸沿正負(fù)方向旋轉(zhuǎn) 12°。圖 1.3 中數(shù)字微鏡器件上的黑白色方格代表處于兩種偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的微反射鏡。此類單像素相機(jī)的成像過程可以簡要的描述為：第一個(gè)透鏡將目標(biāo)成像于 DMD 芯片上，目標(biāo)圖像的一部分被微反射鏡陣列上反射鏡微元反射，隨后通過第二個(gè)匯聚透鏡
【學(xué)位授予單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O432.2;TP391.41

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本文編號：2652226