光学成像新技术.docx

视觉是人类获取客观世界信息的主要途径(据估计人类感知外界信息有80%来自视觉，但在时间、空间'灵敏度、光诣、分跳力等方面都有局限性.光学成像技术利用各种光学成像系统获得客观景物图像，通过光信息的可视化可延伸并扩展人眼的视觉人性。自古埃及人与美索不达米亚人在三千年前第一次将石英晶体磨光制成中路麴透镣(NimrUdIenS)以来,光学成像技术不断发展,从最开始的金屈光化学摄影.到七光版光化学撮影.再到胶卷光化学被影、数码相机的出现，及至现在广为人知的“计算成像"(ComPUtatiOna1.imaging)技术，所摄取的图像场景不仅可以由近及远、由外到内、由中观到宏观和微观,甚至可以由此及彼。新近，计算成像技术异军突起,带来了许多令人霆抬的效果。21世纪以来.斯坦福大学、麻省理工学院、用伦比亚大学、杜克大学、曲加州大学、微软研究院等国际著名斫究机构基于计算光学成像技术降续提出或实现了波前编码成像、光场成像、时间编码成像、孔径编码成像、穿透敢射介质成像等本文将对穿透放射介筋成像、鬼成像、无标记光学显微成愎、波前编码成像、华光子扫描成像、的振成像以及全息成像七个光学成像新技术进行介绍，以推广大图像处理爱好者，1.穿透微射介朋成像(1)穿透散射介质成像原理当光线穿过骡、烟、碳以及浑浊的海水等做射介质时，受到微射介质中存在的微小颗粒影响，使得先践发生敌射，导诙法于光强的传统成像设备无法获取高质中的图像，从而给获取场景有效信息(场景深度、物体材麻、物体衣面纹理等带来困难R随莉对散射介质和散射特性的深入研究.一种可接受的观点认为,散射介质可看作为线性不变系统,对于确定的随机鼓射介质，相同的输入光场总是可以窗到相同的输出光场，即入射光中携带的信息只是因为散射而变得杂乱，但是没有丢失也就是说，放射介质只是时光场所携带的信息进行了“编码”处理,如果能够采用一些特殊的方法进行“解码”.那么就可能恢更被放射前的光场,从而获取其所携带的伯息，穿透散射介质成像技术油然而生.穿透欣射介质成像系统如图17所示。携带物体信史的光入射到散射介质上，在放射介侦内部随机传播，发生散射效应，使得微射光场的传播方向及相位分布等呈现随机时乱状态，进而在CCD(Charge-Coup1.edDeViCe)接受面上表现出强度随机分布的敬班图案.放斑图傀经过合适的计算重建就能得到清晰的目标图像.不过,做斑相关方法受限于光学记忆效应(OM*Optica1.MemoryEffeCt)的角度范围，计算重建并不容易,往往衙要设说参考点才行。鉴于此，文献提出了一种甚于偏振调制的方法来观察OME范树之外的敢射介质，与其他超越OME成像的方法不同,该方法可以在没仃参考点的情况下重建目标.光源透悦物平面图IT穿透散射介质成像东统"与况别ER前，穿透散射成像技术己经能够在存在散时介质的环境下获取场景中的有效信思，比如场跋深度、物质材质、物体表面奴理等。因此，被广泛应用在科学研究、工业生产、居民生活、社会安全等多个领域,诸如海底助探、导肮、遥感.测绘、火灾救援等实际场景.场景的深度可以让人们判断目标物的形状、大小与距离，为勘探和救援提供有效指导，(2)穿透微射介项实例图像如图1-2所示，原目标图像如图1-2<a)所示，分别经过毛玻璃、鸡胸肉以及熬表皮后相机拍报到的敢场图如图1-2(b)所示，图1-2<c>为敢避图经过自相关后，通过基本的FienUP型恢红算法恢纪的结果OE1.(c)图1-2穿透放射介质成像示例信用融合与识别ns2.%成像<1)嵬成像原理及应用鬼成像.又称为关联成像、St子成像.鬼成像利用依f纠缠特性或者光强度涨落的关联特性，通过关联算法，在无目标的光路上恢复出物体图像.利用的是一对纠缠光子“分手”后,一个光子遇到物体被-,个没有空间分辨能力的探测潞接收，同时另一个光子也被探测器接收到，两个探测器结果“相潮”后就可以得到物体的照片类似干两个不相识的画师闭着眼脑在血布上肾过涂鸦,却合作f1.i出了精确的人物肖像.“见成像”的原埋如图27所示.光源照射到分束器后分成参考光和信号光两路，其中，参考光由具有空间分辨能力的CCD阵列接收，信号光被打至物体r中，由没有任何空间分辨能力的桶探溺器接收，然后利用两路光路分别接收到的信息进行关联算法的恢交运兑.得到图像的恢亚图.BS弁考光路(CD光源关联运算信号无路物体TU，)精探测器图2-1鬼成像原理示意图:品如与邓加“目前，Q子成像包括了基于刿观光源的量子成像、翦于经典光源的量子成像和主动光场调制的fit子成像等三大技术路线.而在主动光场陶制的册子成像技术中又衍生出了单像素成像、总光子扫描成像和非视域成像三种新技术.最近，文斌9利用卷积核簸新设计了掂于Hadanard的照明模式，提出了谛算卷积设成了(CeGI,Computationa1.1.yConvo1.u1.ioria1.GhostImaging).该方法不仅可以在不先成像的情况下提取出兴趣的特征,而且CCGI方法还可以在亚奈奎斯特采样条件下自适应地工作.见成像的技术特点是器测凝位并非传统意义上人眼所观察到的二维图像.需要与掩膜信息进行关联计算才可以转换为图像其测砒值虽然不符合人类视觉感官,但更适于机器的读取与传输,在一些应用场景卜鬼成像甚至无需完全重建图像.而只需恢更场景的某些特征信息,因此该技术非常适用于目标检测、分类等应用.除此之外，其稀疏采样特性可大大降低刈量值的估息冗余盘，十分适合远距底传蝌中的图像由便，将鬼成像技术与多种成像方式结合，可为生物医学成像、空间遥感、军事时抗成像,自动驾驶等领域带来全新的成像方窠：'°(2)嵬成像实例息息合与炽别nuc图2-2的（八）和(b)分别是水杯被介质(这里使用的介质为磨砂纸)阻档时.传统成像和鬼成像的成像结果”.图2-2以成像实例3 .无标记光学显微成像技术<1)无标记光学显微成像技术*理及应用基于荧光标记的显微成像技术是目前生物医学成像的主要方法之一，不过该技术存在漂白、光猝灭、难以特异性标记及荧光干扰等瓶颈，因此，无标记光学显微成像技术应用而生。典型的无标记光学显微成像技术有相干拉曼散射显微成像技术、光热显微成像技术、表面等离激元显微成像技术和F涉散射此微成愎技术图31是光热显他成像技术原理图.该技术需要用到两束光束探测激光和束通过声光园制器得到的频率为。的加热激光.首先，使用大数值孔径物镜(x】OQ,VMJ)将两束光聚焦在样品同一点上：其次,使用第：个物镜(80,M4=0.8)收集探测秋光的发射场和附向放射的干涉信号作为前向信号：再利用偏振分光位和"4波片的组合收集反射场(参考场)和后向散射的干涉信号作为后向信号：然后，前向或后向信号被快速发光二极管收集并馈入锁相放大器用以检测粉率。下的基频信号，提取光热信号，形成显微图像，图3-1光热故微成像装置示皮Im31与:制心由于.光热显微镜不依就于荧光，口对吸收他量敏运,因此它能既可视化吸收光的物体，如金闻纳米颗粒、活细胞中的内源性生物成分等，如文献13利用中红外光热和拉晚显微钺对景令初样品化学成分的空间分布获得了亚微米尺度的空间分辨率可视化共混聚合物薄膜的化学成分.<2)光熬显看成像实例图3-2的（八）、(b)和(C)分别为痘病毒、He1.a细胞以及少突胶质细胞的光热显微成像图.叵星融台与妒.别nuc图3-2光热显微成像实例4 .波前码成像(1)波前一码成像原理及应用波前箱码(nvcFrontCoding.IrFC)是一种混合成像技术.包括了光学设计和图像恢复，性能卓越的相位推模和强大的还原算法是WFC成像系统实现惊人性能的美键"I波前编码成像道路图如图”1所示，它通过在传统光学系统小腌或孔径光碣处加入一个光学相位掩模.使光学系统具有对像而离焦不敏感的特性,在一个比较大的热离焦范围内得到的中间编码图像几乎与像面位置无关小.为了得到滴眼图像，数据编码处理单元使用数字图像复Ki技术对模糊的中间编码图像进行数字解码发原,去除光学相位板时光学系统成像的模糊编码.波前编码相位掩码红夕版利器喝孔图4-1波前编码红外成像链路示也Ie皂出白与崇颁X文觎M利用波前编码成像来抑制光学削顶的动态航空光学像旌(Aero-optica1.AberrationOfOptica1.Done.AAOD),从而提高呼弹以超音速飞行时的成像制导精度。文献15说明了利用波前编码成像来消除因环境温度变化引起的热肉供.从而实现对匕外系统的无热化成像.(2)波前一码红外成像实例图4-2为红外图像(图4-2中a以及波前编码红外成像(图4-2中(b)和(c)分别为波的编码成像的数字解码处理前后的图像)在不同温度下的成像结果.S1.g=*2c温度voC温度10'C()普通红外图像(b)中间编码图像图4-2波前端码红外成像系统的无热化突睑结果6.单光于扫描成像(1)单光子扫据成像原理及应用单.光子探测技术不仅可以使探测灵敏度达到单光子的水平,而且可以达到皮秒(PS)级的时间分辨率，因此，唯光子技术兼具优秀的探测性能和距高分辨能力.基于蔽革模式雪崩光电二极管(Geiger-modeava1.anchePhO1.Odiode,GY-APD)探测器的光子探测成像系统跖理框如图5-1所示该技术利用激光能力密度高,方向性好的特点,采用具有的光子探测能力的光电探测潺,通过对口标光场在时间.空间上的高精度采样和反演计算，获得目标的：维灰度图像：同时测显激光脉冲在目标点上的往返时间和角位置，获得目标的距眼图像；在对11标点的灰度图像和距我图像进行处理后.即获得目标的三维图像。-”列(GM-APO)日悚4(左g舱RW5-1用光f探测成像惊理机图.值思融合与织别M新近.单光子成像技术发展速度惊人.2020年,中科大徐飞虎团队使用155Onm的脉冲激光器和扫描振镣，采用亚像素扫描的方法在-15k>距离上完成有源单光子三维成像的实验：2021年，该团队又实现了201.5km的近距离三堆单光子扫描成像，还有研究将环境噪声与主动强度图像相结合用以指导填充深度图像中缺失的信息.取行显著效果.另外，在光学遥感技术中接收一些微弱的的背向散射伯号时，引入单光子计数器等高灵敏度的光学探测设备同样取得良好效果”'匕<2)单光子成像实例图5-2（八）为徐飞虎团队采用亚像素扫描的方法在45km即面上完成了有源单光子三维成像的重建结果,建筑物上0.6m宽的窗户在重建结果中清晰可见.图5-2的(b)为该团队实现的201.5km的远距宓三维单光子扫描成像的里建结果.图一息1»含与识别“U图5-2远即肉单光ftIttFO农建结果6 .偏振成像(1)偏摄成像原理及应用偏版星光的重要物体特性之一，地表或人气中的目标在反射、放射、透射和辅射电极波时会产生由自身特性所决定的特定倒报信息.偏振成像在传统成像的基础上增加了馆娘维的信息，不仅能修提供二维空间的光强分布，还能狭得目标和背景的偏报信息.十分有助于分析目标的形状、表面粗楂度、纹理走向和材料的理化特性等从技术路线看，现有体振成像方式有分时型、分振幅型、液晶调制型、分孔径型、分焦平面型和通道调剜型，不同类型各有其优缺点，感兴趣的读者可以参看文献20。其中，常用的分时偏振系统通过可移动的设备或手动调节偏振角度，能在不同时间段内获取同场景的不同偏振角度的偏报图像.如通过旋转偏振片和波片角度.依次获得儡娱角度为。度、45度、90度以及135度四个偏振分最，如图6-1所示的分时倍振成像系统是在成像系统物镜后面放置偏振片与波片组成，在民用领域，偏振成像Ur用于透明材质的表面损失检测'高反光/我辐射、无奴理目标的三维测豉、复杂现场中金属与非金屈目标的快速识别和分类、金属疲劳损伤评估以及医学临床诊断等：在军事应用领域，偏振成像可以用于反伪装、抗干扰、提高时FI标的探测跟离以及目标分类等。偏振成像可以解决红外探测的“热反差淡化”一一在一天中的特定时间段，出现目标对比度“消失”现象。除此之外,偏振成像还可用于水下目标检测.如探查他方潜艇和水雨、打扮和搜救己方人财物等目前，对伯娠成像质JK:的改进算法仍属于发展中的开放课遨"1.(2)偏摄成像实例偕振成像可以少水面反光，玻璃反光等北金属反光，如图6-2的（八）衣示没有添加偏振片时，普通相机拍掇出来的效果，而图6-2的(b)为偏报相机拍摄出来的效果M.通过偏振相机，可以埴加色彩的饱和度，从而还原更JI实地色彩。如图63M（八）为普通相机拍摄出来的图像.而b)偏振相机拍出来的图像.()(b)W6-2i振成像M少成通反光示例图用6-3刊川IMik坡24屯仲汉小例图7 .全息成像(1)全息成像原理及应用全息技术的基本原理是：物体反射的光波与参考光波相干登加产生干涉条纹,这些干涉条纹被记录的结果即为全息图，全息图在一定条件下再现，便可?R现保物体逼出的三维像。根据全息图的记录手段和再现方式的不同，全息图可分为光学全息图、计算全息图以及数字全息图“。常用的数字全息成像原理图如图77所示.光源通过分束慎形成的两束光束.其中-束光束照射到百蛙上,青蛙反射的光波与外一束参考光束相干叠加产生干涉条触，即全息图，后被CeD(Ca)取代了传统的干板用来记录全足图接收，然后由计算机以数字的形式对全息图进行再现，常见的重建方法有茸涅耳变换法、卷枳法、相格法以及相位恢史法.将全息成像与其它成像技术相结合是目前的发展趋势之一。tai：将全息成像技术和显微技术相结合,充分利用两者的优点,不仅能放大样本物体而且能动态记录物体的三维信息：将待加密伯息的全忠图作为秘密信总嵌入我体图像实现信息的藏，将传播规律和站构几何参数作为密钥，通过设计多Hi“锁”和多无“密钥”即Ur实现高密级的数据加密”网。(2)数字全息成像实例通过Mat1.ub,设计图72所示的仿真模型,谟模型的全息图如图72(b)所示.通过布涅耳变换法得到近构的目标二维及其三维图如图7-2(c)所示总的来看，光学探测器、信号处理技术与新型计算光学成像理论与方法相结合己经逐渐呈现出多点突破而势待发的生动景象，我国在光学计算成像理改写技术方面已取得喜人的成果,新的技术和应用必将催生新的图像处理需要,值得图像处理研咒者关注.