南京理工大学《学科前沿系列讲座》100分论文陈钱教授.docx
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南京理工大学《学科前沿系列讲座》100分论文陈钱教授
南京理工大学
《学科前沿系列讲座》结课论文
基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案
2014-1-14
该成像方案核心思想是:
采用人眼视网膜的注视眼动模式,将视场内目标的空间位置信息转化为高精度的时间信息,并进行时域数据处理和超分辨率图像重建,从而达到数十倍地提高红外图像空间分辨率的目的。
摘要
本文通过分析人眼视网膜注视眼动特性研究现状、国内红外微扫描成像方法研究现状、传统红外微扫描方法提高分辨率受限的三大相关领域研究现状,提出创新高分辨率扫描方案迫在眉睫,且基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案具有可行性。
后文依次介绍人眼视网膜的注视眼动特性、人眼视网膜注视眼动模式下的空域-时域信息转换理论、时域数据处理方法及超分辨率图像重建算法叙述了基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案的原理。
本文为《学科前沿系列讲座》结课论文,附文为《学科前沿系列讲座》课程感悟。
关键字注视眼动特性高分辨率成像研究现状成像原理课程感悟
目录
摘要2
目录3
1引言4
2相关领域研究现状4
2.1人眼视网膜注视眼动特性研究现状4
2.2国内红外微扫描成像方法研究现状5
2.3传统红外微扫描方法提高分辨率受限5
3基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案创新之处6
4基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案核心思想6
5基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案原理6
5.1综述6
5.2人眼视网膜的注视眼动特性7
5.3人眼视网膜注视眼动模式下的空域-时域信息转换理论7
5.4人眼视网膜注视眼动模式下的时域数据处理方法9
5.5人眼视网膜注视眼动模式下的超分辨率图像重建算法10
致谢11
参考文献12
《学科前沿系列讲座》课程感悟14
1引言
红外成像具有能全天候工作、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点,自问世以来就受到各国军事和民用部门的高度关注,成为现代战场和生产、生活中不可或缺的探测手段。
空间分辨率是评价红外成像性能的一项重要指标[1],红外图像的空间分辨率越高,就意味着对目标的及早发现、精确定位和有效识别的能力越强[2],不断提高红外图像的分辨率已经成为红外成像领域越来越迫切的需求,在军事、航天、公安、民用等领域具有重要的意义[3]。
2相关领域研究现状
2.1人眼视网膜注视眼动特性研究现状
早在十八世纪30年代,科学家们就发现,人眼在注视某一物体时,视网膜会以自身无法察觉的频率和幅度进行微小的扫描运动,这种微运动被称为注视眼动(fixationaleyemovement)[4]。
十九世纪末期,科学家们又发现人眼具有超视锐度(超分辨)能力[5],超视锐度现象具体表述为,“在正常人眼视网膜最为敏感的中央窝内,两个感光细胞的最小中心角度为30秒到1分,理论上认为,人眼的分辨能力受视网膜感光细胞的最大镶嵌密度限制。
然而,心理物理实验表明,在某些刺激图形下,人眼可以分辨空间上视角大约为5秒到6秒的两个点”。
美国的Westhemer等人[6](1975)又在游标卡尺实验中证实,人眼可以分辨空间上视角小于2秒的两个点,这大大超出了视网膜中央窝内感光细胞的最大排列密度,比理论值高出了一个数量级。
但是,受限于实验手段的落后,人们对视网膜注视眼动的特点(包括频率、幅度、持续时间等)与超视锐度之间是否存在因果关系一直存在争论[7]。
随着先进实验手段的采用,研究成果才大量涌现[8-10],SusanaMartinez-Conde等人(2004)在《NatureReviewsNeuroscience》以及ZiadM.Hafed等人(2009)在《Science》上指出:
“人眼视网膜的注视眼动是由上视丘神经控制的主动扫描运动,其运动模式是人眼具有超视锐度能力的直接原因”。
至此,视网膜注视眼动模式与超视锐度之间的因果关系才逐渐清晰(但视网膜的注视眼动规律与人眼超视锐度的具体关系并未被详细研究)。
2.2国内红外微扫描成像方法研究现状
国内对红外微扫描成像方法也做了大量研究工作。
西安电子科技大学的左月萍、张建奇等(2003)对几种可控微扫描的工作模式以及成像模型进行了理论建模和仿真[11];长春光学精密机械与物理研究所的孟海鸿、张新(2004)提出了利用液晶光束控制器件实现非机械式的微扫描技术,克服了一般微扫描成像方法在实现对光束控制时所采用的机械装置的复杂性[12];大连民族学院光电子技术研究所的曲艳玲、芦永军等(2005)用计算机模拟的方法分析了微扫描的性能,从理论和实验角度指出微扫描成像方法在提高图像空间分辨率方面的作用[13];北京理工大学的金伟其教授等(2005,2007)提出了基于Markov约束和Poisson-MAP超分辨力图像复原算法结合的超分辨率重建方法,研究了基于凝视成像探测器的平板调制器原理和设计方法,在微扫描技术的深入发展和高分辨图像的重建方面做出了较大贡献[14,15];昆明物理研究所的蔡毅、吴新社(2007)对传统的微扫描成像方法进行了研究,从理论上分析了各微扫描方案遇到的科学问题[16];长春光学精密机械与物理研究所的刘妍妍、张新等(2009)提出了将光学编码技术与亚像元技术相结合的超分辨率重建技术,拓展了重建带宽[17]。
2.3传统红外微扫描方法提高分辨率受限
红外微扫描成像是提高红外图像空间分辨率的有效方法。
目前普遍采用的微扫描成像方法是利用微扫描装置(或者成像装置、场景)的微小移动,使汇聚于焦平面上的图像产生亚像素距的位移,得到多帧欠采样图像,再运用超分辨率算法将多帧欠采样图像重建成一帧图像,从而实现图像空间分辨率的提高[18];但该方法在几倍尤其是数十倍地提升分辨率的问题上面临诸多难题。
例如,对可控的微扫描而言,空间分辨率与成像性能在空间分辨率提高到一定程度时互相限制,空间分辨率越高,探测器的积分时间就越短,探测器像元获得的能量就越小,从而造成红外图像的信噪比降低,成像性能反而可能下降;非可控的微扫描需要依赖成像装置或者场景的移动所产生的微位移来实现超分辨率[19,20],而事实上,成像装置或者场景不可能一直保持着移动状态,因此这种方法的应用也受到相当的限制,寻求一种新的微扫描成像理论和方法迫在眉睫。
随着人眼注视眼动特性与人眼的超分辨能力之间的因果关系逐渐明朗,研究基于该特性的红外微扫描成像方法以大幅度地提高红外图像的空间分辨率成为可能。
3基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案创新之处
(1)紧密追踪国内外关于人眼视网膜的注视眼动理论、红外微扫描成像理论以及技术的最新研究成果,深入研究视网膜注视眼动与当前红外微扫描成像的共同点,创新性地将两个不同学科领域的理论有机地结合在一起,提出了微扫描成像的新方法,为红外微扫描成像开辟了一条新的途径。
(2)创新性地在人眼视网膜注视眼动模式的基础上,将目标的空间信息转换为能够精细划分的时间信息,并建立视网膜注视眼动模式下的空域-时域模型,为“视网膜微扫描”成像方法能够大幅度地提高空间分辨率提供了理论支持。
(3)为了从表征同一目标位置的大量“响应时间差”信息中获得准确的目标位置,该方案提出了目标空间信息的计算准则,该准则通过设置不同的“响应时间差”在计算目标空间位置中所占的权重来保证目标空间位置的精度。
采用目标空间信息的计算准则来保证目标空间位置的准确性,也具有其独特性。
4基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案核心思想
基于人眼视网膜注视眼动特性的红外微扫描成像方法(以下简称:
“视网膜微扫描”成像方法),其核心思想是:
采用人眼视网膜的注视眼动模式,将视场内目标的空间位置信息转化为高精度的时间信息,并进行时域数据处理和超分辨率图像重建,从而达到数十倍地提高红外图像空间分辨率的目的。
5基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案原理
5.1综述
“视网膜微扫描”成像方法的原理示意图如图1所示,压电陶瓷控制器控制光电接收器进行微扫描运动,光电接收器的输出数据经空域-时域转换、时域数据处理和超分辨率图像重建后,最终转化为高分辨率的红外图像。
图1“视网膜微扫描”成像方法原理示意图
5.2人眼视网膜的注视眼动特性
视网膜的注视眼动特性是产生人眼超视锐度的直接原因,该特性是“视网膜微扫描”成像方法前提。
人眼视网膜微扫描运动的频率、幅度、持续时间等参数的固有特点以及视网膜的注视眼动规律与人眼超视锐度的具体关系,其中,视网膜的注视眼动规律与人眼超视锐度的具体关系是设计“视网膜微扫描”运动方式的依据。
5.3人眼视网膜注视眼动模式下的空域-时域信息转换理论
在人眼视网膜的微扫描过程中,任意两个感光细胞(光电接收单元对)对同一目标的响应均存在着时间差(下文简称“响应时间差”),该“响应时间差”反映了目标的空间位置信息,且在理论上可以无限细分,因此,只要建立合适的空域-时域转换模型,就能够获得高分辨率的图像信息。
进而建立视网膜注视眼动模式下的空域-时域转化方程,并通过计算机软件进行求解。
图2初级光电接收器原理示意图
图3人眼视网膜运动模式下的空域-时域信息转换技术路线图
仅含一个红外镜头和两个光电接收单元的初级光电接收器,原理示意图如图2所示,光电接收单元由压电陶瓷控制器连接与控制,产生需要的运动轨迹,光电接收单元输出的数据进入数据处理单元后,由数据处理单元对其进行自适应高通滤波,以消除目标对比度以及目标和光电接收器之间的距离对“响应时间差”的影响,确保时间差仅与目标的空间位置有关,具体技术路线如图3所示:
一、通过分析初级光电接收器在一维运动模式下输出数据的特点,获得光电接收单元的响应规律及各光电接收单元之间的响应关系,建立一维运动的空域-时域模型,并通过一维运动试验进行验证;利用验证结果对模型进行修正,直至一维空域-时域模型与一维运动试验结果相吻合;二、将一维空域-时域模型扩展为二维模型,并将初级光电接收器的运动修改为二维运动以修正和验证二维模型,直至二维空域-时域模型与二维运动试验结果相吻合。
压电陶瓷片具有位移灵敏度高(可达10-9米)、响应速度快、承载大、性能稳定、不发热、不产生噪声及受外力干扰小等特点,这些都保证了“视网膜微扫描”成像演示验证装置的测试精度,为基于人眼视网膜注视眼动特性的空域-时域模型的建立、目标空间信息计算准则的推导和“视网膜微扫描”成像性能的正确评估提供了保障。
5.4人眼视网膜注视眼动模式下的时域数据处理方法
在微扫描成像过程中,“响应时间差”是空间域信息向时间域信息转化的纽带,但是,由于受到噪声的干扰和光电接收单元采样频率较低的限制,通过不同“光电接收单元”对获得的同一目标点的空间坐标不可能完全一致,存在一定的误差,为了消除该误差,获取更准确的目标空间信息,时域数据处理需要有针对性。
一种行之有效的方法为:
首先研究光电接收器输出响应的时效性,确定光电接收器的有效响应时间,以此获得每个“光电接收单元对”给出的各“响应时间差”;其次,根据空域-时域模型计算各有效“响应时间差”分别对应的目标空间位置,分析同一目标点的空间坐标之间的误差,确定各空间坐标的权重,即确定目标空间信息的计算准则,通过该准则能够获得目标的精确位置。
目标空间信息的计算准则是时域数据处理方法的关键,决定目标的空间位置精度。
图4人眼视网膜注视眼动模式下的数据提取方法技术路线图
人眼视网膜注视眼动模式下的时域数据处理方法的技术路线如图4所示,主要分为三步:
一、结合红外镜头参数、光电接收器的像元间距、光电接收器视场内的目标运动情况以及系统对空间分辨率的具体要求,推导出光电接收器的有效响应时间,该时间是决定红外图像的最终空间分辨率的重要参数之一,需要精确设定。
有效响应时间设置过大,则可能当探测器的最后一个探测元探测目标时,目标的位置已经发生改变,导致空间分辨率降低;有效响应时间设置过小,则有效数据量过少,同样不利于空间分辨率的提高。
二、根据初级光电接收器的设计原理,搭建面阵为6×6的“视网膜微扫描”成像演示验证装置,通过过该装置和光电接收器的有效响应时间计算出各“光电接收单元对”对应的“响应时间差”和各“响应时间差”对应的目标空间位置;三、将理论目标位置与实际空间位置进行比较,获得目标空间位置误差分布图,由该分布图最终推导出目标空间信息的计算准则,即各“响应时间差”在确定目标最终空间位置上所占的权重。
5.5人眼视网膜注视眼动模式下的超分辨率图像重建算法
由于人眼视网膜注视眼动的不规则性,经时域数据处理后获得的原始图像具有不均匀的空间分辨率,并且,由于光学系统离焦等因素的影响,图像的分辨率与真实图像相比仍需改善,因此,在获得原始图像之后,需要进一步运用红外图像的超分辨率重建算法。
首先针对图像的降晰特性,比如病态、畸变和离焦模糊等;其次,在获得降晰特性的基础上针对图像的退化过程,建立图像复原模型,最终完成超分辨率重建。
图像复原模型是超分辨率重建的关键,影响红外图像的最终空间分辨率。
图5人眼视网膜注视眼动模式下的超分辨率图像重建算法技术路线图
适用于“视网膜微扫描”成像的超分辨率算法,技术路线如图5所示:
一、分析“经时域数据处理后获得的原始图像”和“场景目标”之间的差异,结合“视网膜注视眼动规律与超视锐度的具体关系”研究图像的降晰特性(比如病态、畸变和离焦模糊等)以及产生原因;二、将图像的降晰特性用数学方式表达,并在Matlab软件上模拟图像的退化过程,建立图像的退化方程;三、求解该退化方程,获得图像的复原模型,最终完成图像的超分辨率重建。
致谢
在《学科前沿系列讲座》结课之际,首先感谢陈钱院长及李力老师、张闻闻老师等各位学者对我知无不言、言无不尽的课程教学。
老师们的授课,不仅使我巩固了已学习过的专业知识,也让我对学科发展中的高精尖技术有所了解。
陈院长及各位老师展现出的浩瀚渊博的知识储备、严谨治学的教学态度、一丝不苟的科研作风和积极活跃的学术思维,都是我日后学习道路上的楷模。
由于本论文所述“基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案”是我本科科研训练课题,现已结题。
在此,对科研训练期间给予指导的各位老师再次表示诚挚的敬意及谢意,是您们孜孜不倦的教导让我对该成像方法有更深的理解;同时也对科研训练课题组内的同学表示感谢,经历过一起探讨求索的日子,是他们的分享付出让我收获更多。
参考文献
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附:
《学科前沿系列讲座》课程感悟
通过《学科前沿系列讲座》共计5节课程的学习,我对本科前三年学习过的专业知识有了更深入的了解;通过老师们的介绍,我知道了电子科学与技术专业国内发展现状,也了解了本专业在国际上的发展形势,收获颇丰。
感谢诸位老师的辛勤付出!
在此,从学习者的角度,我仅提出个人对本课程的两点期待,供老师参考。
首先是关于课程形式。
大三学年中,我们接触到很多专业知识,但大多停留在书本上,有时因为学生多仪器少,有时因为精密仪器价格昂贵需要保护,我们没有过多机会进行实验。
如果可能,希望能在《学科前沿系列讲座》课程中增设实践环节,即使只是演示实验或精密仪器的展览,也会让同学对知识掌握更加牢固。
其次是关于课程内容。
本学期《学科前沿系列讲座》课程中,老师们对现在较成熟的光电成像方法等做了详细透彻的讲解,每一种都让我记忆深刻。
老师们有时也会提到发展的瓶颈,如现在还没有实现全光谱成像、也没有实现“全黑”条件下的彩色成像,但大多是一句带过。
如果可能的话,希望老师在课程中能对这些暂时难题的研究状况做稍详细的解释,如果继续深造的同学们再能有所创新,可能会成为以后的研究方向;即使没有创新的想法,也会让我们对国内国际研究水平有所认识。
感谢陈院长给我们这样一个与您交流的机会。
瑕不掩瑜,上述两点仅为个人建议,供您参考。
预祝您春节快乐,身体健康,科研硕果累累,桃李满天下!
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