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經典理論視角下的計算鬼成像技術 版權信息
- ISBN：9787030734303
- 條形碼：9787030734303 ; 978-7-03-073430-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
經典理論視角下的計算鬼成像技術 本書特色
本書適合高年級本科生豐富課余知識之用，亦適合作為有意從事鬼成像相關研究的研究生、科研工作者的入門參考書。
經典理論視角下的計算鬼成像技術 內容簡介
鬼成像擁有超寬的可成像波段范圍、較高的空間分辨率和較強的抗干擾能力，但其成像質量和成像速度了其進一步發展。在這個背景下，本書介紹了經典統計理論下的計算鬼成像系統的成像機制，透過機制探究影響該技術成像質量和速度的因素，從光源性質、內外干擾等方面出發進行了研究，分別給出了解決方案。 本書適用于高年級本科生豐富課余知識，亦適合作為有意從事鬼成像相關研究的研究生、科研工作者的入門參考書。
經典理論視角下的計算鬼成像技術 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 鬼成像技術的研究進展 1
1.2 鬼成像技術面臨的挑戰與機遇 3
1.3 本書內容安排 5
第2章 鬼成像的成像機制 8
2.1 光的一階和二階相干性 8
2.2 二階關聯函數的理論研究 10
2.2.1 雙臂鬼成像與單臂計算鬼成像 11
2.2.2 二階關聯函數重構物體像的機制 12
2.3 計算鬼成像中的正負關聯問題 17
2.3.1 二值待測目標 17
2.3.2 灰度待測目標 21
2.4 本章小結 23
第3章 照明圖樣對鬼成像的成像質量的影響 25
3.1 基于隨機照明圖樣的計算鬼成像 25
3.1.1 基于隨機照明圖樣的鬼成像方案的計算復雜度問題 25
3.1.2 隨機二值散斑照明圖樣的平均強度對成像對比度的影響 27
3.2 基于有序照明圖樣的計算鬼成像 31
3.2.1 計算鬼成像系統的矩陣表示法 31
3.2.2 觀測矩陣的正交性檢測方法 32
3.2.3 基于Hadamard衍生圖樣的計算鬼成像方案 34
3.2.4 基于正弦變換圖樣的計算鬼成像 37
3.3 基于隨機和有序照明圖樣的鬼成像方案的對比 41
3.4 本章小結 43
第4章 基于小波變換的計算鬼成像 45
4.1 小波與小波變換基礎理論 45
4.1.1 小波 45
4.1.2 小波變換 46
4.2 基于 Haar小波的計算鬼成像 47
4.2.1 一維Haar小波與多分辨分析 47
4.2.2 二維Haar小波變換 50
4.2.3 一維Haar小波變換在計算鬼成像中的應用 52
4.2.4 基于二維Haar小波變換的快速成像和邊緣成像 54
4.3 雙變換域計算鬼成像 56
4.3.1 基于Haar小波變換鬼成像方案的魯棒性研究 57
4.3.2 域轉換：從Hadamard域到 Haar小波域 58
4.3.3 Hadamard-Haar雙域計算鬼成像 60
4.4 基于連續小波變換的計算鬼成像 63
4.4.1 連續小波變換 63
4.4.2 一維Gauss小波函數系的構造和離散化 64
4.4.3 基于準連續小波變換的計算鬼成像 66
4.5 本章小結 69
第5章 光的傳遞過程對鬼成像的成像質量的影響 71
5.1 光的傳遞過程 71
5.1.1 點擴展函數 71
5.1.2 菲涅耳衍射積分的離散化 73
5.2 光的傳遞過程對不同照明圖樣成像方案的影響 74
5.2.1 隨機照明圖樣情形 74
5.2.2 有序照明圖樣情形 78
5.3 基于觀測矩陣偽逆的重構算法 86
5.4 光源的隨機相位調制范圍對鬼成像的成像質量的影響 89
5.4.1 光源的隨機相位調制范圍對鬼成像對比度的影響 90
5.4.2 光源的隨機相位調制對鬼成像空間分辨率和視場的影響 94
5.4.3 純振幅調制與相位調制成像方案的對比 96
5.5本章小結 98
第6章 外界干擾因素對鬼成像的成像質量的影響 99
6.1 雜散光干擾對鬼成像的成像質量的影響 99
6.1.1 兩種不同性質的雜散光干擾對鬼成像的成像質量的影響 99
6.1.2 基于不同照明圖樣的鬼成像方案對雜散光噪聲的魯棒性 101
6.2 實驗條件對鬼成像的成像質量的影響 103
6.2.1 空間光調制器件對鬼成像的成像質量的影響 103
6.2.2 傳遞距離估計錯誤對重構圖像的影響 105
6.3 被遮擋物體的鬼成像 106
6.3.1 物理模型 107
6.3.2 傳播矩陣對二階關聯函數的影響 110
6.3.3 鬼成像對被遮擋物體成像的物理機制 113
6.3.4 數值模擬和魯棒性分析 114
6.4 本章小結 118
第7章 總結 120
參考文獻 123
前言
第1章 緒論 1
1.1 鬼成像技術的研究進展 1
1.2 鬼成像技術面臨的挑戰與機遇 3
1.3 本書內容安排 5
第2章 鬼成像的成像機制 8
2.1 光的一階和二階相干性 8
2.2 二階關聯函數的理論研究 10
2.2.1 雙臂鬼成像與單臂計算鬼成像 11
2.2.2 二階關聯函數重構物體像的機制 12
2.3 計算鬼成像中的正負關聯問題 17
2.3.1 二值待測目標 17
2.3.2 灰度待測目標 21
2.4 本章小結 23
第3章 照明圖樣對鬼成像的成像質量的影響 25
3.1 基于隨機照明圖樣的計算鬼成像 25
3.1.1 基于隨機照明圖樣的鬼成像方案的計算復雜度問題 25
3.1.2 隨機二值散斑照明圖樣的平均強度對成像對比度的影響 27
3.2 基于有序照明圖樣的計算鬼成像 31
3.2.1 計算鬼成像系統的矩陣表示法 31
3.2.2 觀測矩陣的正交性檢測方法 32
3.2.3 基于Hadamard衍生圖樣的計算鬼成像方案 34
3.2.4 基于正弦變換圖樣的計算鬼成像 37
3.3 基于隨機和有序照明圖樣的鬼成像方案的對比 41
3.4 本章小結 43
第4章 基于小波變換的計算鬼成像 45
4.1 小波與小波變換基礎理論 45
4.1.1 小波 45
4.1.2 小波變換 46
4.2 基于 Haar小波的計算鬼成像 47
4.2.1 一維Haar小波與多分辨分析 47
4.2.2 二維Haar小波變換 50
4.2.3 一維Haar小波變換在計算鬼成像中的應用 52
4.2.4 基于二維Haar小波變換的快速成像和邊緣成像 54
4.3 雙變換域計算鬼成像 56
4.3.1 基于Haar小波變換鬼成像方案的魯棒性研究 57
4.3.2 域轉換：從Hadamard域到 Haar小波域 58
4.3.3 Hadamard-Haar雙域計算鬼成像 60
4.4 基于連續小波變換的計算鬼成像 63
4.4.1 連續小波變換 63
4.4.2 一維Gauss小波函數系的構造和離散化 64
4.4.3 基于準連續小波變換的計算鬼成像 66
4.5 本章小結 69
第5章 光的傳遞過程對鬼成像的成像質量的影響 71
5.1 光的傳遞過程 71
5.1.1 點擴展函數 71
5.1.2 菲涅耳衍射積分的離散化 73
5.2 光的傳遞過程對不同照明圖樣成像方案的影響 74
5.2.1 隨機照明圖樣情形 74
5.2.2 有序照明圖樣情形 78
5.3 基于觀測矩陣偽逆的重構算法 86
5.4 光源的隨機相位調制范圍對鬼成像的成像質量的影響 89
5.4.1 光源的隨機相位調制范圍對鬼成像對比度的影響 90
5.4.2 光源的隨機相位調制對鬼成像空間分辨率和視場的影響 94
5.4.3 純振幅調制與相位調制成像方案的對比 96
5.5本章小結 98
第6章 外界干擾因素對鬼成像的成像質量的影響 99
6.1 雜散光干擾對鬼成像的成像質量的影響 99
6.1.1 兩種不同性質的雜散光干擾對鬼成像的成像質量的影響 99
6.1.2 基于不同照明圖樣的鬼成像方案對雜散光噪聲的魯棒性 101
6.2 實驗條件對鬼成像的成像質量的影響 103
6.2.1 空間光調制器件對鬼成像的成像質量的影響 103
6.2.2 傳遞距離估計錯誤對重構圖像的影響 105
6.3 被遮擋物體的鬼成像 106
6.3.1 物理模型 107
6.3.2 傳播矩陣對二階關聯函數的影響 110
6.3.3 鬼成像對被遮擋物體成像的物理機制 113
6.3.4 數值模擬和魯棒性分析 114
6.4 本章小結 118
第7章 總結 120
參考文獻 123
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經典理論視角下的計算鬼成像技術 節選
**章緒論 1.1鬼成像技術的研究進展 千百年來，人們都在試圖掌握更為先進的成像技術，這些技術有些使人們看得更遠，有些使人們看得更精細，有些能使人們突破阻礙，看到障目之葉后面的茫茫泰山。在眾多的成像技術里，20世紀90年代前后提出的鬼成像（ghost imaging，GI）受到了越來越多的關注。現在通常認為，1995年Pittman等[1]設計的糾纏雙光子成像的出現標志著鬼成像技術的正式誕生，其原理如圖1.1所示。 首先，連續激光照射到偏硼酸鋇晶體上，發生參量下轉換過程，產生一對正交偏振的光子對：信號光子（晶體的非尋常光）和閑置光子（晶體的尋常光）。然后，利用棱鏡將泵浦光和糾纏光子對分開，糾纏光子對經過一個偏振分束鏡被分為兩束，信號光子被分束鏡反射后經過一個透射型待測目標，然后由透鏡收集到桶探測器D1中；閑置光子透過分束鏡后，被一個在X-Y平面上進行掃描的點探測器D2收集到。*后對D1和D2收集到的數據實施符合測量就可以還原出待測目標的像。這種特殊的成像手段并不像傳統成像一樣直接對待測目標的透射函數進行空間上一對一的直接測量，而是利用光束間的關聯實施間接的測量，然后通過計算來恢復圖像；除此之外，鬼成像的信號光路和參考光路是分離的。由此可見，鬼成像技術是一種非局域的計算成像技術。這種成像技術一經提出，就受到了廣泛關注。其原因是，這種新興的成像方案相比于傳統的成像方案具有如下一些優勢： 首先，鬼成像具有更強的抗干擾能力。2011年，Meyers等[2]首次實現了抗大氣湍流的鬼成像，實驗結果顯示，相較于傳統成像，鬼成像對大氣湍流所引起的干擾具有相當強的抵抗能力，之后，又有不少的研究[3-7]證實了這一點。除大氣湍流外，散射介質也是影響成像質量的重要因素，因為光的散射會導致物體信息的嚴重丟失。同年，Gong等[8]從理論上分析了散射介質對鬼成像的成像質量的影響，并利用實驗證明了相對于傳統成像，鬼成像方案對散射介質所引起的干擾具有很高的抗性。近些年來，對于鬼成像的抗噪聲和干擾方面的研究一直是一個熱門話題[9-12]。 其次，鬼成像技術被證實可以超越衍射極限，從而實現超分辨成像。2009年，Gong等[13]提出了超分辨的鬼成像，并于2012年通過實驗成功實現了超分辨成像[14]，值得注意的是，他們使用了壓縮感知理論，使得其成像速度和成像質量較之傳統鬼成像都大大地提高了。在近幾年，對于鬼成像的超分辨問題的討論也有許多報道[15-17]。 此外，無論是基于經典強度漲落關聯解釋還是量子非局域效應解釋，鬼成像都是一種必須“匹配”兩個信號才能成功實現成像的技術，這一特性也使得鬼成像的相關思想可以用于實現信息加密，基于鬼成像技術的信息加密也有報道[18-22]。 在鬼成像技術的發展過程中，其物理本質的研究在較長的一段時間內是一個比較熱門的話題。在熱光鬼成像出現以前，利用糾纏光源實現的鬼成像一直被認為是一個量子現象，在成像過程中，量子糾纏是一個**條件。但使用經典光源的鬼成像的問世改變了一部分研究者對這一問題的看法，他們的理論分析和實驗結果在一定程度上表明：量子糾纏并不是鬼成像實現的必要條件。 2002年，Bennink等[23]指出，除了使用糾纏光源以外，使用熱光等經典光源也可以實現鬼成像，只不過其成像對比度相對于使用糾纏光源的鬼成像要低。同時，這篇文章的結論指出，分束器分出的兩束光之間的量子糾纏并不是鬼成像能夠實現的必要條件。隨后，大量的理論和實驗工作都證實了這一觀點[24-39]。 關于基于經典光源的鬼成像，*具影響力的莫過于文獻[31]中提出的“贗熱光鬼成像”。所謂的贗熱光，是由激光束照射在一塊旋轉的毛玻璃上，從而產生雜亂的散射場。由于毛玻璃的表面較為粗糙，故會對經過的激光束產生較為明顯且雜亂無章的散射情況，從而產生近似于熱光源的光強分布情況，即高斯隨機分布的散射場，其光強-空間分布滿足中心極限定理，贗熱光也因此而得名。自從熱光鬼成像被證實可行后，隨處可見的熱光源（太陽光）被認為是一種極為理想，但又極不易應用的鬼成像光源。原因在于，這種光源的發光原理是大量原子產生雜亂的、非常復雜的自發輻射。這樣產生的光場，其空間相干性和時間相干性都很差，具體表現為空間*小、相干面積很小，這有助于提升成像的分辨率。但較差的時間相干性意味著探測器的響應時間要足夠快，以至于能夠較為順利地捕捉到熱光場較明顯的空間漲落情況。目前通過理論計算預測出，利用太陽光經過窄帶濾光片濾出的準單色光的相干時間不足10-14s，沒有任何一個光電探測器具有如此快的響應速度。由于用于探測參考臂光強分布的光探測器通常是積分器件，相對于熱光的相干時間，“過長”的響應時間（即每次采集時開關快門的時間間隔）會導致*終探測得到一張灰度均勻的、空間漲落極為不明顯的測量結果，導致成像失敗。前面所提到的贗熱光，即為了適應探測器的響應時間而設計的“模擬熱光源”，既滿足了熱光源的空間漲落性質，又兼顧了硬件設備的技術極限。 這種便于制備的光源問世后，馬上吸引了很多學者對贗熱光鬼成像展開研究。盡管相對于使用糾纏光源的鬼成像架構，贗熱光鬼成像能夠產生的重構圖像具有較低的對比度（原則上不超過50%），但是仍舊已經足夠凸顯出待測目標的大部分有用信息。然而關于熱光/贗熱光的鬼成像的物理本質，目前業內對這一問題并未達成一致，并引發了較為激烈的討論。 1.2鬼成像技術面臨的挑戰與機遇 在近幾年，人們逐漸不再關注鬼成像的物理本質是量子現象還是經典現象，而是轉而研究一個更加現實的問題：如何推進鬼成像的實用化進程以盡快利用其優勢。現階段，鬼成像技術相對于傳統成像技術來說，有兩個較為明顯的短板。 首先，基于二階關聯算法的鬼成像需要一個相對較長的采樣時間，并且該時間會隨著成像分辨率的增加而進一步增長。這個缺點給鬼成像的實際應用帶來不小的挑戰，對于一個運動中的物體來說，較長的采樣時間意味著無法對其進行準確成像，故此，對運動物體鬼成像的相關研究也成為了一個比較熱門的研究方向。 其次，在無外界干擾的情況下，由于二階關聯算法帶來的算法噪聲將使其成像質量變差，具體表現為重構圖像上不規則的、類似于雪花點的噪點，這幾乎使得鬼成像的成像質量無法與傳統成像的質量相提并論。 由于這兩個缺點的存在，鬼成像的實際應用發展受到嚴重限制。因此，如何提高鬼成像的成像速度和成像質量在其實用化進程中占據著尤為重要的位置，自然也就成為了現在的重點研究內容之一。 為了解決這兩個問題，學者進行了許多相關的研究。對鬼成像的成像質量、速度的優化，通常可以從以下三個方面展開。 **種方案是優化重構圖像時所使用的算法，也即對二階關聯函數進行某種修改。 2009年，Chan等[59]利用光的高階相關特性提出了高階鬼成像，從理論上講，使用高階關聯函數進行圖像重構的高階鬼成像可以獲得更高的對比度，此后引發了鬼成像領域的大規模研究和討論。 2010年，Ferri等[64]提出了差分鬼成像。他們在進行研究時發現，用于恢復圖像的二階關聯函數中含有一個常數背景項，從而降低了重構圖像的對比度。Ferri等設計的差分鬼成像可以借由去除二階關聯函數中的常數背景項，從而有效提高重構圖像的質量。隨后，Sun等[65]依照Ferri等的差分鬼成像設計了差分計算鬼成像，進一步改善了差分鬼成像實驗裝置的簡易度。 2012年，Sun等[66]提出了歸一化鬼成像。他們的理論分析和實驗結果都表明，這種歸一化的二階關聯算法對時變噪聲（主要是進行實驗的時候外界的雜光干擾，或探測電路中的電磁干擾等不規則的、無法預測的噪聲）具有更高的抵抗能力。 第二種方案是對采樣過程施行優化，眾所周知，奈奎斯特采樣定律要求，若想要完美恢復一個信號，使其不產生失真，那么采樣頻率必須高于信號頻率帶寬的二倍才行。但由Donoho[67]提出的壓縮感知理論支持以少量測量就能恢復待測信號，打破了奈奎斯特采樣定律的限制，前提是信號具有稀疏性。壓縮感知這一理論的提出，意味著鬼成像的采樣次數可以大大降低，從而極大地提高鬼成像的成像速度和效率。2009年，Katz等[68]將壓縮感知理論引入鬼成像的應用中，獲得了巨大的成功。近些年來，壓縮感知理論在鬼成像領域中大量地被討論并得到了廣泛的應用。 在2015年，Sun等[79]利用區分正負像的方式改善了鬼成像的成像質量。他們將桶探測器信號和其相對應的散斑圖，根據其桶探測器信號的平均值分為兩部分，即大于平均值的和小于平均值的，隨后再將兩組數據分別進行二階關聯計算。這時，大于平均值的那些測量步驟進行二階關聯疊加之后可以獲得物體的正像，小于平均值的那些測量步驟進行疊加后，可以獲得物體灰度倒轉的負像。并且，無論是正像還是負像，其成像效果比原來的重構圖像都要好得多。 第三種方案則是直接對鬼成像所使用的光源進行再設計，從而使其更適合作為鬼成像的光源。這一系列方案中的很大一部分都得益于Shapiro[41]在2008年所提出的計算鬼成像方案，計算鬼成像使用一個先驗的可調制光源提供照明，因此不再需要參考臂光路，僅用一條光路就可以實現對待測目標的成像，后來，這種方案被Bromberg等[80]通過實驗證實可行。計算鬼成像方案帶來的不僅僅有更加簡化的光路，同時還有高自由度的光源。不同于傳統鬼成像所使用的基于毛玻璃的贗熱光、糾纏光源等，空間光調制器或投影儀等“定制光源”都具有一個共性，那就是可以利用計算機對其進行非常靈活的控制，從而更好地服務于鬼成像技術。 照射到待測目標上光源的空間分布情況與*終成像結果之間是有明顯聯系的，不少學者在研究鬼成像所用光源的性質的時候，很快就發現了這一現象。2013年，劉雪峰等[81]指出：光源的強度漲落劇烈程度直接關系到鬼成像重構圖像質量的好壞，使用強度漲落更加劇烈的光源進行鬼成像時，重構圖像將具有更高的對比度和信噪比。同年，Luo等[82]通過適當調制光源的方式提高了鬼成像的成像質量。他們利用空間光調制器，分別使用余弦函數和雙曲余弦函數對高斯光束進行了整形，并作為實現鬼成像所使用的光源。通過對高斯光源、余弦-高斯光源，以及雙曲余弦-高斯光源產生的成像結果的對比，發現使用余弦函數調制光源后，鬼成像的成像質量變得更差了，相比之下，使用雙曲余弦函數調制光源后，鬼成像的成像質量獲得了提高。通過理論分析，他們*終發現，使用雙曲余弦函數對高斯光束進行調制以后，會使光源的點擴展函數的曲線趨于尖銳，這意味著能夠區分更多的細節，提高了成像空間分辨率。而余弦函數則正相反，它的調制結果使光源的點擴展函數變得平緩，從而降低了成像空間分辨率。2015年，Shibuya等[83]研究了阿達馬（Hadamard）成像，他們發現：Hadamard變換成像所獲得的重構圖像在信噪比、對比度等指標上均高于計算鬼成像。但其在高噪聲的情況下表現不佳。除此以外，還有基于正弦變換圖樣的鬼成像[84]等改進方案。 2016年，Song等[85]指出：鬼成像的成像分辨率和對比度之間具有反比例關系，即鬼成像重構圖像的分辨率越高，其對比度就越低，反之亦然。而鬼成像的成像分辨率直接取決于散斑的尺寸，也即散射場的“*小相干長度（面積）”。這篇論文在另一個側面驗證了鬼成像所使用的光源的性質會較為明顯地影響到*終的成像結果。此后，關于鬼成像所使用的光源對成像質量的影響的研究層出不窮，學者也越發關注對光源的特定調制，以及光斑的數學、統計模型的研究。 除此之外，對于鬼成像技術來說，使用單一波長的照明光只能恢復有限的信息，為了獲取待測目標更全面的信息，學者對多波長鬼成像也進行了研究，并取得了不少成果。 1.3本書內容安排 隨著鬼成像技術的不斷發展，其實用價值越來越大，應用也越來越廣泛[89-97]。綜上所述，相較于傳統成像方案，鬼成像的成像質量還有待于進一步提高，它的成像速
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