基于多图像迭代相位恢复技术的计算成像特性研究.pdf

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1、硕士学位论文基于多图像迭代相位恢复技术的计算成像特性研究COMPUTATIONALIMAGINGBASEDONITERATIVEMULTI-IMAGEPHASERETRIEVALTECHNIQUES沈成哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH741.8学校代码：10213国际图书分类号：681.7密级：公开工学硕士学位论文基于多图像迭代相位恢复技术的计算成像特性研究硕士研究生：沈成：导师：刘正君教授申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：自动化测试与控制系答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔

2、滨工业大学ClassifiedIndex:TH741.8U.D.C:681.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringCOMPUTATIONALIMAGINGBASEDONITERATIVEMULTI-IMAGEPHASERETRIEVALTECHNIQUESCandidate：ShenChengSupervisor：Prof.LiuZhengjunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Instr

3、umentScienceandTechnologyAffiliation：DepartmentofAutomaticMeasurementandControlDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要二维相干光场可由一对振幅和相位函数简单刻画。但由于可见光波段频率远超目前探测器响应频率，所以相位测量一直是公认的难题。在目前各种相位测量手段中，迭代式相位恢复技术由于

4、实验装置简单、对成像物体性质不敏感等特点而受到广泛关注。首先被提出的单图像相位恢复算法受到孪生像、对初值敏感等问题的困扰，于是之后研究人员设计出了多图像相位恢复技术。该类算法可以对复值样品进行计算成像，因此在生物成像领域前景广阔。本文研究工作围绕多图像迭代式相位恢复技术展开，详细讨论了该技术的几个要点。基于已经取得的多图像并行迭代式相位恢复算法在衍射成像系统中的研究成果，设计了几类新的重构方案，主要对其成像特性进行了详细研究。本课题主要研究内容总结如下：(1)通过理论分析和仿真模拟的手段，讨论了多图像迭代式相位恢

5、复技术中的含参光学变换和计算结构这两个重要组成部分。从时频分析的角度，比较了传统的单图像算法和多图像算法，证明了多图像算法对初值不敏感、消除孪生像、无需物面支撑、降低设备采样率要求等优点。同时，对比了串行和并行计算结构，从优化理论的几何学分析角度，给出了两种计算结构的解释，为新算法设计提供了理论依据。(2)为了保证重构算法在一些特殊场合(如光子数稀少的情况)下的有效性，需要考虑实验噪声的影响，同时对算法的噪声鲁棒性进行提升。首先对实验噪声进行了数学建模，仿真观察不同类型的噪声对多图像迭代式相位恢复算法重构效果的影

6、响；然后设计了一种针对散粒噪声的抗噪方案，并在两类典型的计算成像系统中验证了该抗噪方案的有效性。(3)目前，无透镜成像系统中像素欠采样的问题制约着最终的成像分辨率，所以首先对像素欠采样进行了讨论和建模；然后将基于插值和重构的图像超分辨算法融入多图像迭代式相位恢复技术中，提出了一种抗噪的像素超分辨轴向多图像迭代式相位恢复算法，详细论证了各个可变参量对算法迭代和重构结果的影响，并用实验证明了该算法具有大视场成像和像素超分辨的能力，从而实现具有相位恢复能力的高通量成像。(4)研究了一种结合多层衍射模型和傅里叶叠层成像技

7、术的复值物体三维成像技术。其中采用了光场重聚焦的手段预处理实验数据，将其作为后续迭代算法的初始化，可以有效提升算法的收敛速度；并用三维相干传递函数理论推-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文导了系统的理论分辨率，这对指导系统参数设计具有积极意义；最终用水绵海藻样品的实验数据验证了该计算成像方案的三维成像效果。总的来说，本课题的研究成果为基于多图像迭代式相位恢复算法的计算成像技术提供了新思路，解决了目前该技术中噪声干扰和像素欠采样的问题，并介绍了一种三维复振幅成像模式。这将促进该类技术在多个研究领域中的应用。关键词：

8、计算成像；相位恢复；光学变换；噪声；像素超分辨；三维成像-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Abstract2Dcoherentlightfieldcanbebrieflyillustratedbyapairofamplitudeandphasefunctions.However,thephasemeasurementisacknowledgedasadifficult