光電子學(xué)與激光技術(shù)

數(shù)字散斑相關(guān)方法及應(yīng)用進(jìn)展

王永紅，梁恒，王碩，等

摘要：目的：數(shù)字散斑相關(guān)方法是一種可以實(shí)現(xiàn)非接觸全場(chǎng)測(cè)量的位移應(yīng)變測(cè)量方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求低，近年來被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。本文介紹了數(shù)字散斑相關(guān)方法的近年來的國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)和應(yīng)用現(xiàn)狀，詳細(xì)論述了針對(duì)自適應(yīng)的遺傳算法、智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、小波變換等新型相關(guān)搜索方法。方法：數(shù)字散斑相關(guān)方法的基本原理，是基于被測(cè)物體變形前后表面灰度場(chǎng)的特征匹配來獲取位移應(yīng)變等三維信息。數(shù)字散斑相關(guān)系統(tǒng)主要包括3 個(gè)部分，圖像采集，相機(jī)標(biāo)定和相關(guān)計(jì)算，其中相關(guān)計(jì)算是該系統(tǒng)的核心部分。計(jì)算時(shí)，在參考圖像上選取一定大小的區(qū)域，對(duì)之后拍攝的每一幅圖像使用相關(guān)搜索方法搜索出與參考圖像各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)最大值的位置，通過各點(diǎn)相對(duì)位置的變化進(jìn)行位移和應(yīng)變的計(jì)算。結(jié)果：數(shù)字散斑相關(guān)方法自20世紀(jì)80年代由美國(guó)South Carolina 大學(xué)的W.H.Peter和W.F.Ranson 及日本的I.Yamaguchi 等人提出以來，國(guó)外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究和改進(jìn)。1986年，M.A.Sutton 采用梯度搜索算法，在保證搜索精度的前提下大幅提高相關(guān)搜索的速度。1989年，Russel 及M.A.Sutton等人首次利用數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量玻璃纖維復(fù)合材料，并得到其裂紋的二維應(yīng)變信息。同年，Bruck 等人提出使用Newton-Raphson 迭代算法來進(jìn)行相關(guān)搜索，使得相關(guān)搜索的精度和速度都得到了很大的提升。1993年，D.J.Chen 等人利用快速傅里葉變換方法，使得數(shù)字圖像相關(guān)搜索速度又得到了較大的提升。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)關(guān)于數(shù)字圖像相關(guān)的研究也在展開。1994年，芮嘉白等人提出十字搜索算法對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)搜索方法進(jìn)行改進(jìn)，該方法將搜索沿著特定的方向有規(guī)律的進(jìn)行，而不是像之前一樣無規(guī)律的全局定位，因此大大地提高了相關(guān)搜索的效率。1996年，清華大學(xué)的金觀昌等人提出了爬山搜索法，爬山搜索法類似于十字搜索法，也是一種節(jié)約時(shí)間的快速定位方法。2001年，Pitter 等人將數(shù)字圖像相關(guān)方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，形成了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型亞像素搜索算法，該搜索方法可以很快并一次性找到被測(cè)物的全局位移。2007年，潘兵等提出了一種基于差分進(jìn)化的相關(guān)方法，可以在整像素搜索中進(jìn)行快速定位，為Newton-Raphson 偏微分算法提供了較好的初值，從而拓展了N-R 算法的實(shí)際應(yīng)用。2011年，澳大利亞的K.S.Chew 等人提出了一種改進(jìn)的粒子群算法，通過添加最佳點(diǎn)的慣性因子到原始算法當(dāng)中，提高了相關(guān)搜索時(shí)收斂到峰值的速度。2013年，大連理工大學(xué)的楊松等人將改進(jìn)的人工蜂群優(yōu)化算法應(yīng)用于數(shù)字圖像相關(guān)的整像素位移搜索中，有效地提高了收斂速度，改善了整像素位移搜索的性能。結(jié)論：隨著光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)迅速朝著快速、方便、準(zhǔn)確和自動(dòng)化方向邁進(jìn)，現(xiàn)已具有能夠直接得到位移全場(chǎng)信息、結(jié)果形式直觀、非接觸式、高精度等特點(diǎn)，并且可以按設(shè)計(jì)者的需要進(jìn)行合理的后續(xù)處理。關(guān)于數(shù)字散斑相關(guān)的精度和速度提高有兩點(diǎn)需要改進(jìn)的地方：（1）提高散斑圖的質(zhì)量，可以使相關(guān)計(jì)算更加準(zhǔn)確快捷；（2）從算法方面提高精度和速度，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)學(xué)理論，可以將數(shù)字散斑的精度達(dá)到0.01～0.05 個(gè)像素。

來源出版物：中國(guó)光學(xué), 2013, 6(4): 470-480

入選年份：2017

多子直方圖均衡微光圖像增強(qiáng)及FPGA 實(shí)現(xiàn)

陳瑩，朱明

摘要：目的：目標(biāo)跟蹤技術(shù)已經(jīng)深入到人們的日常生活中，廣泛應(yīng)用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。然而，隨著低照度環(huán)境下信息需求擴(kuò)大，微光圖像作為夜間傳遞信息的主要工具，應(yīng)用已經(jīng)越來越多，研究對(duì)微光環(huán)境下的圖像跟蹤技術(shù)顯得尤為緊迫。微光圖像具有的特征是灰度級(jí)動(dòng)態(tài)范圍集中在一個(gè)區(qū)間、相鄰的像素具有很高的空間相關(guān)性、相鄰位置的灰度值變化較小等，因此微光圖像中的目標(biāo)、背景、噪聲等信息會(huì)集中在非常狹小的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，并且圖像經(jīng)過傳送和轉(zhuǎn)換等，圖像質(zhì)量將進(jìn)一步降低，并夾雜一些噪聲，將導(dǎo)致目標(biāo)跟蹤時(shí)誤匹配率飆升，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)，在突出目標(biāo)的同時(shí)，提高對(duì)比度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的匹配跟蹤。方法：本文從微光圖像的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合適于硬件實(shí)現(xiàn)的條件，調(diào)研了國(guó)內(nèi)外微光圖像增強(qiáng)以及匹配的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一種適合于處理微光圖像的系統(tǒng)。該成果為微光夜視系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供了非常有利的理論技術(shù)支持。微光圖像一般會(huì)受到噪聲的影響，而且灰度級(jí)集中在低灰度級(jí)的一側(cè)，這都對(duì)實(shí)現(xiàn)匹配跟蹤有著不同程度的負(fù)面影響。對(duì)采集到的視頻增強(qiáng)處理的好壞會(huì)直接影響到后期匹配跟蹤的結(jié)果。首先，對(duì)圖像做第一步預(yù)處理，將RGB 圖像格式轉(zhuǎn)換到Y(jié)UV色彩空間，其中Y 亮度分量用于后續(xù)增強(qiáng)處理；第二步預(yù)處理，文中針對(duì)噪聲的影響，選擇使用3×3 的高斯濾波器去除噪聲；第3 步預(yù)處理就是對(duì)圖像增強(qiáng)，因圖像整體呈現(xiàn)低的對(duì)比度，所以選用灰度級(jí)拉伸的方法。本文選用的是基于直方圖均衡的方法，在HE 基礎(chǔ)上提出了多子直方圖均衡和基于GMM 的直方圖均衡。通過對(duì)直方圖分區(qū)處理，使得灰度級(jí)拉伸更均勻，保留了紋理細(xì)節(jié)，最終使其成為具有豐富信息的增強(qiáng)圖像，目標(biāo)更加明顯突出。增強(qiáng)后的圖像，更有利于進(jìn)行相關(guān)匹配處理，通過分析理論成熟的MAD 和NCC 算法提出了改進(jìn)的匹配算法，為了減小運(yùn)算量，對(duì)模板進(jìn)行抽行匹配。本文應(yīng)用System Generator 工具開發(fā)圖像處理系統(tǒng)，通過構(gòu)建相應(yīng)的算法模塊，在Simulink 環(huán)境下進(jìn)行算法仿真，自動(dòng)生成Verilog 硬件語(yǔ)言，下載到FPGA 中實(shí)現(xiàn)。本文選用的是Virtex-5 系列的XC5VSX50T FPGA，經(jīng)過試驗(yàn)證明，整個(gè)系統(tǒng)可以滿足實(shí)時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)和匹配處理。結(jié)果：動(dòng)態(tài)閾值直方圖均衡算法產(chǎn)生了最高的熵，這足以說明改進(jìn)的算法在突出圖像細(xì)節(jié)方面做得很好。此外，由主觀分析也可以看出改進(jìn)的算法能產(chǎn)生更好的圖像?？傮w而言，上述提到的動(dòng)態(tài)閾值直方圖均衡算法在上述增強(qiáng)圖像算法中效果是最佳的。綜上所述，在上述介紹的3 種算法中，在客觀和主觀上，都能說明改進(jìn)的算法產(chǎn)生了更好、更清晰的圖像，滿足了圖像增強(qiáng)的兩種要求：增強(qiáng)圖像的局部對(duì)比度，調(diào)節(jié)圖像灰度級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍。結(jié)論：本文以提高低對(duì)比度圖像清晰度為目的，針對(duì)直方圖均衡算法提出了動(dòng)態(tài)閾值直方圖均衡算法，由于利用了閾值降低過度增強(qiáng)現(xiàn)象，保證了此算法對(duì)圖像細(xì)節(jié)部分的提取能力，不會(huì)產(chǎn)生飽和、噪聲放大現(xiàn)象，通過定性和定量評(píng)價(jià)都得到最佳性能。在FPGA 上實(shí)現(xiàn)此算法，一幀圖像大約0.45 ms，在硬件上能夠有效的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的增強(qiáng)效果，滿足實(shí)時(shí)性要求。

來源出版物：中國(guó)光學(xué), 2014, 7(2): 225-233

入選年份：2017

散斑干涉相位條紋圖的頻域?yàn)V波處理

王永紅，李駿睿，孫建飛，等

摘要：目的：利用數(shù)字散斑干涉技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，散斑干涉相位條紋圖像中帶有大量的噪聲，嚴(yán)重影響了相位解包裹的結(jié)果和精度。為了保證測(cè)量精度，去除相位條紋圖像中的噪聲是數(shù)字散斑干涉測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵問題。本文采用了正余弦分解和頻域低通濾波結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了散斑干涉相位條紋圖的高效濾波。方法：采用了一種基于正余弦變換的頻域低通濾波方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)相位圖濾波的同時(shí)有效地保留相位跳變信息。首先對(duì)鋸齒狀分布的相位圖使用正余弦函數(shù)計(jì)算得到兩幅圖，即正弦變化圖和余弦變換圖，通過此變換，條紋跳躍處的高頻分量被轉(zhuǎn)化為低頻分量；然后對(duì)兩幅正余弦變換圖分別進(jìn)行傅里葉變換得到相應(yīng)的頻譜圖。由于進(jìn)行了正余弦變換，在頻譜圖中相位的有效信息集中在頻譜的低頻和中頻段，而噪聲則集中在了高頻段。因此設(shè)計(jì)一個(gè)二維低通濾波器對(duì)正余弦頻譜圖進(jìn)行頻域低通濾波，截?cái)嗥涓哳l分量，從而實(shí)現(xiàn)在對(duì)圖像噪聲的抑制的同時(shí)，保留原始相位圖的有效信息；最后將濾波后得到的正余弦圖進(jìn)行反運(yùn)算合成一幅圖，得到了最終濾波相位圖。結(jié)果：為了研究頻域?yàn)V波方法與傳統(tǒng)空域?yàn)V波方法中各項(xiàng)參數(shù)對(duì)相位圖去噪效果的影響，分別對(duì)濾波次數(shù)、濾波窗口和截止頻率等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：① 空域?yàn)V波的平滑效果主要可以通過增加濾波次數(shù)來實(shí)現(xiàn)，濾波次數(shù)越多，濾波結(jié)果越平滑。但是次數(shù)越多，濾波處理的時(shí)間也會(huì)成倍增加，影響了對(duì)相位信息提取的效率。② 空域?yàn)V波的操作窗口的大小會(huì)影響濾波結(jié)果的平滑程度，窗口越大，平滑效果也好。因此可以通過增大操作窗口來減少空域?yàn)V波的次數(shù)，但是相位圖實(shí)際分辨率會(huì)有所下降。③ 頻域?yàn)V波后圖像的平滑程度與低通濾波器的截止頻率相關(guān)，截止頻率越小，濾波結(jié)果越平滑。因此只要選擇合適的截止頻率，一次濾波就可以得到理想的濾波效果，這樣相比于空域?yàn)V波，濾波的效率可以大大提高。為了證明上述結(jié)論，分別在不同的濾波窗口下，利用傳統(tǒng)濾波方法與頻域?yàn)V波方法對(duì)原始相位圖進(jìn)行一次濾波處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以表明：對(duì)于傳統(tǒng)濾波方法，加大濾波窗口處理后相位圖灰度信息丟失嚴(yán)重，在9×9 窗口均值濾波中，損耗已經(jīng)接近40%，由于灰度峰值基本出現(xiàn)在條紋跳躍處，故可以近似認(rèn)為該處像素的濾波引入誤差接近40%；而新的頻域?yàn)V波方法中，灰度損耗僅為0.4%，且與濾波窗口大小無關(guān)，這樣就充分保護(hù)了相位圖的灰度信息。結(jié)論：干涉相位圖的降噪處理是數(shù)字散斑干涉測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵問題，本文采用相位圖正余弦映射分解和頻域?yàn)V波結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了散斑干涉條紋的高精度濾波，良好的平滑處理避免了噪聲對(duì)相位解包裹處理的干擾，使其可以順利的完成解包裹，最終得到正確的相位分布圖。實(shí)驗(yàn)研究證明了在較好的濾除圖像中的散斑噪聲的基礎(chǔ)上，該方法能夠有效保留相位中“尖峰”信息，將傳統(tǒng)濾波方法中10%～40%的灰度損耗降低至1%以下，從而保證解包裹的順利完成，并獲得高精度的最終相位圖。

來源出版物：中國(guó)光學(xué), 2014, 7(3): 389-395

入選年份：2017

納米晶體中稀土離子的發(fā)光性質(zhì) 及其變化機(jī)理研究

付作嶺，董曉睿，盛天琦，等

摘要：目的：納米稀土發(fā)光材料在眾多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。納米材料的性能與其尺寸和形貌之間有很大關(guān)系，當(dāng)稀土離子作為發(fā)光中心摻雜到納米晶體中，其發(fā)光性質(zhì)與變化機(jī)理與納米晶體的組成、結(jié)構(gòu)之間密切相關(guān)，因此，本文研究了納米晶體組成、結(jié)構(gòu)與稀土離子發(fā)光性能的關(guān)系，并探索其潛在的應(yīng)用價(jià)值。方法：（1）采用軟化學(xué)合成方法如水熱法、溶膠-凝膠法等，通過合成工藝的調(diào)控，設(shè)計(jì)并合成出一系列不同顆粒尺寸、分散均勻、形貌可控的稀土離子摻雜氧化物（氟化物）微/納米晶體。（2）利用激發(fā)、發(fā)射、漫反射以及高分辨激光光譜等光譜分析手段對(duì)其發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行研究，弄清影響發(fā)光行為的本質(zhì)原因。同時(shí)，結(jié)合光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用密度泛函理論和復(fù)雜晶體化學(xué)鍵介電理論方法進(jìn)行理論計(jì)算解釋光譜變化規(guī)律和不同稀土離子間能量傳遞機(jī)理。結(jié)果：（1）用簡(jiǎn)易的水熱合成法一步成功制備了不同形貌YF3: Eu3＋微晶。以NaF、YCl3和Eu(NO3)3作為反應(yīng)物，加入不同無機(jī)鹽控制合成不同尺寸和形貌的YF3: Eu3＋微晶。不同形貌YF3: Eu3＋微晶的激發(fā)和發(fā)射光譜顯示了不同形貌和結(jié)構(gòu)的YF3: Eu3＋微晶的激發(fā)和發(fā)射峰位置相同，但發(fā)光強(qiáng)度卻明顯不同，這可能與微晶的尺寸、形貌和結(jié)晶度有關(guān)。（2）使用一種簡(jiǎn)單的一步溶劑熱法成功地合成出新型單分散BaCeF5、BaCeF5: Tb3＋和BaCeF5: Tb3＋/Sm3＋納米晶體。BaCeF5: Tb3＋顯示出很強(qiáng)的綠光發(fā)射，通過光致發(fā)光（PL）和發(fā)光壽命分析等對(duì)其進(jìn)行光譜分析，得出了Ce3＋離子把能量傳遞給Tb3＋離子并且Ce3＋和Tb3＋之間的能量傳遞是偶極—四極相互作用占主導(dǎo)作用。在該體系中摻雜Sm3＋離子后發(fā)現(xiàn)BaCeF5: Tb3＋/Sm3＋樣品顯示出了紅光的發(fā)射，這主要是由于Tb3＋和Sm3＋離子之間存在高效能量傳遞。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BaCeF5: Tb3＋/Sm3＋納米晶體可以在三維顯示器和白色光源等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。（3）采用溶膠—凝膠法合成Eu3＋摻雜LnAlO3（Ln＝La, Gd）熒光粉。從兩種材料的熒光激發(fā)光譜中可以觀察到Eu3＋-O2的電荷遷移能受基質(zhì)結(jié)構(gòu)影響很大。因此根據(jù)復(fù)雜晶體化學(xué)鍵的介電理論進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)短，化學(xué)鍵共價(jià)性小，相應(yīng)的電荷遷移能較大的結(jié)論。我們進(jìn)一步測(cè)量了Eu3＋離子在兩種基質(zhì)中5D0能級(jí)的壽命及室溫高分辨選擇性激發(fā)與發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)Eu3＋在LaAlO3: Eu3＋中存在3 種不同格位，而在GdAlO3: Eu3＋中僅占據(jù)一種格位。結(jié)論：采用便于控制、簡(jiǎn)單易行軟化學(xué)合成方法，通過調(diào)控體系中的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)參數(shù)如：反應(yīng)體系，反應(yīng)濃度，溫度，時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)材料的形貌和尺寸控制，根據(jù)晶體生長(zhǎng)形態(tài)學(xué)和結(jié)晶生長(zhǎng)的相關(guān)理論，研究微/納米結(jié)構(gòu)單元的成核和生長(zhǎng)機(jī)制。在合成出上述基質(zhì)材料的基礎(chǔ)上，以部分稀土離子為激活劑來設(shè)計(jì)制備各種稀土熒光材料，主要的實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究包括熒光激光和發(fā)射光譜，濃度猝滅，熒光衰減及高分辨激光光譜。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)分析并進(jìn)行部分理論計(jì)算和分析，研究基質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與發(fā)光性能的關(guān)系，并探索其潛在的應(yīng)用價(jià)值。

來源出版物：中國(guó)光學(xué), 2015, 8(1): 139-146

入選年份：2017