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2021 年第 2 期

现代应用光学

可调谐激光器激光波长宽范围自动偏频锁定封面论文
谢建东,严利平,陈本永,杨伟雷
2021, 29(2): 211-219. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0211

摘要：针对激光多波长干涉绝对测距中构建多级合成波长的需求，提出了一种锁至飞秒光频梳的可调谐激光器（External Cavity Diode Laser， ECDL）输出激光波长的宽范围自动偏频锁定方法。首先，设计了光栅+双凸透镜梳齿滤波的拍频信号探测单元，实现了宽范围ECDL激光波长与目标梳齿的拍频探测。接着，采用锁相放大原理对拍频信号进行鉴频鉴相，具备捕获带宽大、鉴相范围宽和鉴相精度高的优点。然后，利用多重闭环控制实现了ECDL输出激光波长宽范围的自动调节及偏频锁定。实验结果表明，本方法实现了10 nm波长范围内ECDL至光频梳的自动锁定，拍频信号信噪比的平均值约为35.9 dB；在4 h内，ECDL激光频率的标准差为1.49 kHz，1 s平均时间的相对阿伦方差为4.76×10^－12，满足精密干涉测量中宽范围波长调节和高精度稳频的要求。
关键词：可调谐激光器;激光稳频;偏频锁定;拍频探测;飞秒光频梳;鉴频鉴相器

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发布时间：2021-03-05
快照式光谱光场成像技术
吕晓波,刘宇丰,李毅威,朱帅帅,林杰,金鹏
2021, 29(2): 220-230. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0220

摘要：针对快照式多维成像系统难以实现高维成像的问题，本文提出了一种快照式光谱光场成像方法，使用单个探测器实现了对目标场景光谱光场信息的快速获取。该方法将聚焦光场成像结构引入到快照式超光谱成像傅里叶变换光谱仪中，首先获取混叠了目标场景光场信息和干涉信息的原始图像，然后使用基于卷积神经网络的信息重建算法，将光场信息和干涉信息从原始图像中分别提取出来，并分别利用光场和干涉信息来重建目标场景的深度和光谱。本文搭建了快照式光谱光场成像系统，并对该系统在空间、光谱以及时间维度上的表现进行了实验验证。实验结果表明，该系统在将获取信息的维度扩展到七维的同时，其深度重建的均方根误差为7.7 mm，光谱重建的归一化均方根误差为6.87%。
关键词：仪器科学;快照式光谱成像;光场成像;多维成像

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发布时间：2021-03-05
基于动态粒子参数选择的水雾透过率计算
张弛,吴鑫,张建奇,李俊儒
2021, 29(2): 231-242. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0231

摘要：为了研究多次散射效应对辐射在雾中传输特性的影响，提出了一种多粒子雾层模型，该模型中雾滴粒子为半径不同的球形水滴粒子。雾滴粒子半径被分为多个区间，计算了不同半径区间内雾滴粒子的传输近似光学参数。提出了一种基于动态粒子参数选择的蒙特卡罗法，并模拟 $0.85 μ m$ 和 $4 μ m$ 辐射在重度平流雾、中度平流雾、重度辐射雾和中度辐射雾中的传输。分析了传输距离对透过率和计算时间的影响，并与传统的蒙特卡罗法的计算结果进行比较。结果表明：相比于 $4 μ m$ 辐射， $0.85 μ m$ 辐射在雾中的透射能力更强；基于动态粒子参数选择的蒙特卡罗法与传统蒙特卡罗法计算得到的透过率随传输距离的变化曲线具有相同的趋势，传输距离为 $150 m$ 时，两种方法对 $0.85 μ m$ 和 $4 μ m$ 辐射在重度平流雾中的透过率的绝对误差分别为 $0.048 3$ 和 $0.001 5$ ；传输距离为 $400 m$ 时，相较于传统的蒙特卡罗法，基于动态粒子参数选择的蒙特卡罗法对 $4 μ m$ 辐射在重度平流雾中的传输计算效率可提升 $44 %$ 。基于动态粒子参数选择的蒙特卡罗法计算雾中的远距离辐射传输，可有效缩短计算时间。该研究结果对雾天的目标识别与探测有重要意义。
关键词：大气光学;多次散射;雾;传输近似;蒙特卡罗;透过率

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发布时间：2021-03-05
钬激光碎石术中结石位移的影响因素
谈维杰,陈明惠,冯媛媛,王健平,郑刚
2021, 29(2): 243-250. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0243

摘要：为了减小钬激光碎石术中结石产生的位移，研究了钬激光脉冲峰值功率、激光烧灼尺寸和工作距离对于结石位移的影响。分析了影响结石位移的因素，搭建了一个体外模型装置以此来模拟输尿管内钬激光碎石的过程，实验使用0.25 g的正方体石膏模型来代替人体结石，钬激光功率选择12 W（0.6 J×20 Hz，0.8 J×15 Hz，1.2 J×10 Hz）和20 W（0.8 J×25 Hz、1.0 J×20 Hz、2.0 J×10 Hz），脉冲持续时间为200 μs和800 μs，光纤使用272 μm以及550 μm，工作距离从0~5 mm。最后，将体外模型置于水中，在室温进行实验。实验结果表明，结石位移随着脉冲峰值功率的增大而增大；较长的脉冲持续时间可以减小16.95%~27.27%的结石位移；272 μm的光纤相比于550 μm的光纤能够减少35.59%~54.17%的结石位移；增大工作距离可以减小结石位移，同时降低消融效率，但当结石模型与光纤顶端接触时，会产生吸附挣扎的现象。上述结论为改进国产钬激光器设计以及钬激光参数精细化设置提供了参考，对于临床手术有借鉴意义。
关键词：医用光学;国产钬激光器;激光消融;结石位移;汽化泡

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发布时间：2021-03-05
多局域空心光阱及其光场调控
林兴磊,付文升,邹永刚,张贺,吕金光
2021, 29(2): 251-258. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0251

摘要：本文通过一种产生多局域空心光阱的光学系统，研究了光阱位置与反射镜偏转角度的关系。基于衍射积分和矩阵光学的理论，分析并计算了入射光源经过光学元件后的光场分布，通过调控反射镜的偏转角度，可以实现光阱位置的任意变换，达到精确捕获和囚禁微粒的目的。当两个反射镜偏转角度的关系为θ₁-θ₂=90°时，变换的光阱位置在一条倾斜的直线上；当两个反射镜的偏转角度关系为θ₁<112.5°和θ₂<22.5°时，空心四阱可转变为空心十二阱。对所形成的光阱进行了梯度力和散射力的计算，通过蒙特卡罗法验证了瑞利粒子被稳定地囚禁在光阱中心的极小区域内。多局域空心光阱对于多粒子的捕获和精确捕捉具有重要意义。
关键词：光镊;激光技术;多局域空心光束;反射镜;位置变换;粒子囚禁

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发布时间：2021-03-05
激光聚变冲击波速度测量光学系统设计
闫亚东,韦明智,李奇,王维,齐文博,何俊华
2021, 29(2): 259-266. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0259

摘要：针对激光聚变冲击波速度测量的需求，设计了一种集被动式扫描高温计和主动式冲击波速度测量于一体的复合冲击波速度测量系统。通过采用多种耐辐射光学玻璃材料，实现了共用光路的400~700 nm耐辐射消色差设计；通过采用自动控制干涉仪简化了系统操作；主动测速系统通过切换不同焦距的中继成像镜头，实现了不同放大倍率的切换。系统的物方视场为φ2.0 mm，主动式测速系统的放大倍率为10×，20×，30×，静态实验干涉条纹平直，调制度达到0.69以上，物方分辨率达到4.72 μm。该系统在激光聚变装置上能够实现冲击波速度的动态测量。
关键词：光学系统设计;速度干涉仪;多普勒频移;扫描高温计

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发布时间：2021-03-05
BCD工艺下光电集成的单光子雪崩光电二极管及前端电路的研制
史晓凤,庞雪,朱丽君,张新宇,张媛,韩波,李佩君,郭博,程翔
2021, 29(2): 267-277. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0267

摘要：提出一种基于BCD工艺用于检测微弱光信号的单光子雪崩光电二极管（SPAD）及前端淬灭-复位电路（QRC）。为减小边缘击穿的风险，提高响应度，设计了一种圆形P+/Nwell/Deep Nwell结构SPAD，Deep Nwell和衬底之间形成的pn结，能够有效减少p衬底流向雪崩区的暗电流，降低暗计数率，也保证了较小的纵向渡越时间，提高了响应速度。同时设计了P阱保护环，增大了器件的击穿电压。采用silvaco对器件进行二维仿真，与传统的P+/Nwell结构以及P+/Nwell/BNwell结构进行了比较，验证了设计结构在击穿电压、响应度方面的优越性。为实现光电探测器与集成电路的协同设计，改进了APD光电器件的等效电路模型并在此基础上设计了主动淬灭复位电路，死时间约为2.6 ns，能够达到快速探测的目的。测试结果表明，P+/Nwell/DNwell结构的雪崩击穿电压为15.8 V，在过电压为0.2 V时，650 nm光照射下，响应度约为0.80 A/W，暗计数率为20 kHz。
关键词：单光子雪崩光电二极管;光电集成;BCD工艺;响应度;飞行时间传感器

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发布时间：2021-03-05
用于慢性软组织损伤的大功率光谱治疗仪
徐建根,崔锦江,董宁宁,曹逸兴
2021, 29(2): 278-285. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0278

摘要：光谱波段和治疗光强度是光治疗的关键，决定了适应症、治疗深度和疗效。基于水滤红外线A原理，本文采用大功率高效卤素灯为光源，通过对光束整形、密闭液体过滤器以及电子学控制等系统设计了大功率光谱治疗仪，其基本性能与国外先进产品基本相同。该治疗仪的光谱、光功率密度、电气安全性和电磁兼容性通过了医疗器械注册检验，并应用于慢性软织损伤炎症、疼痛的临床治疗中。临床实验结果显示，71例患者在经过（6±1）天治疗后的总有效率达100%，显效率达80.28%，未发生不良反应。该治疗仪提升了有效光谱宽度和治疗光强度，降低了热效应，提高了穿透深度和疗效，有望广泛用于软组织的损伤、慢性炎症、疼痛及伤口愈合等领域。
关键词：医用光学;光谱治疗;波段;光功率密度;治疗深度

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发布时间：2021-03-05

微纳技术与精密机械

机械轴与虚拟轴复合的磁流变抛光
张韬,何建国,黄文,樊炜,张云飞
2021, 29(2): 286-296. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0286

摘要：传统的磁流变抛光工艺采用抛光缎带的固定位置对工件进行法向加工，由于机床转轴的行程限制，工件陡度较高区域不可达，当前基于等效磁场原理的变切触点抛光方法存在着等效磁场实现成本高，没有充分发挥机械轴与虚拟轴相结合的抛光能力等问题。本文针对这些问题提出了一种用于加工高陡度曲面元件的方法，分析了保证去除函数稳定的磁场特点，通过磁场测量实验验证了磁场的稳定范围，通过采斑实验确定了去除函数稳定的虚拟轴范围为±12°，提出了将虚拟轴与机械轴复合使用的加工方法，并基于刚体变换实现了该加工方法下的坐标解算。最后，通过增加倾角的球面件抛光实验，将球面元件95%口径的PV值收敛为0.096 $λ$ ，RMS值收敛为0.012 $λ$ ，实验结果表明虚拟轴和机械轴复合抛光方法具有针对高陡度曲面的修形能力。
关键词：磁流变抛光;变切触点;机械轴;虚拟轴;高陡度曲面

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发布时间：2021-03-05
三自由度弱耦合谐振式微质量测量传感器
肖奇军,罗忠辉,郭大为
2021, 29(2): 297-304. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0297

摘要：为了实现对微小质量的测量，本文提出了一种基于模态局部化效应三自由度弱耦合谐振式微质量传感器，建立3个谐振器的运动方程式，获得质量扰动的系统方程，建立了三自由度耦合谐振系统的 MATLAB / SIMULINK模型，得出幅值比变化相对于振幅变化和谐振频率变化来说具有最高的归一化灵敏度。最后进行传感器设计和微加工，搭建质量测量系统。实验结果表明，电压幅值比的变化产生的归一化灵敏度大约是振幅变化的4倍，大约是频移变化的两个数量级，最小可检测质量值为2 ng。仿真和实验结果表明，三自由度模态局部化弱耦合谐振器能实现对微质量的测量，具有良好的生物传感应用前景。
关键词：微质量传感器;三自由度;模态局部化;弱耦合;谐振器

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发布时间：2021-03-05
大范围平动并联机器人运动学解耦与速度自适应规划
赵新华,刘培昌,赵磊,李彬
2021, 29(2): 305-315. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0305

摘要：并联机器人是一种多支链、多关节、强耦合非线性系统，具有高速、高刚度和大负载等明显优势而被广泛应用到工业领域。然而，随着关节数量的增加导致该类机器人运动学解耦和高精度平稳控制的难度较大。为实现大范围平动3-RRRU并联机器人自动化轨迹跟踪和控制的平稳性，针对运动学解耦和速度自适应规划方法展开了系统、深入地研究。首先，应用DH法建立了机器人运动学模型，基于结构约束条件完成运动学解耦计算，并在S型控制策略中加入速度自适应修正机制，依据不同轨迹可自动计算并修正最大速度参数，实现自适应优化；其次，采用激光跟踪仪对机器人轨迹进行动态跟踪，对比分析了S型速度和梯型速度控制策略下的跟踪精度，梯型速度规划下其最大误差高达4.513 mm，是S型控制策略的3倍，且位置误差曲线出现多个尖峰值，说明因速度突变导致运动平稳性较差；最后，测试S型速度规划下采用自适应修正机制前、后机器人的平稳性以及轨迹跟踪精度。实验结果表明：当规划路径难以实现机器人加速到原预设最大速度时，在轨迹末端存在较大的惯性速度，产生位置尖峰误差为2.676 mm，是修正后最大误差的2.4倍，且伴随着明显的冲击效应。引入自适应修正机制后圆轨迹的起点和终点位置误差分别为0.722 mm和0.382 mm，二者相对位置偏差仅为0.34 mm，且末端定位误差相比修正前降低了一个数量级，有效解决了机器人存在惯性冲击效应的难题，大幅提高了机器人整体轨迹跟踪的精度和控制的平稳性。
关键词：大范围平动;并联机器人;运动学解耦;自适应控制;精度

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发布时间：2021-03-05
利用正交位移测量系统进行六自由度并联机构参数标定
杨利伟,鲍赫,樊延超,李志来,董得义
2021, 29(2): 316-328. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0316

摘要：为了简化六自由度并联机构的参数标定过程，提高标定效率，降低标定成本，提出了基于正交位移测量系统的位姿测量装置及方法。首先，研究了该装置的位姿解算方法，利用空间解析几何的方法，求解其运动学正解与逆解。其次，利用微小位移合成法，建立了并联机构及正交位移测量系统组合体的误差模型。然后，基于误差模型，构建了组合体参数误差辨识的最优化问题数学模型，其中，传感器示值的平方和最小为目标函数，组合体的结构参数误差为设计变量。最后，利用正交位移测量系统对六自由度并联机构位姿进行测量，利用OASIS奥希思软件直接搜索出参数误差最优解，将其补偿到并联机构控制系统中，完成并联机构的参数标定。标定前后位姿误差对比表明：最大位置误差降低了58%～96%，最大姿态误差降低了92%～97%。利用正交位移测量系统进行并联机构参数标定，不仅可有效提升并联机构的定位精度，还可有效简化标定工作，提升标定效率，降低标定成本。
关键词：六自由度并联机构;正交位移测量系统;参数辨识;优化算法;OASIS奥希思

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发布时间：2021-03-05
数控机床XY工作台单向运动二维阿贝误差分析与建模
吴天凤,李莉,杨洪涛
2021, 29(2): 329-337. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0329

摘要：为了提高数控机床的加工精度，建立误差补偿模型。对温度影响下的数控机床XY工作台导轨系统各误差分量之间的误差相关性进行研究。首先，分析了XY工作台单向运动时各平动误差和角度误差的相关性和X向导轨系统二维阿贝误差的变化规律。然后，建立了Y轴导轨系统和X轴导轨系统误差相关性的阿贝误差计算模型。最后，分别进行了X轴导轨和Y轴导轨角度误差的相关性验证和导轨系统定位误差补偿效果对比实验。实验结果表明：利用工作台二维阿贝误差补偿后的定位误差2整体误差呈减小趋势，且比用传统方法补偿后的定位误差1最大相差3 µm左右，占补偿后的工作台总误差的三分之一。本文所建立的导轨系统二维阿贝误差模型更符合数控机床XY工作台误差的实际变化规律，利用该模型导轨进行的工作台联动定位误差补偿效果比传统补偿方法的修正效果更好，为实时补偿数控机床误差，提高机床加工精度和在机测量系统的测量精度打下理论基础。
关键词：数控机床;堆栈式工作台;二维阿贝误差;相关性;误差建模

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发布时间：2021-03-05

信息科学

基于跨尺度字典学习的图像盲解卷积算法
彭天奇,禹晶,郭乐宁,肖创柏
2021, 29(2): 338-348. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0338

摘要：在模糊核未知情况下利用模糊图像对清晰图像进行复原称为图像盲解卷积问题，这是一个欠定逆问题，现有的大部分算法通过引入模糊核和清晰图像的先验知识来约束问题的解空间。本文提出了一种基于跨尺度字典学习的图像盲解卷积算法，采用降采样图像训练稀疏表示的字典，并将图像纹理区域在该字典下的稀疏表示作为正则化约束引入盲解卷积目标函数中。图像降采样过程减弱了图像的模糊程度，且图像中存在冗余的跨尺度相似块，利用更清晰的图像块训练字典能够更好地对清晰图像进行稀疏表示，减小稀疏表示误差；同时，由于在纹理区域清晰图像的稀疏表示误差小于模糊图像的稀疏表示误差，在该字典下对图像中的纹理块进行稀疏表示，使重建图像偏向清晰图像。本文的算法在Kohler数据集上复原结果的平均峰值信噪比为29.54 dB。在大量模糊图像上的实验验证了本文的算法能够有效解决大尺寸模糊核的复原，并具有良好的鲁棒性。
关键词：盲解卷积;稀疏表示;字典学习;跨尺度;自相似性

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发布时间：2021-03-05
基于模拟多曝光融合的低照度全景图像增强
王殿伟,邢质斌,韩鹏飞,刘颖,姜静,任新成
2021, 29(2): 349-362. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0349

摘要：针对低照度全景图像存在的对比度低、视觉效果差等问题，提出了一种基于模拟多曝光融合的低照度全景图像增强算法。首先，将原图像从RGB颜色空间转换到 HSV颜色空间，以图像信息熵作为度量估计最佳曝光率，采用亮度映射函数对 $V$ 分量进行增强处理，再将其转回RGB颜色空间得到过曝光图像；接着，以低照度图像和过曝光图像为输入，采用曝光插值法合成中等曝光图像；然后，采用多尺度融合策略将低照度图像、中等曝光图像和过曝光图像进行融合，得到融合后的图像；最后，通过多尺度细节增强算法对融合后的图像进行细节增强，得到最终的增强图像。通过与NPE，LIME，SRIE，Li，Ying，RtinexNet算法相比，在不同场景的全景图像上，亮度顺序误差（LOE）最小为322，自然图像质量评估器（NIQE）最小为2.32，无参考空间域图像质量评估器最小为5.71，结构相似度（SSIM）最高达到0.82，综合性能优于其他对比算法。实验结果表明，本文算法能够有效地提升低照度全景图像的质量。
关键词：图像增强;低照度全景图像;多曝光融合;曝光插值;图像信息熵

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发布时间：2021-03-05
基于显著性区域加权的相关滤波目标跟踪
朱均安,陈涛,曹景太
2021, 29(2): 363-373. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0363

摘要：为了提高跟踪过程中目标位置的定位精度，提出了基于显著性区域加权的相关滤波目标跟踪算法。本文在高效卷积算子跟踪算法（Efficient Convolution Operators for Tracking，ECO）的跟踪框架基础上，首先采用预训练的改进残差网络SE-ResNet来提取不同层的多分辨率特征，充分利用浅层和深层特征的不同特性来增强特征表达，通过因式分解的卷积求出相关滤波的响应图；然后采用背景对像模型来获取目标的显著性图，并使用显著性图来对相关滤波的响应图进行加权，提高定位精度；最后，在视觉目标跟踪（Visual Object Tracking，VOT）竞赛上与8种流行的跟踪算法进行对比，在VOT2016和VOT2017竞赛上的平均重叠期望（Expected Average Overlap，EAO）得分分别达到了0.415 7和0.341 2，均优于其他算法。实验表明本算法可以有效提升目标跟踪中的定位精度，改善跟踪性能。
关键词：卷积神经网络;相关滤波;显著性区域;目标跟踪

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发布时间：2021-03-05
利用邻域方向分布的机载激光雷达点云建筑物外轮廓提取
赵传,郭海涛,王优扬,卢俊,余东行,林雨准
2021, 29(2): 374-387. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0374

摘要：机载激光雷达点云密度分布不均、建筑物形状不规则且复杂多样等多种因素，导致现有建筑物轮廓提取方法存在参数难以设置、适应性较差等问题，为此本文提出一种利用邻域方向分布的机载激光雷达点云建筑物外轮廓提取方法。首先采用固定邻域点数分析各点的邻域方向分布，以获取不同邻域方向间的夹角，根据建筑物外轮廓点的特点，定义潜在轮廓点并将其视为初始轮廓点进行提取，从而得到初始轮廓点提取结果；考虑到无序轮廓点难以用于实际任务，因此利用建筑物点云构建不规则三角网并对其中的边进行删除、添加等操作，得到仅与初始轮廓点相连的边集，通过非固定边长的扫描方式跟踪轮廓点，并基于设计的规则剔除导致明显锯齿状的轮廓点，从而得到有序、平滑的建筑物外轮廓提取结果。利用具有不同密度分布、不同形状的模拟和真实建筑物点云进行试验，结果表明，方法对不同场景采用相同的参数，均能得到较好的外轮廓提取结果，F1分数优于90.88%。方法在保证提取轮廓F1分数较高的同时，可有效地克服参数难以设置的问题，具有较强的适应性，可为建筑物三维模型重建等应用提供稳定、可靠的建筑物外轮廓信息。
关键词：建筑物外轮廓;邻域方向分布;提取与跟踪;边扫描;机载激光雷达测量

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发布时间：2021-03-05
基于迁移学习与特征融合的眼底图像分类
陈筱,朱向冰,吴昌凡,余燕,张鹏飞
2021, 29(2): 388-399. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0388

摘要：针对大量眼底图片难以收集和标注、有经验的眼科医生地区分配不均匀等，导致眼底疾病患者检查准确度低、花费时间较长等问题，本文基于迁移学习提出一种图像分类方法：首先修改EfficientNet-B0和EfficientNet-B7模型并进行参数微调，将微调后的模型作为特征提取器用于提取眼底图像的特征，再对提取的特征进行特征融合并使用DNN分类器实现最终分类，同时使用加权梯度类激活映射可视化解释模型诊断异常的原因。提出的方法在内部数据上十折交叉验证得到的平均准确度、灵敏度和AUC分别为95.74%，96.46%，0.987，在公开数据集JSIEC上获得97.04%的准确度和97.14%的灵敏度。结果表明该方法可用于大规模筛查异常眼底，辅助医生实现高效诊断。
关键词：眼底图像;深度神经网络分类器;EfficientNet微调;特征提取;特征融合;可视化解释

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发布时间：2021-03-05
结合天空分割和透射率映射的图像去雾
杨燕,张浩文,张金龙
2021, 29(2): 400-410. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0400

摘要：针对暗通道先验在天空区域出现轮廓效应和色彩失真等问题，提出天空区域分割和不同区域透射率映射的去雾算法。首先，利用自适应阈值法粗略分割图像天空区域，在天空区域中完成大气光值的估计。其次，结合超像素分割方法改进暗通道，获得初始透射率，利用导向滤波的方法得到细化透射率，对细化透射率进行自适应阈值分割，并保留最大连通域实现天空区域的精细分割。最后，针对天空和非天空区域提出不同的透射率映射方法，得到最终透射率，并利用大气散射模型复原图像。实验结果表明，恢复图像在主观视觉和客观指标方面均表现出色。算法有效地解决了暗通道先验算法容易在天空区域失效的缺陷，可以恢复比较自然的天空，减弱了边缘区域的halo效应。
关键词：图像去雾;超像素分割;天空分割;透射率映射;改进暗通道

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发布时间：2021-03-05
改进Zigzag遍历与哈希的Lorenz混沌构建
郭媛,王充
2021, 29(2): 411-419. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0411

摘要：针对常见的基于混沌系统构造测量矩阵用于加密的算法，只是采用简单的混沌初始值进行迭代，为了使明密文信息相关联程度更加紧密，具备抗选择明密文攻击的能力。本文提出一种利用明文信息确定zigzag初始位置，通过与原始图像像素形成关联，极大地提高了明文的敏感性。另外，采用安全哈希算法SHA-512，产生与明文相关联的哈希值，用来构造系统的初始值，通过混沌系统来构造压缩感知中的测量矩阵，极大地减少了由于需要存储测量矩阵而造成的空间资源和传输成本。在信息熵，密文敏感性和相关系数等特性方面进行可视化分析。实现结果表明，密文图像的信息熵为7.998 6，更接近于8，相关系数接近于0。能够实现灰度图像的安全性加密，抵抗明密文攻击，具有一定的鲁棒性，对于灰色图像加密具有较强的实用性。
关键词：Zigzag遍历;哈希函数;混沌映射;压缩感知;图像加密

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发布时间：2021-03-05
基于改进双流时空网络的人体行为识别
张红颖,安征
2021, 29(2): 420-429. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0420

摘要：针对传统双流网络无法捕捉视频序列中的时序关系从而导致对时序依赖较大的行为识别效果不理想的问题，提出一种基于改进双流时空网络的人体行为识别算法。首先利用时间移位思想，使卷积神经网络对视频中的时序关系建模，从而高效地捕捉视频中的时空信息；同时使用注意力机制改善由于通道信息在时间轴上移动导致的空间特征学习能力下降的问题；在此基础上构建了一个包含时空表观信息流和时空运动信息流的双流网络结构；最后，采用加权平均的方式融合双流网络，得到最终的识别结果。在UCF101和HMDB51数据集上分别进行了实验，识别准确率为96.3%和77.7%，实验结果表明，与传统双流网络方法相比，识别准确率得到了一定的提升，验证了本文算法能够有效捕捉视频中的时序关系，增强网络的特征表达能力，提高对时序依赖较大的行为和近似行为的辨识能力。
关键词：计算机视觉;行为识别;双流网络;时间移位;注意力机制

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发布时间：2021-03-05
多源遥感数据的道路提取技术研究现状及展望
贾建鑫,孙海彬,蒋长辉,王跃明,王廷槐,陈劲松,陈育伟
2021, 29(2): 430-442. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0430

摘要：遥感图像道路信息提取既是土地利用检测、地理信息系统更新等传统行业应用的必要步骤，又是数字城市、智能交通等新基建领域中关键技术之一。回顾道路提取方法的发展历程，按照使用数据源的不同，现有的遥感图像道路提取技术主要分为高分辨率成像、多光谱/高光谱成像、激光/点云成像和SAR成像四大类。本文首先介绍了四种遥感技术在道路信息提取上的应用现状、适用范围及方法特点；然后重点阐述并列举分析了当前基于不同平台高光谱数据的道路提取应用效果；最后对本文的内容进行了总结，并对未来的发展趋势进行了展望。
关键词：高光谱;多源遥感数据;道路提取;新基建

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发布时间：2021-03-05
基于导向滤波Retinex和自适应Canny的图像边缘检测
王冬云,唐楚,鄂世举,高春甫,葛炳灶
2021, 29(2): 443-451. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0443

摘要：机器视觉识别常用金属制品边缘时，表面亮度不均易导致边缘误识别，且传统的边缘检测算法去噪的同时也抑制了大量边缘信息，降低了边缘检测质量。本文提出一种基于导向滤波Retinex和自适应Canny的图像边缘检测算法。该算法采用基于导向滤波的Retinex法得到金属制品图像的反射分量，通过加权分布的自适应伽马校正提升反射分量图像对比度；然后，采用自适应各向异性扩散滤波对增强后图像进行去噪处理，抑制增强后图像的噪声及低对比度纹理，再采用改进四方向Sobel梯度模板提取图像边缘；最后沿用传统Canny算法的非极大值抑制及双阈值分割进一步细化边缘。实验结果表明，新算法检测典型金属小零件时，图像锐度指标由原图的47.11提升至68.39，金属表面的亮度标准差从原图的44.76下降至20.16；噪声指标从原图的1.1下降到0.15左右，并且在去噪的同时较好地保留了图像边缘锐度。新方法有效改善了金属表面图像因亮度不均导致的边缘误识别问题，并且提取的边缘连接性较好。
关键词：图像处理;亮度不均;金属制品;图像增强;边缘检测;改进Canny

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发布时间：2021-03-05
组合曝光的计算成像系统及其复原
吴笑天,吕博,刘博,杨航
2021, 29(2): 452-462. DOI: 10.37188/OPE.20212902.0452

摘要：传统光学成像方式在低照度条件下拍摄高速运动物体时，通过积分时间的配置难以平衡能量获取和高速运动模糊之间的矛盾。为了解决低照度条件下高速运动物体的清晰成像问题，本文提出一种基于组合曝光图像的计算成像方式，通过高帧频相机采集邻近两帧形成组合曝光图像对，基于两帧图像信息的互补，合理估算运动模糊点扩散函数，最终获取高信噪比的复原图像。试验结果表明，本文所述的计算成像方法能够良好地解决低照度条件下高速运动目标的成像模糊问题。通过本方法获得的复原图像相比原降质图像在细节纹理上有明显的改善，客观评价指标峰值信噪比（PSNR），结构相似指数（SSIM）相比原降质图像提升10%左右，整体性能效果优于现有非深度学习复原方法，图像清晰可靠，具有良好的主观视觉效果。
关键词：计算成像;图像复原;组合曝光;非均匀点扩散函数

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发布时间：2021-03-05

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