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最新刊期

2021 年第 4 期

现代应用光学

基于偏振成像的低光照强背景噪声下的目标位姿估计
张然,桂心远,成昊远,褚金奎
2021, 29(4): 647-655. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0647

摘要：物体位姿信息在航空、航海、室内机器人定位等领域都有着十分重要的地位，越来越多的研究表明偏振是某些生物进行导航以及在低光照下拥有视觉的关键。本文提出了一种基于偏振成像的低光照强背景噪声环境下的物体位姿求解方法。该方法通过在普通光源前设置偏振片，使非偏振光转变为偏振光源。通过偏振相机对偏振光源进行偏振成像，利用计算机视觉技术识别偏振光源并求解光源相对偏振相机的位姿。结果表明，本文提出的偏振方法相比光强具有更高的精度和鲁棒性，在40 m距离上，位姿误差为2.99%。该方法利用偏振成像技术，能够在低光照强背景噪声环境下求解物体相对于光源的位姿，克服了低光照下利用计算机视觉无法计算物体位姿信息的问题。
关键词：偏振成像;位姿估计;低光照;计算机视觉

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发布时间：2021-05-12
双波长干涉显微镜波长的双约束标定
刘乾,黄小津,李璐璐,张辉
2021, 29(4): 656-664. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0656

摘要：作为测量的精度来源，双波长干涉显微镜的光波长需要精确标定以溯源至长度基准。本文提出了一种基于两个光波长之间关系、波长与长度基准之间约束的标定方法。理论分析得到了表面重构误差与波长误差之间的关系，认为表面跳变与高度对两个光波长具有足够的约束自由度，并基于理论分析提出了一种双约束的标定方法。该方法通过测量斜平面与标准高度台阶，分别约束了两个光波长之间的比例关系与算术关系，然后通过求解两个约束关系能够确定光波长。仿真结果表明，双约束标定波长的精度可达到0.1 nm。经过本文方法标定的双波长干涉显微镜，测量微沟槽深度的精度可达到0.5 nm。本文标定方法仅需一块标准高度台阶，为干涉显微镜提供了一种简单的高精度波长标定方法，并可以推广应用于双波长数字全息、三波长干涉等技术。
关键词：精密测量;干涉显微镜;双波长干涉;波长标定

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发布时间：2021-05-12
基于最小二乘配置的地面三维脉冲激光扫描仪自检校
郭献涛,贾燕
2021, 29(4): 665-673. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0665

摘要：针对地面三维脉冲激光扫描仪传统自检校方法中参数高相关性制约参数估计可靠性的不足，基于最小二乘配置方法与全站仪误差模型，提出一种地面三维脉冲激光扫描仪自检校方法。该方法通过对估计参数配置相关先验权重信息柔性定义检校网基准，把所有参数都作为检校平差中的观测值实施处理，同时对检校网进行优化设计，并联合等价权鲁棒估计实施自检校粗差检验与方差分量估计，有效降低了参数估计间的相关性，提高了检校的可靠性。基于扫描仪Leica scan station的模拟实验结果表明，该方法实现了大多数参数间的低相关性高精度估计，其中仅视准轴误差与扫描仪方位间的相关性（约为0.8）较为显著，但该相关性在4站扫描设计下得到了有效控制（下降到0.5）。
关键词：脉冲激光扫描仪;误差建模;最小二乘配置;自检校;高相关性

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发布时间：2021-05-12
超构表面红外分光阵列设计
王进东,叶文成,张伟婷,崔爱梁,廖清君
2021, 29(4): 674-681. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0674

摘要：超构表面阵列分光具有高透射、低损耗、高集成度的特点，是当前微纳结构领域的研究热点。本文提出了一种由Si和SiO₂组成的超构表面红外分光阵列。以不同波长的红外光入射单元，仅改变圆柱半径，分别计算不同波长的透射率和出射相位随半径的变化。根据广义斯涅尔定律，选择具有不同圆柱半径的若干单元组成超构表面分光周期。该周期对不同波长的入射光具有对应的透射相位梯度，验证了超构表面阵列具有分光功能。对超构表面红外分光阵列可能的应用提出了展望。结果表明：以半径为150，250，300 nm的3个Si纳米柱组成的超构表面周期可以将波长2.7 μm和2.9 μm的混合入射红外光分离，并且透射率达到70%以上。
关键词：光电器件;红外分光;超构表面;电介质;相位

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发布时间：2021-05-12
倾斜分束片型复色自准直仪光学系统
刘智颖,郑秋水,李文博,王晓燕,黄蕴涵
2021, 29(4): 682-690. DOI: 10.37188/OPE.2020.0540

摘要：为了实现对倾斜分束片型自准直仪的设计，针对由平板分束器引入的轴上像散提出了校正方法。对其轴上点像散产生的原因进行分析，研究了柱面镜对轴上像散的校正方法。推导了柱面镜校正参数的计算方法，针对复色自准直仪系统的残余色差，提出柱面分束器与柱面镜组合的校正方法，并与平板分束器与双柱面镜组合方法进行对比，分析发现前者可减少元件数量，更适合用于倾斜分束片型复色自准直仪中。设计结果表明，柱面分束器与柱面镜组合型系统的波像差RMS值为λ/26，PV值为λ/5，系统的消像散、消色差效果良好，成像质量得到有效复原。对样机的波前进行检测，RMS值为λ/25，PV值为5λ/26，小于λ/4，系统成像质量良好。
关键词：自准直仪;倾斜分束片;轴上像散;消色差;双柱面镜

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发布时间：2021-05-12
三维多点交会点位空间分布优化与精度分析
丁克良,靳婷婷,蒋志强,李甜,陈昊旻
2021, 29(4): 691-700. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0691

摘要：为了提高超高精度、大尺寸三维控制网布设中点位交会的测量精度，利用激光跟踪仪测量系统建立高精度三维控制网，点位交会精度受测量点空间几何分布的影响，构建了基于激光跟踪仪测量系统的加权几何精度因子模型，根据测量点的点位分布和数量，从水平面、高程等方面对多方向多距离的空间点位交会精度进行了比较分析。实验结果表明：三点交会测量时，测量点距离越短，天顶距间差值越大，点位交会精度越高；在已知四面体的内部插入测量点，测量点距离越短，天顶距越大，点位交会精度越高；测量点为6个时，点位交会精度能很好地满足测量要求，且精度趋于稳定，随测量点的增加，精度提升缓慢。该方法可选取有利的点位位置，有效地提高点位交会精度，在实际工程应用中具有较高的应用价值。
关键词：激光跟踪仪;多点交会;精度因子;空间几何分布

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发布时间：2021-05-12
半透明胶条表面光条中心线提取
符钦伟,杜宣,张燕,吕娜,陶卫,赵辉
2021, 29(4): 701-709. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0701

摘要：为了解决传统激光条纹中心线提取方法不适用于半透明物体的问题、实现对半透明胶条的轮廓精确测量，研究了半透明胶条表面光条中心线提取算法。对比分析了不透明胶条和半透明胶条的激光条纹成像机理。通过研究半透明胶条激光条纹的一维灰度序列，说明了直接反射分量和次表面散射分量的波峰分布差异。最后提出了半透明胶条表面光条中心线提取算法，首先扫描激光条纹的一维灰度序列；然后采用数学形态学方法，根据波峰灰度值大小及分布位置差异提取得到直接反射分量；最后，采用灰度重心法对灰度序列中的直接反射分量开窗提取亚像素中心位置坐标，连续扫描获得光条中心线。实验结果表明，本文方法有效排除了次表面散射的干扰，提取光条中心线的平均误差达到3.197 pixel，二次曲线拟合后的平均误差为0.714 pixel，优于直接采用灰度重心法提取光条中心线。本文方法能够有效提取半透明胶条表面光条中心线，为工业现场半透明胶条的轮廓测量奠定了基础。
关键词：精密测量;线结构光;半透明胶条;光条中心线;数学形态学

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发布时间：2021-05-12
激光自混合测振技术在声共振探雷实验中的应用
王驰,马辉,李金辉,张小青,栾信群,方东
2021, 29(4): 710-720. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0710

摘要：利用激光自混合干涉测振技术，研究一种非接触式声共振探雷方法。在论述激光自混合测振技术原理的基础上，以69式防坦克塑壳地雷、72式防坦克金属地雷、58式防步兵橡胶地雷和砖块作为测量对象，构建其声学特征测量实验系统，设计并搭建地雷在埋设情况下的探测实验系统，利用激光自混合测振技术研究不同类型埋设地雷及同一地雷在不同埋深和土壤条件下的声振特性。实验结果显示，地雷在外界激励下表现出独特的多模态振动特性，在不同埋设条件下表现出不同的声振特征，地表振动强度随着深度的增加和土壤孔隙度的减小而减小，而对土壤湿度的变化不明显。利用激光自混合测振技术可进行地雷振动特征的非接触式检测，埋设地雷的声振特征不同于砖块等干扰物，与地雷的类型及埋设条件有关。
关键词：激光自混合干涉;声共振;地雷探测;声-地震耦合

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发布时间：2021-05-12
基于同步荧光光谱的鸡肉中磺胺二甲基嘧啶和氧氟沙星残留的快速检测
陈健,刘木华,袁海超,黄双根,赵进辉,徐宁,王婷,胡围
2021, 29(4): 721-732. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0721

摘要：采用同步荧光技术结合化学计量学实现了鸡肉中磺胺二甲基嘧啶（Sulfamethazine，SM2）和氧氟沙星（Ofloxacin，OFL）残留的快速检测。分析了SM2标准溶液、OFL标准溶液、空白鸡肉提取液和含SM2和OFL的鸡肉提取液的三维同步荧光光谱，确定了鸡肉中SM2和OFL残留检测的波长差（Δλ）分别为150 nm和210 nm，荧光激发峰分别为292.5 nm和295 nm。采用单因素实验考察了β-巯基乙醇和邻苯二甲醛溶液加入量及时间对荧光强度的影响，确定了最佳检测条件为：β-巯基乙醇溶液300 μL、邻苯二甲醛溶液25 μL和采集时间44 min。最后，利用峰高法和峰面积法分别建立了预测模型。实验结果表明，与基于峰面积法的预测模型相比，基于峰高法的预测模型的综合评价更好。基于峰高法的SM2和OFL残留预测模型的预测集决定系数（R²_P）分别为0.897 3和0.997 3，预测集均方根误差（RMSEP）分别为6.060 5 mg/kg和0.539 2 mg/kg，回收率分别处于76.1%~115.2%和96.7%~110.1%之间，相对标准偏差（RSD）分别处于2.7%~7.0%和2.8%~10.0%之间。本方法快速、简便，可用于鸡肉中SM2和OFL残留的快速检测。
关键词：光谱检测;同步荧光光谱法;鸡肉;磺胺二甲基嘧啶;氧氟沙星;回归分析

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发布时间：2021-05-12

微纳技术与精密机械

大口径透镜模块的颗粒污染物吹扫机理及验证
李玉海,白清顺,卢礼华,张飞虎,袁晓东
2021, 29(4): 733-739. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0733

摘要：为了解决终端光学组件中的大口径透镜污染损伤问题，实现透镜表面的在线洁净，提出了一种新的污染物去除方式，利用风刀技术实现颗粒污染物的在线去除。通过有限元方法模拟了透镜表面颗粒污染物吹扫过程，研究了在层流风和风刀的共同作用下透镜模块中的流场分布状态和颗粒运动轨迹。研究结果表明：当层流风速为0.3 m/s时，透镜模块内部能够形成稳定流场；当风刀距离透镜上表面78.73 mm时，能够有效降低风刀气流在透镜表面的应力集中；当风刀风速为30 m/s时，风刀气流能够有效隔离出射速度小于50 m/s和颗粒直径小于75 μm的二氧化硅颗粒。通过实验验证了风刀在透镜表面的安装位置和气流在透镜表面的速度分布特征，机械构件比光学元件溅射的颗粒污染物更难去除。最终获得风刀在透镜表面颗粒污染物吹扫和隔离的有效技术参数，为大口径透镜模块的在线颗粒污染物去除提供新方法。
关键词：激光约束聚变;大口径透镜;风刀;颗粒污染物;流场仿真

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发布时间：2021-05-12
磁流变抛光中表面彗尾状缺陷的生成与演变行为
袁胜豪,张云飞,余家欣,李凯隆,王超,田东,海阔,黄文
2021, 29(4): 740-748. DOI: 10.37188/OPE.2020.0499

摘要：为了研究磁流变抛光后元件表面“彗尾状缺陷”的生成和演变机理，本文以石英玻璃为样品，分析了磁流变抛光时抛光液中抛光颗粒浓度与水分含量对彗尾状缺陷的影响。研究表明，彗尾状缺陷的生成与元件表面存在的原始缺陷相关，抛光颗粒在缺陷处的堆积是造成原始缺陷转变成彗尾状缺陷的主要原因。随着抛光颗粒浓度的增加，抛光颗粒在原始缺陷处的堆积明显，生成的彗尾状缺陷数量增加；然而随着水分含量的增加，抛光液的流动性增强，抛光颗粒在缺陷处堆积效应减弱，彗尾状缺陷出现的数量降低。在磁流变抛光过程中，原始凹坑缺陷首先演变成彗尾状缺陷，彗尾状缺陷的头部凹坑深度相对于原始缺陷表现出先增加再降低的趋势；而凹坑的边缘角度随抛光的进行单调增加，直到缺陷被完全去除。本文的研究结果为磁流变抛光中抑制元件表面彗尾状缺陷的生成奠定了理论基础，有助于后期研发控制彗尾状缺陷的抛光液和工艺优化方法。
关键词：光学加工;磁流变抛光;彗尾缺陷;堆积效应;石英玻璃

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发布时间：2021-05-12
地平主焦点式大视场望远镜的双电机消旋系统
李玉霞,王帅,王建立,李洪文,曹玉岩,刘洋
2021, 29(4): 749-762. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0749

摘要：大口径大视场地平式望远镜长时间曝光时，主焦点探测器会由于地球自转产生像旋，即视场中除中心外其余星体均绕视场中心旋转，进而导致目标不能正确提取与观测。为消除图像旋转的影响，某大口径大视场望远镜的消旋跟踪精度需小于5″。本文根据星体像旋原理对主焦点探测器像旋的位置特性和速度特性进行系统分析及实验验证，提出采用双电机驱动消间隙消旋机构进行消旋，利用复合电流指令控制方法消间隙并进行控制。实验结果表明：像旋特性符合消旋公式，测量误差不超过2%。最终在低速15 （″）/s及高速170 （″）/s时消旋机构的跟踪精度小于1″，进行高变速切换即7.86°sin（2π×0.5t）时，控制精度仍然小于1″，采用双电机消间隙控制方法可有效提高系统的稳定性和精度。
关键词：望远镜;双电机消间隙;大口径大视场;消旋控制;地平式望远镜

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发布时间：2021-05-12
基于BAS-PSO算法的机器人定位精度提升
乔贵方,吕仲艳,张颖,宋光明,宋爱国
2021, 29(4): 763-771. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0763

摘要：鉴于工业机器人的精度性能无法满足高端制造领域的要求，研究了机器人定位精度提升方法，阐述了基于位姿微分变换的运动学误差模型和基于坐标误差传递的运动学误差模型的构建方法，提出了一种基于BAS-PSO算法的运动学参数辨识方法，并通过实验对比分析了不同运动学误差模型的精度。实验结果表明，基于BAS-PSO算法辨识后TX60机器人的平均综合位置/姿态误差分别从（0.312 mm，0.221°）降低为（0.093 8 mm，0.044 2°）；而基于正运动学模型直接辨识后机器人的平均位置误差和平均姿态误差分别为0.097 5 mm和0.098 6°。本文提出的BAS-PSO算法具有较好的辨识精度和收敛速度，直接利用正运动学模型辨识的机器人运动学参数具有更好的辨识稳定性和精度。
关键词：工业机器人;几何参数;天牛须搜索算法;机器人标定;精度性能

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发布时间：2021-05-12
大口径机械快门驱动曲线优化及激振力抑制
梁伟,秦开宇,高晓东,蒋仁奎
2021, 29(4): 772-781. DOI: 10.37188/OPE.2020.0509

摘要：巡天相机大口径机械快门旋转产生的微振动是巡天相机的主要扰动源之一。微振动将降低空间光学望远镜的成像分辨率，而快门受到空间和质量的限制无法采取静动平衡抑制措施；快门运行频率非常低，仅为0.77 Hz，传统的被动隔振方法不能兼顾其隔振效果和支撑刚度。本文使用对开式快门结构形式来对消两转轴平面内的激振力，使两转轴平面法向的激振力加倍。根据对开式快门特点，本文提出了基于驱动曲线优化的激振力抑制方法，通过建立机械快门的激振力数学模型，以两转轴平面法向激振力峰值绝对值最小为优化目标，采用单纯形法优化快门驱动曲线。仿真实验表明：微振动的中高频成分得到充分抑制，转轴轴向激振力幅值由0.73 N降低至0.018 N；两转轴平面法向激振力由2.92 N降低至1.72 N，降低了41%，由此验证了数学模型的正确和优化方法的有效。该方法可应用于其它类似旋转机构的减振设计与优化中。
关键词：巡天相机;机械快门;微振动;曲线拟合;目标优化;单纯形法

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发布时间：2021-05-12
基于Brent算法的轴偏置虎克铰型Hexapod平台位置反解
孙佳霖,刘曰涛,杨梦超,韩振,付连壮
2021, 29(4): 782-792. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0782

摘要：针对Newton-Raphson算法求解轴偏置虎克铰型并联六自由度Hexapod平台位置反解时高精度计算会降低平台响应速度的问题，提出了一种新的基于Brent算法的位置反解求解方法。首先，根据平台几何特性和轴偏置虎克铰结构运动特性，建立了基于空间圆辅助模型的运动学模型；接着，提出了基于空间圆距离求解方法的位置反解算法，并针对丝杠螺母副产生的衍生运动，提出了补偿方案；然后，介绍了Brent求根算法，并将Brent算法应用于位置反解算法；最后，通过实验验证了衍生运动误差补偿方案的必要性，同时与采用Newton-Raphson算法的位置反解进行了对比，并测试了该算法控制下的Hexapod平台的响应速度和精度。实验结果表明：在保证平台重复精度低于10 μm和5″的工作需求下，基于Brent算法的位置反解与Newton-Raphson算法相比，综合响应速度提高了约0.5 s。因此，基于Brent算法的位置反解求解方法相对改善了Hexapod平台的响应速度。
关键词：Hexapod平台;响应;轴偏置虎克铰;位置反解;Brent算法

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发布时间：2021-05-12
谐波传动柔轮变形测量误差分析与补偿
杨聪彬,郭庆旭,刘志峰,张涛,胡秋实,张雪洋
2021, 29(4): 793-801. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0793

摘要：波发生器安装误差是柔轮变形测量中较为常见的误差来源之一，安装误差的存在使得柔轮变形与转动角度之间的函数关系产生较大偏差。为解决波发生器中心与回转中心的安装误差问题，本文对柔轮测量误差进行分析，并提出柔轮径向变形误差补偿方法。首先，基于坐标变化原理建立了偏心误差表征数学模型，获得安装偏心量、波发生器实际结构参数；其次，基于波发生器偏心径向变形函数构建了柔轮径向变形误差修正模型，对安装偏心工况下柔轮实际径向变形函数进行修正补偿。实验结果表明：在安装误差影响下柔轮变形函数峰谷偏差达0.134 mm，与理论相差较大；通过本文方法进行修正补偿后，误差在0.012 mm左右，且柔轮径向变形结果与理论变化趋势基本一致。该方法能够有效提高柔轮径向变形测量精度，为优化谐波减速器的齿廓参数奠定实验与理论基础。
关键词：谐波减速器;柔轮径向变形;安装偏心;误差补偿;波发生器

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发布时间：2021-05-12

信息科学

小幅面高温焊缝变形的数字图像相关测量
王立忠,张振,赵建博,田锦华,叶美图
2021, 29(4): 802-812. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0802

摘要：针对电弧焊接下钢板焊缝区小幅面测量时的环境光干扰、散斑脱落等问题，本文提出了一种基于窄通滤波、改进的数字图像相关法和高斯低通滤波技术等原理的非接触式变形测量方法。此方法用数字图像光学测量方法解决了接触式测量设备不耐高温的弊端；用哑光灰色高温胶、黑色高温漆配合制成有效的耐高温散斑。为减小环境光的干扰，在硬件方面安装可滤黄光的窄通滤波片；在算法方面，在数字图像相关法匹配公式中引入两个光补偿系数；结合高斯低通滤波技术对强光区域进行高频去噪，通过增量插值测试得到最佳的滤波截止频率，并对滤波后的图像进行定位移对比实验，验证了高斯低通滤波能有效提高数字图像相关法的匹配精度。本文所提测量方法通过两组实验进行对比，首先与普通处理的实验测量结果对比，匹配过程稳定且云图质量较好。其次与已验证过精度的大幅面实验结果对比，所选两点的测量精度最低为1%，具有较高的匹配精度。最终测出焊缝中心线的最大位移为1.23 mm。从对比实验结果可知：本文测量方法能够有效对小幅面高温焊缝图像进行测量与匹配分析，且理论上精度更高。
关键词：数字图像相关法;高温散斑制备;小幅面焊缝应变测量;高斯低通滤波;匹配精度

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发布时间：2021-05-12
卷积神经网络在驾驶员姿态估计上的应用
陈仁文,袁婷婷,黄文斌,张宇翔
2021, 29(4): 813-821. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0813

摘要：为了实现对驾驶员的驾驶姿态估计，采集并构建了包含26名驾驶人员的姿态估计数据集，提出了一种轻量型卷积神经网络，用于对驾驶姿态的高效识别。首先，通过数学建模将驾驶员的姿态识别问题转化为寻找损失函数最小时关节点的预测值置信图与真值置信图的映射函数。以Hourglass模块为每阶段的骨干结构，残差块为基本组成单元，使用批量归一化和激活函数，构建全卷积神经网络。为了利用原始图片信息和基础上下文信息，使用多特征聚合的两级级联结构，第一阶段的粗略预测图指导预测后续阶段。通过使用多个损失函数，让网络模型学习到更加深入和精确的表示。通过对比实验，验证了模型的可行性，级联网络结构和多损失函数策略对模型预测精度提升3.84%。实验结果表明，本文所提出的网络结构计算量和参数量远低于其他人体姿态估计模型，模型参数量仅0.7 M，且平均预测精度达到了95.74%，可以在车载端实现驾驶姿态的实时检测。
关键词：机器视觉;卷积神经网络;驾驶员姿态估计;级联结构

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发布时间：2021-05-12
采用优化卷积神经网络的红外目标识别系统
刘可佳,马荣生,唐子木,梁捷,刘斌
2021, 29(4): 822-831. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0822

摘要：针对视频数据利用低效和光测设备目标识别能力较弱的问题，提出一种使用海量视频数据建立数据库进而构建红外目标识别系统的方法。首先设计快速红外目标检测算法，提取目标并分类建立数据库；然后结合特定任务建立一组较匹配且结构不同的卷积神经网络，并提出基于测试准确度均值统计分析和参数规模的选型策略，选出泛化能力较好且结构简单的卷积神经网络以及适当的训练轮数；最后加载优选模型及其参数作为分类器，与检测器结合实现红外目标特征事件实时检测分类。仿真结果表明，目标分类准确率均值可达95%以上，速率约为50 pixel/s。卷积神经网络结构的设计和选型策略有效，构建的系统可以满足红外目标识别的精度和实时性要求。
关键词：海量视频;卷积神经网络;选型策略;红外目标识别

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发布时间：2021-05-12
损毁字符的磁光成像复原识别
谢朝阳,李学勇,高飞,陈淑江
2021, 29(4): 832-842. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0832

摘要：铁磁材料表面压刻、划刻的重要字符被损毁后，无法被正常识别，本文基于滑移感生磁各向异性和磁光效应，提出了一种高分辨率、无损的磁光成像复原方法。论文分析了由铁磁材料塑性变形引起的滑移感生磁各向异性导致的磁场分布变化规律，建立了基于磁光效应的损毁字符复原系统模型，研究了影响磁光成像分辨率的因素，根据建立的系统模型构建了实验系统，实现了损毁字符的复原识别，并对复原图像进行灰度分析。实验结果表明，随着起偏器与检偏器夹角 $φ$ 的增大，图像亮度减小，而分辨率先增大后减小，且 $φ$ 在75°附近时，成像结果相对理想；不同的字符成型方法中，字模压刻型的复原图像最清晰；随着字符损毁深度增大，灰度突变和灰度梯度最大值均减小，分辨率降低，字符越难复原识别，对于0.4 mm压刻深度的字模压刻型字符，有效复原的最大损毁深度为0.6 mm。本文证明了滑移感生磁各向异性理论的正确性，并为构建高效便携、高分辨率、无损的损毁字符磁光成像复原识别设备提供了理论基础。
关键词：损毁字符;磁光成像;图像复原;滑移感生磁各向异性

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发布时间：2021-05-12
采用空间注意力机制的红外弱小目标检测网络
鞠默然,罗海波,刘广琦,刘云鹏
2021, 29(4): 843-853. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0843

摘要：红外弱小目标检测被广泛应用于预警、制导等国防领域中。然而，红外弱小目标所占像素少、缺少形状特征和纹理特征，使得红外弱小目标检测成为一个具有挑战性的课题。针对红外弱小目标检测，提出了一种简单高效的实时红外弱小目标检测网络。检测网络利用自适应感受野融合模块来增加小目标周围的上下文信息，并通过引入空间注意力机制来建立不同区域之间的相关性模型，使不同区域之间的相关性和紧凑性得到加强。为了提高检测网络对目标的定位和正负样本的判别能力，分别利用GIOU loss和Focal loss来设计损失函数。在3个红外弱小目标序列和单帧红外图像上进行实验，检测网络分别取得了91.62%，71.54%，81.77%和90.67%的AP值，且检测速度接近165 FPS。实验结果表明，该红外弱小目标检测网络对复杂背景和低信噪比条件下的红外弱小目标具有较好的检测效果。
关键词：红外弱小目标检测;注意力机制;卷积神经网络;深度学习

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发布时间：2021-05-12
双视觉注意网络的联合图像去雾和透射率估计
冯燕茹
2021, 29(4): 854-863. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0854

摘要：为充分挖掘和利用透射率估计及图像去雾过程中捕获信息的相关性，提出了双视觉注意网络的联合图像去雾和透射率估计算法。它包括图像去雾层及透射率估计层，且各层均包含循环注意网络及编码解码网络。图像去雾层在透射率图的监督下，由循环注意网络生成雾浓度注意图，并引导后续的编码解码网络估计去雾结果。透射率估计层在真实无雾图像的监督下，由循环注意网络生成场景注意图，并引导后续的编码解码网络估计透射率。在此基础上，进一步利用循环单元实现图像去雾层及透射率估计层的信息交互，以便在估计场景注意图的过程中能利用到雾浓度信息，在预测雾浓度注意图的过程中能学习场景信息。实验表明算法在合成雾图及真实图像上均能取得较好的去雾效果，在视觉评价和客观评价方面均优于存在的去雾算法，单张雾图的处理时间仅为0.043 s。能有效用于图像去雾的工程实践中。
关键词：图像去雾;透射率估计;循环网络;双层神经网络;视觉注意

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发布时间：2021-05-12
基于区域选择网络的图像复原及其在计算成像中的应用
吴笑天,杨航,孙兴龙
2021, 29(4): 864-876. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0864

摘要：本文针对波前编码成像，单透镜计算成像等领域的全局一致模糊复原背景需求，提出了一种高效的基于区域选择网络的图像去模糊方法。与传统方法通过构建目标函数及各类先验信息实现模糊图像清晰化过程不同，本文方法则基于深度学习与传统方法的结合。传统方法负责图像复原的主体流程，深度学习方法则负责对传统方法中的关键步骤模糊核求取区域选择进行干预。基于深度学习的深度二元分类网络能够自动在全局图像中剔除平坦过曝、短小纹理等区域，并选取最优的用于模糊核求取的图块区域。传统复原方法则以此为基础实现模糊核求取，非盲图像复原及图像清晰化处理过程。实验结果表明：本文的复原方法能够实现良好的复原效果，纹理清晰，稳定可靠；所提出的区域选择网络能够在降低计算复杂度的同时，有效提升模糊核的估计准确度，进而提升图像清晰化的复原效果。在同等条件下，所提出的深度二元分类网络在误差率限定在1.5时，复原成功率较比现有方法提升了2.1%，同时复原图像的平均峰值信噪比较比现有方法提高了0.5 dB。
关键词：图像去模糊;计算成像;深度学习;模糊核估计;区域选择

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发布时间：2021-05-12
联合多尺度和注意力-残差的深度监督乳腺癌分割
秦传波,宋子玉,曾军英,田联房,李芳
2021, 29(4): 877-895. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0877

摘要：针对DCE-MRI 乳腺癌病变区的浸润范围勾画精度低、结构形态变化大、强度不均和边界对比度低等原因，导致乳腺癌病变区自动化分割存在准确率低和错分割的问题，为此，本文构建了一个二阶段乳腺癌病变区分割框架，提出一种乳腺癌病变区分割模型UTB-net，分别在编码路径和末端整合多尺度和Non-local，在解码路径构建注意力-残差模块。首先，利用基准U-net网络模型实现对乳房区域的粗糙勾画，消除影像中胸肌肉、脂肪、心脏等不相关组织对乳腺癌分割的影响。然后，基于提取的ROI结果，在模型的编码路径嵌入了多尺度信息融合和Non-local模块。最后，在解码路径构建了一种注意力-残差混合解码模块，并引入深度监督机制，以提高乳腺癌病灶的分割精度。实验结果表明：相较于U-Net基准模型，乳腺癌分割指标DICE，IOU，SEN，PPV分别提升了4%，4.78%，5.92%和3.94%。所提模型在提高了乳腺癌分割结果的同时，减少了小面积误分割和钙化分割。
关键词：DCE-MRI;分割;乳腺癌;U-net;注意力;残差网络

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发布时间：2021-05-12
利用格型递归最小二乘滤波器组的高光谱图像压缩
郑铁,薛长斌,宋金伟
2021, 29(4): 896-905. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0896

摘要：自适应递归最小二乘滤波器具有预测准确、收敛速度快的特点，该滤波器被多种高光谱图像无损压缩方案作为重要组成部分。然而传统递归最小二乘滤波器无法快速找到每个谱带的最优预测长度，其压缩方案的性能有待提升。针对该问题，本文提出基于格型递归最小二乘滤波器组的高光谱图像压缩方案。首先，该方案使用单边高斯预测器对待测像素点做谱带内预测，去除图像的空间相关性。其次，采用格型滤波器组筛选出每个谱带的最优滤波器，获得预测误差。并根据格型滤波器组链式序列更新的特点，简化最优滤波器的筛选过程，大幅度降低计算复杂度。最后对预测误差做算术编码。以AVIRIS 2006高光谱图像为测试数据集，本文算法对16位校准图像、16位未校准图像的平均压缩结果分别为3.34 bits/pixel和5.61 bits/pixel。该算法在获得良好压缩结果的情况下，计算时间低于同类别的其余算法。
关键词：高光谱图像;无损压缩;递归最小二乘法;高斯预测器;格型滤波器组

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发布时间：2021-05-12
基于融合门网络的图像理解算法设计与应用
周自维,王朝阳,徐亮
2021, 29(4): 906-915. DOI: 10.37188/OPE.20212904.0906

摘要：为了提高图像理解（Image Captioning）的预测性能，设计了一种基于“融合门”的深度神经网络模型。该“融合门”网络模型基于编码器-解码器结构设计，是卷积神经网络与循环神经网络的融合。算法首先将输入图像通过VGGNet-16网络进行卷积，得到对应的4096维输出向量，然后将卷积后的输出向量与标注语句向量合并，作为输入向量进入改进后的“融合门”网络，最后获得新的网络输出结果。上述过程按照时间步逐次迭代，最终完成网络训练。使用权威的CIDEr评价指标来评估该“融合门”网络的预测结果，实验结果表明，该网络的CIDEr值比“Neural Talk”网络的CIDEr值提高10.56%，其他相关的评价指标也有较大幅度提高。该网络结构不但预测指标高，而且其网络参数个数比“注意力机制”网络参数少21.1%，所需要的计算机资源更少，这使得将该网络应用在边缘计算中成为可能，对图像理解成果的推广起到关键作用。
关键词：图像理解;长短时记忆网络;卷积神经网络;注意力机制

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发布时间：2021-05-12
光学遥感图像海面船舶目标检测技术进展
徐芳,刘晶红,孙辉,王腾龙,王宣
2021, 29(4): 916-931. DOI: 10.37188/OPE.2020.0419

摘要：海面船舶目标检测一直是遥感图像处理、模式识别与计算机视觉等领域的研究热点，船舶作为海上运输载体和重要军事目标，对其进行自动检测在军用与民用领域有着广阔的应用前景和重要现实意义。本文梳理了用于海面船舶目标检测的光学成像卫星的发展情况，分析了光学遥感成像船舶目标的物理特性和特征，归纳了国内外该领域海面船舶检测技术研究现状，围绕构建相关目标检测模型和架构的相关理论与关键技术进行了分析、比较和总结，探讨了当前光学遥感图像船舶目标检测方法面临的问题与挑战以及未来的发展趋势。
关键词：遥感成像;图像处理;船舶检测;候选区域提取;图像数据集

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发布时间：2021-05-12

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