《基於壓縮感知理論的光子計數成像方法研究》是依託南京理工大學，由何偉基擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於壓縮感知理論的光子計數成像方法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：何偉基
- 依託單位：南京理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
傳統的光子計數成像方法需要遵循奈奎斯特採樣定理，實現成像需要付出巨大的硬體或時間成本，可行性和實用性有待改進。為此，本項目擬開展一種基於壓縮感知理論的高效光子計數成像方法研究。圍繞其中待解決的科學問題：觀測值非線性誤差抑制、適用於光學成像的測量矩陣設計與實現、精確高效信號重構算法等，本項目通過研究觀測值非線性與信號稀疏性表示的理論問題，尋找抑制觀測值非線性誤差的方法；研究測量矩陣約束條件、實現方法以及矩陣有限等距性質的證明方法，構建具有抑制離焦模糊效應的測量矩陣，設計一種與信號稀疏度低相干的快速貪婪算法，達到精確高效的信號重建的目的；建立光子計數器件的光子探測效率、非線性的理論模型，解決光子計數信息與成像目標圖像信息還原的問題。該方法無需昂貴的硬體設備和大量的時間成本，解決了冗餘採樣方式與套用需求間的矛盾，特別適用於近紅外、短波紅外等特殊波段的微弱光信號成像探測，其研究意義與套用價值明顯。
結題摘要
本項目主要研究目的在於將壓縮理論套用於光子計數成像領域，解決相關的基礎理論和技術實現問題。同時，通過相關的研究工作，積極拓展相關理論在光學成像中的套用，促進壓縮感知理論與光學成像的結合。圍繞項目申請書與計畫書制定的研究目標，項目開展了壓縮感知成像基礎理論、壓縮感知非線性測量誤差抑制、自適應快速壓縮採樣等方面的研究工作。主要包括：（1）我們定量分析了經典關聯成像由於光場相干性和有限非均勻性引起的誤差，並將該誤差引入到壓縮感知成像體系中，證明了關聯計算等價於採樣圖案的協方差變換，其推導結果表明經典關聯成像與壓縮感知成像兩種體系的統一性。（2）針對於光電探測器對於輸入信號的非線性回響造成較大的圖像重建誤差的情況，提出了非線性回響矯正算法。從理論上對算法進行了分析，並基於系統進行了仿真，結果表明算法有效的減小了探測器非線性效應對系統還原效果產生的誤差影響。（3）藉助小波樹父子係數關係和兄弟係數關係，提出了一種基於Haar小波兄弟係數的自適應壓縮採樣方法。通過已採樣的上層重要係數信息，估計下層重要係數位置。然後，使用DMD直接採樣重要小波係數，並結合已採樣兄弟係數信息，控制DMD測量過程。採樣結束後，通過小波逆變換重建圖像。 此外，我們還積極探索壓縮感知成像與套用背景之間的結合，將壓縮感知理論套用於透混沌介質成像。採用項目提出的非線性校正方法，我們對所得到的非線性測量值進行線性變換，使得測量值線性化。隨後再對變換後的測量值進行重建計算。通過理論，仿真和實驗證明了上述提出的算法能夠有效的應對動態的混沌介質，提高單像素系統在動態成像時的圖像質量，為壓縮感知理論套用提供了有益的借鑑。 最後，開展了光子計數套用於強度/深度成像的裝置、工作模式和信號處理等方面的研究工作，建立了光子計數深度成像系統仿真模型，搭建了實驗裝置並提出了距離行走誤差校正、全波形信號分析等信號處理方法。 本項目自批准之日至今，項目研究成果共發表相關研究論文17篇（含會議論文4篇），其中SCI收錄7篇、EI收錄12篇。同時，研建成像演示裝置2套。
