基於約束共軛梯度的閃光照相圖像重建算法研究

《基於約束共軛梯度的閃光照相圖像重建算法研究》是依託中國工程物理研究院流體物理研究所，由景越峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於約束共軛梯度的閃光照相圖像重建算法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：景越峰
• 依託單位：中國工程物理研究院流體物理研究所

項目摘要

高能閃光照相是診斷武器內爆動力學的有效工具。高能閃光照相系統的成像質量較差，在單視面投影且模糊較大、信噪比較低的情況下得到高質量的閃光重建圖像是一個很困難的問題，目前高能閃光照相重建算法大都採用二維重建模型，不能精確模擬成像過程。為提高閃光照相圖像重建的精度，本項目研究基於約束共軛梯度的閃光照相三維整體重建算法，建立包含面光源、錐形束和圖像接收系統模糊的三維整體重建模型；設計包含非線性因素的整體等效線性正向投影矩陣；建立多準則重建方程；研究快速、穩定、收斂的約束共軛梯度疊代算法；實現重建程式的並行化。算法將套用於高能閃光照相圖像處理技術中，提高我國武器內爆動力學高能閃光實驗的界面和密度信息提取精度，並為進一步建立更為精確的正向投影模型（考慮成像過程中的能譜硬化問題、散射問題等）和未來研究雙軸多脈衝照相系統的重建算法奠定基礎。

結題摘要

高能閃光照相診斷技術是研究核武器初級內爆過程中彈芯的物理特性和幾何特性的一種有效手段。核禁試條約在全球實施後，閃光照相是繼續開展核武器研究工作，以及檢驗庫存產品可靠性的主要檢測手段。世界上有核國家都十分重視閃光照相技術的研究工作。目前國內尚未有高精度密度重建結果的報導，其原因主要有兩點：一、高能閃光照相中散射、能譜效應、模糊和噪聲等因素降低了圖像品質，且這些因素的影響難以通過實驗技術的改進而減小；二、研發的圖像處理和重建多種方法算法都側重於投影過程的逆求解，對閃光照相正向成像物理過程的模擬能力不強。本項目通過建立更為準確的正向投影模型來提高重建算法精度。主要工作包括：建立了面光源錐形束下的整體正向投影模型；在模型中加入圖像接收系統模糊；針對單軸閃光照相的特點，提出了重建客體的格線劃分方法——三維同心圓環格線劃分方法。在投影過程的逆求解過程中，針對問題的非線性，設計了包含非線性因素的整體等效線性正向投影矩陣，提出了針對等效矩陣的預優矩陣選取方法，建立了多準則重建模型，確立了有效的先驗約束條件及實現形式；研究了快速、穩定、收斂的約束共軛梯度疊代算法，實現了重建程式的並行化。在數值重建試驗中，以FTO等客體為例，將本項目提出的算法與傳統的FBP等方法進行了圖像重建的數值試驗和分析。數值試驗表明：本項目建立的包含更多物理因素的正向投影模型，與扇形束、平行束等近似模型相比更為接近實際成像模型，多準則重建技術及引入非負和光滑先驗的約束算法能大幅度提高精度；等效線性投影矩陣及引入的預優技術，可以加快算法的收斂速度，保證疊代穩定收斂；總體來看本項目重建方法在噪聲抵抗能力、重建精度、重建圖像的邊界保持等方面都具有優勢。本項目算法已被套用於高能閃光照相實驗圖像處理技術中，提高了我國武器內爆動力學高能閃光實驗的密度信息提取精度，並為進一步建立更為精確的正向投影模型（考慮成像過程中的能譜硬化問題、散射問題等）和未來研究雙軸多脈衝照相系統的重建算法奠定基礎。