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[硕士论文] 高姣林
机械制造及其自动化 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:与球面光学元件比较,非球面能在简化系统外形、降低系统成本的同时使系统轻质化,且能很好地校正光传递过程中产生的像差。本文针对非球面校正球差时产生新的像差问题,致力于球面透镜的像差特性分析与理论校正研究。引入了一种同时消除像散、场曲和球差的优化设计方法,研究了单个非球面透镜优化设计前后系统的各像差及整体成像质量的变化规律,优化了透镜系统整体的成像质量。本文主要研究内容和结果如下:
  (1)基于像差理论分析了各像差包括正弦差、球差、色差、彗差、像散与场曲以及畸变等的产生机理及校正方法。通过研究光学成像原理,发现了球差存在的根本原因是由透镜的球面折射使平行光束不能聚焦于一点所致,并基于像差理论提出利用非球面来校正球差的设计思想;
  (2)通过对球面透镜系统初始结构的分析,引入一种同时校正像散、场曲和球差的非球面光学系统像差校正理论,解决了以往设计中因非球面校正球差时引入新的像差而对系统整体像质产生影响的问题;
  (3)实现了完整非球面消球差透镜系统的优化设计,在此基础上对多种适应光学系统像质评价方法包括分辨率、点列图、瑞利判断、斯托列尔(中心点亮度)判断以及光学传递函数等进行了研究,并根据系统结构构建了本透镜系统的像质评价标准;
  (4)评定了系统优化前后的像质,并对单个非球面透镜优化设计前后系统的各像差及整体成像质量的变化规律进行研究,经仿真对比分析球面透镜和非球面透镜点列图、MTF曲线、场曲和畸变以及赛德尔系数图,发现非球面优化后系统的像散、场曲及球差大幅减小。经验证所得非球面透镜系统结构简单、成像质量优良,满足技术要求。
  本文提出的方法能够在像散、场曲较小的情况下,消除球面透镜系统存在的球差,所提方法切实可行,可为进一步实现复杂的光学系统设计提供理论技术支撑。
[博士论文] 宗云兵
材料学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:随着X射线技术的发展,第三代同步辐射X射线光源在现代科学研究与应用中扮演着越来越重要的角色。相比可见光与电子,X射线具有短波长及强穿透性,可以实现物质的三维、无损、高分辨成像。基于X射线与物质的复杂相互作用机理,发展出了多种同步辐射X射线成像方法,如吸收衬度成像、相位衬度成像、X射线荧光成像等。这些成像方法广泛应用到材料学、生物学、地质学、考古学等领域,极大推动了各学科的发展。但是,在一些交叉研究领域,如科技考古与肿瘤学,单一模式的同步辐射成像在理论方法和具体应用中仍然存在一定的问题,例如考古学中的结构与组分分析,肿瘤细胞的结构与功能研究等。因此,在方法与技术上,需要发展或改进已有的同步辐射成像方法;在应用上,需要开展多模式同步辐射成像方法在具体科学问题中的研究。在同步辐射成像研究领域中,科技考古与肿瘤学是典型的交叉研究领域。将同步辐射X射线成像应用于科技考古与肿瘤学,既可以有效解决该领域存在的科学问题,同时还可以完善同步辐射成像方法学。因此,本论文开展了基于同步辐射多模式成像的方法学研究,并对古代大豆、陶范等考古学样晶及毛细血管、肿瘤细胞等生物学样品进行了三维、无损、高分辨成像应用研究。具体研究内容包括:
  (1)同步辐射X射线成像在古代大豆起源与驯化中的应用研究。由于古代炭化大豆脆性大,传统考古学往往只能得到形态学信息,而无法获得其内部结构信息。利用同步辐射断层扫描成像(Computed Tomography, CT)的无损、高分辨特性,研究了来自黄河中下游地区不同时代的系列古代大豆。测年结果显示该系列古代大豆跨越距今1000-7500年,是研究大豆驯化问题的良好体系。结合同步辐射同轴相位衬度成像技术,增强了炭化大豆内部的边界衬度,极大改善了同步辐射实验的数据质量。通过提出新的数据分析方法建立了古代炭化大豆结构与成分的关系模型,进而从全新角度揭示了古代大豆的起源与驯化。
  通过对现代系列大豆及其他作物的对比实验,研究发现了位于炭化大豆内部的“孔洞”结构。联系考古学、植物学知识,对影响孔洞产生的大豆成分、水分和炭化温度等因素进行了分析。基于三维断层成像结果和统计学分析,建立了由炭化大豆结构联系其成分的分析方法:1)高脂肪促进产生炭化大豆内部的小孔洞,高蛋白促进产生大孔洞;2)较高的水分和炭化温度会使小孔洞数量下降。将这一分析方法应用于古代系列大豆,发现古代大豆遗存随着年代的推进,其内部蛋白质和脂肪含量均有所提高,但脂肪含量增加得更为明显。在古代大豆的起源与驯化问题讨论中发现:1)中国先民有意识地选择并栽培某些大豆发生在距今约7500年前;2)经过了3000年的选育和栽培,大豆驯化特征已十分明显,且脂肪含量表现为更高。有别于驯化研究中常见的基因学研究,基于同步辐射X射线的炭化大豆三维结构成像研究,揭示了古代大豆的驯化和起源问题,在同步辐射成像分析方法和考古学驯化研究中实现了突破。
  (2)商代陶范残片的同步辐射X射线结构成像与化学分辨成像研究。商代陶范极少发现于殷墟之外的青铜器铸造遗址,而大辛庄遗址位于商代东部边界的位置,在这里发掘的陶范及存在的铸造活动,对于分析商代部落发展和权力的扩散具有重要价值。采用同步辐射X射线断层扫描成像研究了陶范残片外层纹饰与内部结构;结合同步辐射X射线荧光成像,对与青铜器铸造相关的金属痕迹进行了化学分辨(元素)成像,研究了铜、铁元素的分布信息。
  通过对包含纹饰结构的一段商代陶范残片的三维断层扫描成像,分析了商代陶范纹饰与陶范基体的边界和组成差异。发现商代陶范的纹饰与基体之间不存在边界,商代陶范的纹饰结构应是从陶范基体中雕刻得到的。另外,三维重建结果显示商代陶范内部含有较多气孔,联系铸造工艺学,气孔的存在显示了较成熟的陶范加工工艺。应用同步辐射X射线荧光成像,展开商代陶范残片纹饰及背部的元素成像。发现陶范纹饰部分均存在明显含量的铁、铜元素,铜元素分布较均匀,而铁元素分布与陶范纹饰结构联系紧密。另外,商代陶范基体组成中几乎不含有铜和铁元素。分析显示该陶范应为青铜器铸造所使用过的陶范,而陶范表面的铁元素来自当地环境的污染。最后为了确认陶范基体及表面元素的存在,利用X射线光电子能谱(XPS)、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)等方法检测了相关元素的定性和定量分布信息。综合同步辐射X射线结构成像和元素成像,显示该商代陶范是制作精良且用于青铜器铸造的陶范,其表面纹饰为雕刻而非贴饰得到。
  (3)基于同步辐射硬X射线全场显微成像与软X射线扫描透射成像的小鼠毛细血管显微结构研究。肿瘤治疗材料须经过毛细血管才能进入肿瘤组织,进而杀死肿瘤细胞。对毛细血管微观结构的研究可以加深对肿瘤治疗微观机理的认识,对肿瘤治疗材料的设计也具有错鉴意义。首先利用同步辐射硬X射线全场显微成像,研究了小鼠毛细血管的亚微米分辨三维结构。其次,应用同步辐射软X射线扫描透射成像,实现了毛细血管50 nm分辨水平的二维成像。两种成像模式下,发现毛细血管中存在一种“竹节”状周期性结构。基于毛细血管的高分辨成像结果,提出了一种毛细血管显微结构模型。从血管模型出发,分析了毛细血管这一特殊结构所具有的生物效应。经计算,这种“竹节”状结构可以使血液与组织间的物质交换效率提高17.2%。然而,“竹节”状结构由于减小了血管运输血液通道的截面,也增加了血栓等疾病的发生几率。利用同步辐射X射线成像技术研究毛细血管显微结构,不仅促进了对毛细血管微观结构的认识,同时实现了利用软X射线扫描透射成像对较大尺寸生物学样品研究的方法学探索。
  (4)同步辐射低剂量、三维、高分辨成像方法学及其在肿瘤细胞研究中的应用。首先针对贴壁肿瘤细胞模型开展了等斜率三维重建算法(Equally SlopedTomogaphy, EST)的数值模拟研究。结果显示等斜率三维迭代重建算法相较于传统滤波反投影重建算法(Filtered Back-Projection,FBP)具有很大优势,可以在投影数量较少的情况下实现高质量的三维重建。然后结合同步辐射软X射线扫描透射成像和等斜率三维重建算法对人类宫颈癌细胞(Hela)及内部肿瘤治疗药物(顺铂)进行了高分辨三维成像研究。后期处理过程中,通过优化数据处理方法,有效去除了实验过程中产生的伪影和噪音。三维重建结果显示顺铂主要分布于Hela细胞的细胞核一侧,初步验证了其通过抑制肿瘤细胞DNA复制的方式来杀灭肿瘤细胞的微观机理。另外,为进一步检验等斜率三维重建算法的低剂量成像效果,在小鼠红白血病细胞(HEL)的软X射线扫描透射成像实验中,仅用30个投影实现了HEL细胞的三维重建。重建结果显示HEL细胞中的生物功能材料(Au-Gd纳米颗粒)主要分布于细胞膜上,与Au-Gd纳米颗粒对细胞膜上整合素的特异性识别机理相一致。
[硕士论文] 刘顺
控制科学与工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:光谱偏振成像技术可以从光谱、偏振和空间信息三个方面对目标进行全方位识别,在军事目标识别、医学成像、环境科学、化学分析等领域有很好的应用潜力。论文采用声光可调谐滤光器(AOTF)为分光元件、液晶相位可变延迟器(LCVR)为偏振调制元件的光谱全偏振成像测量技术,对光谱全偏振成像系统中的关键控制技术进行了研究。
  论文基于光的偏振态理论、AOTF滤光原理和LCVR相位延迟原理,设计了一种AOTF和双LCVRs相结合的的光谱全偏振成像系统。首先,提出了一种光谱全偏振成像系统中的偏振探测新方法,详细推导了快速获取全Stokes矢量的新方法——由一个偏振驱动控制器的两路输出同时控制两个LCVR,利用双LCVRs的四组两两相同的相位延迟,得到全Stokes矢量的八个参量。其次,设计了能够同时稳定输出两路电压的偏振探测双LCVRs驱动控制器,利用上位机LabVIEW实现了联调控制。再次,对光谱偏振成像系统中的自动调焦技术进行了研究,以与遍历搜索法相结合的改进型爬山搜索算法作为调焦搜索依据,设计了对应的调焦控制器。最后,对系统进行偏振探测控制器定标实验、自动调焦实验和光谱全偏振成像实验测试,验证设计的可行性。
  本文所提出的全Stokes矢量偏振获取新方法算法简单,所设计的偏振探测控制器性能良好,所设计的自动调焦控制器可以有效提高图像的清晰度,AOTF和双LCVRs相结合的光谱全偏振成像系统可以为光谱全偏振成像技术提供新的理论和实验参考。
[硕士论文] 张凌笃
机械工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:所谓流动式数字电影流动放映一体机指的是能够播放电影、具备音频功率放大器及投影功能的机器,通过控制面板控制,其主要应用于农村流动放映及户外流动影院。它主要的设计组成为架构、功能以及数据库,三者相辅相成,缺一不可。随着科技的不断进步,信息网络不断地融入到广大人民的生活之中,数字电影也开始结合网络技术不断的发展。电影放映机是典型的嵌入式设备,对其进行改良时需要结合信息网络科技以及设备自身的特点,综合考虑设备各方面的系统状态。改良后的数字电影流动放映机相比于传统的放映机具有很多的优势,并且解决了很多设备上出现的问题,优化了很多使用流程措施。此设备还有操控不方便,通信及控制方式单一等众多的问题需要研发人员不断探索和研究,以此来解决实际问题。
  论文针对数字电影流动放映机进行改良设计,此次改良主要从两个方面进行,即外观的改良设计和功能改良设计。本文拓展改良设计的概念,强调将企业的发展也作为设计时考虑的一项重要因素,兼顾产品设计、制造、消费或使用等多方面的因素,从而尝试实现真正的可持续性,并以其为指导进行了数字放映机的外观改良设计;同时结合WIFI通信技术,对放映机进行功能改良,使得放映机的监控模块功能更加丰富,控制和资源传输更加方便,论文主要介绍了课题所涉及的改良设计概念、方法及嵌入式领域的相关技术包括Linux系统相关技术、嵌入式技术、ARM相关技术、WiFi通信技术及其Concurrent模式下的工作模型,最后对WIFI模块进行了整体测试,较好地实现了项目需求。
[硕士论文] 牛娜娜
计算机科学与技术 中北大学 2017(学位年度)
摘要:随着光场成像技术的不断发展,光场相机不停地运用在各个领域,目前越来越多的技术都不断以三维图像的形式出现在我们的生活当中,因此可以更好地感受现实场景的多元化。而2012年Lytro相机的问世,更加方便了消费者的使用,为摄影爱好者解决了很多难题。
  本文对光场相机的重聚焦性能展开了深入的研究,主要内容包含对提取到的原始灰度图像进行编码、颜色校正及标定等处理,根据光场成像技术完成光场图像重聚焦,由图像序列融合得出图像全聚焦,用分割的立体匹配法分析图像的视差图,本文具体的流程如下:
  首先,将Lytro相机作为本文研究所需要的设备,考虑到Lytro相机作为一个封闭的黑盒子,本文从Lytro相机的工作原理、文件结构及算法分析了光场相机的性能,完成了对Lytro相机所采集到的原始图像的编码、标定、颜色校正及内容的数字转化。
  然后,着重研究光场相机的成像原理及光场的双平面参数化表示,在此基础上分析了光场能量函数,通过对该函数的研究得出光场在成像系统中所使用的表达式,分析了Lytro相机的重聚焦技术,采用空间域积分重聚焦技术得到不同焦点的光场图像,并且根据光场在机身内的传播路径,光路分布图以及透镜折射原理模拟出了光场成像系统,得到了光场模拟图象并完成了重聚焦。
  最后,在重聚焦的基础上对光场图像进一步研究,先构造子图像序列,对子图像进行数字重聚焦,采用适当的清晰度评价函数计算子图像的最高聚焦点,然后采用图像融合技术得到全聚焦的光场图像。本文对图像视差图进行了一定的研究,为后续的深度测量和三维重建奠定了基础。
[硕士论文] 夏心怡
电子科学与技术;物理电子学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:全息显示因其能够重建出三维场景的完整光场,并提供人眼感知所需要的全部深度线索,而被认为是未来三维显示领域中最有前景的发展方向。随着计算机技术和液晶显示技术的不断发展,我们可以摆脱传统全息中复杂的干涉记录过程,不必使用高相干度光源系统和记录干板,而在计算机中数值计算全息图来重建真实存在或后期合成的场景,只要该三维场景能够在数学上被描述出来。
  在计算中数值计算全息图,即生成计算机全息图的方法主要分为三种:点源法,基于平面的方法和立体全息法。
  点源法中,三维物体看作由许许多多的点源组成,然后数值模拟出每个点源产生的光场从三维场景传播到全息面的光学过程,并将所有的光场进行叠加。这种方法可以重建出连续的运动视差和三维场景准确的深度信息。我们知道,点源数量越多,越能够精确的描述出原三维场景的细节,但对于复杂的三维场景来说,计算量将会显著增大,计算效率降低。此外,点源法难以表现出三维场景中基于视点的一些属性,例如阴影和遮挡关系。后期针对这一问题提出了一些改进算法,例如阴影面消除法可以解决阴影面数据的消失问题,但会引入失真,逆正交投影法可以避免几何失真,但会限制重建场景的深度范围。基于平面的方法与点源法类似,所不同的是将三维物体看作由多层平面组成,将各个平面光场进行相应的旋转变换再传播到全息面进行叠加,即可得到全息面上的光场分布。同于点源法,复杂的三维物体会增加计算复杂度,使得实时计算成为问题。同时该方法也存在阴影和遮挡问题,近期有人提出利用光线追迹技术来提供物体的阴影、折射和反射效果,但该方法会产生巨大的计算负担。
  立体全息法是本文重点研究的方法。首先结合光场的理论,获取了记录光线强度和方向信息的光场子图像。本文利用3Dmax等图形渲染软件对三维场景、微透镜阵列和图像传感器进行成像建模,研究了两种投影几何关系,分别获得了透视投影子图和正交投影子图。其次根据立体全息图的重建原理,提出对每张投影子图做快速傅里叶变换来得到相应的复振幅全息图。由于空间光调制器的限制,不能够同时调制全息图的振幅和相位,因此本文提出了将复振幅信息编码为相位信息的两种可行方式,一种方法是在每张子图进行快速傅里叶变换之前施加一个随机相位,然后将得到的复振幅信息直接取相位部分得到纯相位全息元,第二种方法是对每张子图进行GS迭代,直接得到纯相位全息元。本文推导出了全息图的采样率公式,并分别给出了各种情况下的仿真实验结果和光学实验结果,同时将结果进行了对比。分析了全息图的运行时间,对实时性进行了讨论,最终完成了自然光场全息图的快速计算。在对全息图的参数进行分析后发现,计算复杂度依赖于投影子图的分辨率和视点个数,只要对这两者进行良好的设计和优化,就能解决计算速度的问题。同时阴影和遮挡问题也能在三维场景的渲染过程中得到自动解决。
[硕士论文] 聂军平
控制工程 湖南大学 2017(学位年度)
摘要:本文介绍了工业视觉解决方案的变化和发展,并对比了传统视觉解决方案“PC+工业相机”和智能相机的区别,分析了智能相机的现状及其发展趋势。针对传统视觉方案体积大、成本高、开发周期长等缺点,项目组提出一种新的智能相机方案,文中涉及智能相机的硬件构成、软件系统、实现原理以及创新性关键技术等。智能相机是机器视觉领域一个非常热门的方向,它集图像采集、处理、传输等功能于一体,具有小型化、分布式、网络化等特点,使其在不同行业有着广泛的应用前景,因此研发智能相机具有重要的意义。
  本文中智能相机是基于Xilinx Zynq的SOC解决方案,SOC在一颗芯片上集成了 FPGA和 ARM,利用 FPGA的并行计算能力对图像处理进行加速,用双核Cortex A9强大的处理能力进行高速通信、采集和数据处理,此外智能相机具有1GB的运行内存和4GB的外部存储。智能相机内部软件系统采用AMP架构,Core0采用Standalone OS裸板系统,Core1采用 FreeRTOS实时操作系统,简化了系统操作流程,增加了效率和实时性。Core0主要负责外部交互和外设驱动,其千兆以太网通信基于LwIP协议,其中图像数据采用标准的GigE Vision协议。Core1主要解析上位机配置的工程、调用 FPGA的接口和运行一些图像处理算法等。上位机应用程序则用来配合智能相机使用,主要用于建立、编辑和调试在智能相机上运行的工程以及实时监控其运行状态,与智能相机构成一个完整的系统。
  论文重点研究了智能相机的嵌入式系统架构、实时操作系统、通信、存储、底层算法编写和应用层算法移植,实现了对应的模块和功能。最终项目组成功研制了智能相机,且各方面的参数都达到了行业先进水平,并已成功运用于定位抓取、距离测量等一些案例中,达到了客户理想的效果。
[硕士论文] 庞楠楠
电子科学与技术 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着测量技术的飞速发展,为了提高图像质量和测量精度,高分辨率、高帧频的高速相机被广泛用于拍摄实验现象,从而产生高速、海量的图像数据,如何将这些高速视频数据实时无损的存储下来成为一个急需解决的问题。航空航天等军事领域应用环境较为恶劣,一般都伴随着高低温、高湿热和强震等,因此在满足性能要求的前提下,如何设计出环境特性好、高质量、高速度的视频存储系统,实时无损地存储海量视频数据是研究的关键。
  本文针对EoSens CL系列高速CMOS相机,克服了常用的设备中一般都存在的体积大、数据导出较慢、通信接口简单、操控较麻烦和易用性差等问题,设计并实现了基于FPGA+PowerPC+SSD的小型化的高速视频实时记录存储系统。本文以FPGA作为高速数据采集、数据处理和图像输出显示及数据上传的管控中心,以 PowerPC架构处理器P1010作为数据存储核心处理器,以SATA接口固态硬盘作为数据存储介质,采用Camera Link、PCIe、IIC、RS485和光纤等通信手段,实现高速相机输出的600MB/s的视频数据的实时采集存储,并通过光纤接口实现数据高速上传。
  论文主要工作如下:
  1.分析和研究了现阶段市场上的高速数据采集存储系统实现原理及其优缺点,并针对设计要求提出本系统的实现方案。本系统采用高速相机采集高速视频并通过Camera Link接口输入系统,以PCIe总线作为系统内高速数据传输接口,以RS485作为指令传输接口,以光纤作为数据上传接口,以SSD作为数据存储介质,采用Linux嵌入式操作系统,最终通过FPGA+PowerPC+SSD架构满足系统需求。
  2.针对Camera Link接口视频数据输入,设计和实现了DS90CR288AMTD差分信号的转换;针对PCIe高速数据传输接口,通过Stratix IV GX内嵌PCIe硬核设计并实现了基于Gen2×4宽度的PCIe链路,并在PCIe链路下设计实现了高速数据传输DMA控制器;针对指令传输接口,设计和实现了FPGA下RS485通信接口,并通过电平转换芯片实现LVDS电平和CMOS电平转换。
  3.针对高速相机输出600MB/s视频数据,设计和实现了4路PowerPC基于Gen2×1宽度的PCIe链路,每一路PowerPC存储150MB/s图像数据和附加信息;针对PCIe总线,设计和实现了PCIe Switch桥芯片对FPGA下PCIe链路的扩展,并与4路PowerPC连成通路;针对数据高速上传,设计和实现了FPGA下光模块通信接口,数据传速率最高可到2.125Gbps。
  最后,本文对设计的高速相机记录存储系统进行了性能测试,测试结果表明,各项指标均达到了高速相机记录系统的技术要求。
[硕士论文] 赵报川
控制科学与工程 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:近场声全息技术是一种高效的噪声源识别、定位及声场可视化技术。该技术由于在目标声源近场进行测量,可以记录到声源辐射中的倏逝波成分,使其重建结果不受瑞利判据的限制,从而大大提高了声场重建分辨率。统计最优近场声全息作为近场声全息技术中的一个重要分支,在大尺寸声源全息重建等方面有其独特的优势。本文在简要介绍近场声全息技术的发展概况和研究现状及存在问题的基础上,主要针对统计最优近场声全息算法在声场重建中存在的一些问题进行了研究和改进。
  对于常规的统计最优柱面近场声全息和统计最优球面近场声全息中的全息测量面通常要求与目标声源共形的局限性,将基于平面测量的方案引入其中,通过数值仿真验证了该方案的有效性和准确性。同时,该部分也将为全文奠定理论物理基础。针对常规统计最优近场声全息在半自由声场空间多源声场重建过程中重建过程中所需波函数项数多,重建精度不理想的问题,提出了一种基于平面测量的改进统计最优近场声全息算法。与常规算法往往选用单一的波函数来计算声场传递矩阵不同,改进算法通过根据声源的特点选取合适的波函数组合(如单元平面波、单元柱面波和单元球面波)来计算重建过程中的声场传递矩阵,进而重建出目标声源的声场。通过数值仿真验证了该方法的准确性和有效性,并与常规算法进行了详细的对比分析。从总体上看,改进算法与常规算法相比显著提高了重建精度,在不同频率下的相对误差波动较小,鲁棒性更强,且随着频率的增大相对误差有逐渐减小的趋势;此外,不同的波函数组合,重建结果的相对误差差异很大,当选取的波函数与声源共形且数量一致时重建效果较好;最后,重点分析了重建距离对重建结果的影响。
  对于非自由空间声场重建,则详细介绍了一种基于双层测量的统计最优近场声全息声场分离技术。采用这种声场分离技术,可以对全息测量面两侧均有声源时的声场进行重建研究。通过以上研究,初步建立了一个较为完整的统计最优近场声全息理论体系。
[硕士论文] 沈宪伟
电子科学与技术 重庆大学 2017(学位年度)
摘要:目前高速分幅相机在航空、军事、科学研究等领域都有着广泛的应用,它可用于捕捉物体的瞬间状态,如导弹在弹道中的运行轨迹。随着科学技术的不断发展,更多极端条件下的应用场景对于分幅相机的性能要求也不断的提升,未来分幅相机必然朝着高速、高精度、便携化方向发展。对于分幅相机而言,其实现超高速曝光的核心成像器件是由脉冲延时可调电路构成的ICCD相机(超快门控),它的性能指标直接决定了分幅相机的性能,因此,设计出一款高速、高精度的脉冲延时可调电路对于分幅相机技术的发展极为重要。
  本文介绍了几种脉冲延时可调电路的设计方案,在分析了每种方案的优缺点后,最终采用模拟延时芯片和数字延时相结合的设计方案,很好的解决了信号抖动问题,并且实现了最大10ms延时和10ms脉宽,延时分辨率为1ns。选用FPGA实现延时分辨率为5ns的延时,并将 FPGA与模拟延时芯片进行级联,通过二次延时,提高延时分辨率。输入信号在进入FPGA后,首先会进行时钟同步,此时会产生一个随机的0~5ns的时钟同步误差,这将导致输出信号与输入信号之间存在抖动问题。为此本文设计了一个基于计数器芯片和模拟延时芯片的信号抖动补偿电路,计数器芯片测量时钟同步误差,再通过模拟延时芯片进行补偿,以此消除抖动。为了实现脉宽可调,本文采用将两路信号进行不同的延时,延时差为希望得到的脉宽,然后将这两路信号进行逻辑操作后合成一路信号输出。本设计采用STM32F103系列单片机作为核心控制器,与PC端上位机进行通信,然后将配置延时数据发送给FPGA。设计完成后,对脉冲延时可调电路的分辨率、稳定性、系统固有延时等进行了测试与分析。
  本方案的创新点在于提出了计数器芯片和模拟延时芯片相结合的信号抖动补偿电路,该方案原理简单,易于操作,且分辨率高,可以有效的将信号抖动控制在1ns以内。同时提出了一种简单有效的实现脉宽可调的设计方案。
  在完成脉冲延时可调电路的设计后,进行了各方面测试,系统各个模块运行稳定,且达到设计指标要求,整体设计方案可行。该脉冲延时可调电路成本低、体积小,且延时分辨率高、延时范围大、信号抖动小、信号输出稳定,已经用于实际科学研究当中,具有广泛的应用前景和使用价值。
[硕士论文] 李召
机械工程 杭州电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:焦距可调式微透镜作为微光学器件的重要组成部分,具有体积小、无机械运动、焦距动态可调等优点,在成像、自适应光学等方面具有广阔的应用前景。目前,应用较为广泛的焦距可调式微透镜制备方法主要包括:压力驱动式、热效应式和电润湿式等。这些方法虽然在一定程度实现了焦距可调微透镜的制备,但制备系统复杂、可控性相对较差,限制了上述制备方法的快速发展。
  基于此,本文研究了一种基于聚焦超声辐射力场的两相界面变形方法,以期应用于焦距可调式微透镜的制备。该方法的原理是聚焦超声换能器产生的聚焦声场作用于两相界面,使两相界面在聚焦超声辐射力、重力、界面张力等共同作用下发生可控的界面变形。本文重点研究聚焦超声辐射力场下两相界面的变形特性,主要研究工作包括:
  1)根据声场基础理论和凹球面型聚焦超声换能器的声场理论,分析了声透镜式聚焦超声换能器声场声压的理论计算,并对聚焦声场声压分布特性进行了仿真分析。
  2)结合两相界面理论分析了聚焦超声辐射力场下两相界面的变形机理,仿真研究了两相界面处的聚焦超声辐射力分布以及聚焦超声辐射力场下两相界面的变形形态。
  3)实验研究了聚焦超声辐射力场下两相界面的变形情况。实验研究表明,通过调节聚焦超声辐射力场可以实现对两相界面变形形态、变形高度及变形区域径向宽度的动态控制。
  4)实验研究了两相界面在聚焦超声辐射力场下的大变形情况:两相界面在聚焦超声辐射力场下形成类似于“通道”的液柱。适当调节聚焦声场可实现液柱的断裂并致使部分液柱与母液相互分离,与母液分离的液柱在自身表面张力的作用下收缩成球状。
  最后对论文研究工作进行了总结。
[硕士论文] 严海玉
电子与通信工程 杭州电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:地球海洋面积占表面积的71%,蕴藏着丰富的资源,目前近海海域已探明的天然气储量为182万亿立方米,石油可采储量为220亿吨,海洋石油储量约占陆地储量的82%,而且油气储量超过1亿吨以上的,有超过60%是来自海洋。开采海洋资源来解决人类资源日益匮乏的问题已经得到各国的普遍重视,我国对海洋资源的勘探也迫在眉睫,为了给勘探任务提供真实的海底环境,深海照相系统必不可少。
  然而国内深海照相系统普遍有灵活度低、局限性大、科研成本过高、研发周期长、系统无法更新、拍摄图片分辨率低并且工作水深不高等缺点,国内目前也没有成熟稳定的深海照相技术,而国外涉水深度几千米、像素高的深海照相机成品价格又普遍偏高。
  为了解决以上问题,本论文设计并实现了一套基于现有陆地数码相机技术的深海照相系统,该系统采用Debian GNU/Linux作为软件系统,然后移植数码相机控制软件gPhoto2远程拍照,硬件系统使用三星S5PV210为处理器。为了给设备提供水下作业环境,本论文还设计了水下照明灯以及外壳封装,水下照明灯采用STM32F103为处理器,通过调整端口输出高低电平的占空比而改变LED导通时间来实现光源可调,外壳封装实现防渗水、防海水腐蚀、抗水下压强等功能。为了使用户可以远程控制该系统,本论文设计了C#上位机界面。经过测试表明,本论文设计的深海照相系统可以适应水下4000m的工作环境,用户可以通过上位机远程控制数码相机自动对焦拍照,并且可以将图片传输到 PC端进行查看和保存。而且该系统还可以搭载到其他勘探设备中,完成相关功能的实现,灵活度高,支持多款相机,可以随相机的更新而不断更新。
[硕士论文] 侯昱辰
信息与通信工程 大连海事大学 2017(学位年度)
摘要:在水下作业中,水下遇险目标表面损伤的高清晰观测,对于打捞方案的制定不可或缺。海水中,尤其是接近海床的位置,水体能见度很低,研究一种能够在浑浊环境下工作的水下低照度相机,在水下能够提供清晰的图像,具有重大意义。EMCCD作为新一代的低照度成像芯片,具有高灵敏度、低噪声等优点,在低照度成像领域得到广泛应用。
  本文分析了EMCCD相机国内外的发展现状,介绍了EMCCD的结构和工作原理,并针对本次设计中水下低照度相机的核心感光芯片——CCD97(一款E2V公司生产的EMCCD芯片),设计并实现了整套电子学系统。水下低照度相机电子学系统是整个相机的硬件核心,主要包括EMCCD驱动模块、FPGA控制模块、模拟前端模块和电源模块。首先对CCD97的结构及驱动需求进行分析,并以此为基础设计EMCCD驱动模块,实现了CCD97驱动信号的电平转换及功率放大,使高压倍增增益可调,并提供了低噪声的偏置电压;分析FPGA控制模块所需资源并选型,设计并实现了周围接口电路;设计了模拟前端模块,对CCD97输出信号进行读出放大,并能够进行相关双采样、暗电平截断等操作;分析整个系统的供电需求,分别针对不同的模块的需要,设计了稳定的低噪声电源模块;最后对各个模块分别测试并给出了总体测试结果。
  测试结果表明,该电子学系统符合水下低照度相机的工作需要,在其基础上搭建的水下低照度相机,拍摄的水下图像清晰,证明了本设计的正确性。
[硕士论文] 董罗兵
机械工程 杭州电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着社会的进步和科学技术的发展,人们的思想观念逐渐改变。对财产、人身安全的保障以及自动化生产效率的提高更加重视,这使远程视频监控得以发展。网络摄像机的使用越来越多,对于不同场景的应用要求也随之增高。用户对监控的需求增加,对宽广角大范围的监控需求日益增多,因此全景监控受到众多认可。
  全景摄像机的出现确实解决了宽广角、广覆盖的监控需求,但范围的扩大,受摄像机像素的限制,无法观测局部细节。为满足人们在大场景下能够更清晰看清楚局部细节的强烈需求,全景摄像机与智能球机联动成为摄像机发展的新方向。本文中采用的是单鱼眼全景摄像机,文中鱼眼摄像机与球机联动简称“鱼球联动”。
  鱼球联动视频监控系统由鱼眼全景摄像机与球机组合而成的一体机、网络传输设备以及图像显示控制客户端模块构成,全景摄像机负责拍摄全景图像,球机负责捕捉细节画面,通过网络设备传输视频流到客户端实现实时监控预览,客户端发出控制命令通过网络设备传输到一体机实现摄像机图像参数修改和球机定位控制。
  论文研究内容主要包括:
  1、鱼球联动视频监控系统的研究。包含鱼眼全景摄像机和智能球机的联合运动研究、联动视频监控系统的硬件架构研究、联动视频监控系统的软件设计研究。
  2、基于ARM的鱼眼全景网络摄像机及其畸变矫正算法研究。鱼眼全景网络摄像机采用单鱼眼镜头,由于获取的宽广角视频图像出现球形畸变,无法展现平面图形效果,所以需要对图像进行畸变矫正处理,本文提出的一种新的畸变矫正算法,通过实验验证本算法具有一定的图像优化效果。
  3、联动系统中全景摄像机与球机拍摄图像位置精度优化算法研究。重点研究鱼球联动系统中球机定位优化算法,该算法基于比例定位和预制位定位之上增加了图像对比处理,使球机定位更加精确。
[硕士论文] 邵颖楠
数字媒体艺术 辽宁师范大学 2017(学位年度)
摘要:随着数字技术的发展,以数码相机为引领的数字摄影技术改变了我们的生活和学习,数字技术下是摄影手段成为商业广告和各种摄影的表现手段和创作方式,带给人们更强烈的视觉冲击和感受,多种数字摄影技术为摄影语言的表现提供了新的发展空间。近两年来人们生活水平不断的提高,对于美食的要求逐渐升高,要求美食从色香味不同感官进行提升,数字摄影技术逐渐被应用到美食摄影之中,摄影的手段不在单纯的以相机为主,更多的微型数码相机和高像素的手机成为美食摄影的重要表现手段,多种多样的数字摄影技术为美食影像设计的发展提供了空间和条件,同时社交媒体和手机APP社交的发展也带动了美食摄影的发展,美食逐渐成为一种有效的社交手段。本文主要以基于多种数字摄影技术下的美食影像设计为研究着眼点和入手点,探讨数字摄影技术下美食影像设计表现方法和原则,分析数字摄影技术的概念和相关知识理论和光在美食摄影中的应用,揭示出美食影像设计的方法和表现原则,提出美食摄影在社交平台上的应用,并通过对美食摄影作品的分析得出数字摄影技术对当代美食摄影的重要意义和价值,帮助摄影师更好的把握美食摄影的方法和原则,探索出多种数字摄影技术对美食影像设计表现的重要作用。
  本文主要分为六个章节,第一章节为绪论,主要对本课题的研究背景、研究目的与意义和国内外研究现状以及研究方法与创新点进行归纳解析;第二章节为数字摄影技术下美食影像设计概述,分析本课题研究的相关概念和数字摄影技术下美食影像设计应具备的摄影知识以及数码相机的使用和技巧;第三章节为光在美食摄影中的应用,归纳分析用硬光、柔光和顺光以及逆光在数字摄影技术下的拍摄技巧和方法;第四章节为美食影像设计方法和表现原则,分析美食摄影的构图方式和色彩运用以及美食摄影中的拍摄角度等需要注意的方法和原则;第五章节为美食摄影在社交平台上的应用,归纳阐述美食摄影在社交平台上的应用和表现以及手机成为现代美食摄影的重要工具;最后的章节为对本毕业设计中创作的美食摄影作品进行分析阐述。
  数字摄影技术下将为美食摄影带来了重大变革,多样的摄影手段成为美食摄影创作的表现语言,以在线互动为基础的摄影社交平台促进着美食摄影的发展,因此本文对基于多种数字摄影技术下的美食影像设计将具有重要价值和意义。
[硕士论文] 谢艳娜
电子与通信工程 天津工业大学 2017(学位年度)
摘要:X射线相衬成像技术自上世纪九十年代出现以来,一直是X射线成像领域的研究热点之一。相衬成像利用X射线的相移信息来探测成像物体的内部组成结构。这种成像方法弥补了传统X射线成像不能对弱吸收物体成像的不足,因此,X射线相衬成像技术在医学、生物学、材料科学以及无损检测等领域具有重大的应用价值。基于Talbot-Lau效应的光栅相衬成像法可以使用普通的X射线源成像,因此这种成像方法成为最具有发展前景的相衬成像技术。但是,这种成像方法在相位信息提取时通常采用相位步进法,要求步进装置的移动在微米甚至纳米量级,增加了机械控制的难度,受吸收光栅不能完全吸收高能X射线的限制,成像时不能使用高能X射线。
  针对目前X射线光栅相衬成像法存在的问题,本学位论文主要在以下几个方面开展了研究工作。首先,详细分析了X射线光栅成像系统的成像原理,对相位光栅的成像规律进行了进一步的研究。其次,对X射线光栅相衬成像的信息提取方法进行了研究,指出最常用的相位步进法的优缺点。在这些理论研究的基础上,本文设计了一种双能阵列X射线源和双能分析光栅,并应用于X射线光栅相衬成像中,提出了一种双能X射线光栅相衬成像系统和适用于该系统的相位信息提取方法。本文所提出的双能X射线光栅相衬成像系统不需要精密步进平台,精简了成像系统,避免了步进误差导致的成像质量降低的问题,成像物体只需两次曝光就可以成像,提高了成像效率,双能阵列X射线源、双能分析光栅的应用避免了吸收光栅不能使用高能X射线成像的问题。最后,对提出的成像系统及其相位提取方法进行了仿真实验,仿真结果表明提取到的检测样本的相位一阶导数分布与相关文献实验所得结果一致,证明了本文提出的成像系统和相位提取方法是可行的。为了达到成像系统对高能X射线成像时的中心能量的要求,通过仿真不同材料对X射线的滤除作用,设计了X射线滤光片。仿真结果表明,滤光片可以有效的滤除低能X射线,使出射的高能X射线满足成像系统的要求。
[硕士论文] 余敏
光学工程 南京理工大学 2016(学位年度)
摘要:光电系统的成像质量的客观评价一直是备受关注的问题,尤其是一些微光成像器件的成像性能评价对其相应的生产研发起到关键的指导性作用。微光成像器件中,由于EMCCD在性能上具有小型化、全固态器件不易损坏、光电转换效率高、被动式成像不易被发现等优点,使得EMCCD应用在夜间作战、侦察指挥、精确制导、光电对抗等军事应用领域发挥巨大作用。本文采用调制传递函数(MTF)来评价EMCCD相机整体的光学成像质量,EMCCD的光学调制传递函数不仅给器件制造者提出技术要求,还为EMCCD相机的设计和使用者提供了重要的参数。冈此,本文对EMCCD相机的光学调制传递函数及其测定方法在以下几个方面进行了研究:
  本文针对EMCCD的高斯噪声分布特性,研究了倾斜刀口法测量离散采样器件的调制传递函数的理论,在确立了EMCCD成像性能测试方法之后,搭建了适用于电子倍增CCD的成像性能参数测试的软硬件系统。
  使用正态分布模拟系统点扩散函数(PSF)对本测试系统软件算法做了仿真实验,对比已知PSF对应的真实MTF与本软件方法测得的MTF,验证了测试系统软件算法在噪声不大(噪声方差在0.015内)的情况下,所测结果MTF平均偏差在0.5%内。
  对本测试系统做了实际验证对比实验,通过比较同一EMCCD相机在本测试系统和CI公司测试系统上的测试结果,MTF测量误差在2%范围内,表明本测试系统能满足电子倍增CCD成像性能参数的测试,测试结果能够真实反应EMCCD相机的MTF参数,并且可靠性高。
  使用本测试系统测试了EMCCD倍增增益对MTF测量的影响,得出在EMCCD工作的线性范围内,电荷倍增过程略微降低了EMCCD的MTF;使用本系统研究了刀口倾斜角度对EMCCD相机和PointGrey相机MTF的影响,表明了控制刀口倾斜角度在10度左右,能够精确的代表该相机的真实MTF值;使用本系统研究了不同光谱波段对PointGrey相机MTF测量结果的影响,表明了所测EMCCD相机对全波段的成像性能优于单一波段的成像性能,单一波段的成像性能中长波段成像性能优于短波段成像性能;使用本系统分别对三种不同的CCD相机在不同光照条件下的MTF测试结果并对比得出了三种相机在不同光照环境下成像性能的优劣。
  为实现EMCCD成像性能测试的高效性,使整个测试以及算法计算过程更加自动化,本系统采用了Labview软件实现算法流程处理过程以及测试结果显示,使整个测量过程更加便捷。
[硕士论文] 张伟
信息与通信工程 浙江工商大学 2016(学位年度)
摘要:光场相机在近些年来得到了快速的发展,很多基于光场成像理论的光学设备相继出现,这使得光场成像技术的研究越来越受到重视。光场相机的一个重要特点是在探测器前面插入了微透镜阵列,这使得它可以同时记录光场光线的位置信息以及方向信息。光场相机因而可以解决许多传统光学成像技术无法处理的技术难题,在诸多领域如立体视觉匹配,场景三维重建,目标场景深度信息提取等都出现了光场成像技术的相关应用。这些应用都是建立在准确的深度估计基础上。因此,对光场图像进行准确的深度估计是非常有必要的。
  近些年来,有不少基于光场图像的深度估计算法被相继提出。然而,这些算法在某些情况下有一定的局限性,比如当图像纹理复杂、深度不连续、边缘未很好地检测出来或者存在遮挡的时候。本文针对这些局限性,从光流的角度,提出了一种融合遮挡检测和边缘保持特性的光场光流算法,得到了较为理想的深度估计结果。
  本论文主要针对光场图像深度估计展开研究,主要研究内容及成果如下:
  1.简要介绍了光场成像的基本原理和发展现状,并系统分析了光流法的基本原理、发展现状及应用场景。
  2.提出了一个用于深度估计的光场光流算法。该算法包括以下三个步骤:(i)基于光场图像能够获取全焦点堆栈序列图像的特性,得到光场原始图像的全部子光圈图像,并计算出所有子光圈图像之间的光流,然后得到整幅图像的致密光流场。(ii)通过线性回归方法初始化光场光流,在此过程中用子光圈图像间前向流与后向流的一致性来检测遮挡区域并加以去除,从而得到具有较高精度的初始深度估计。(iii)采用边缘保持算法对去除遮挡区域的图像进行插值优化,最后得到改进的光场深度图。
  3.对本文提出的算法加以测试。将本文仿真结果与经典的Lucas-Kanade光流法,Ayvaci等人提出的SparseFlow光流法,Tao等人提出的SimpleFlow光流法,Qifeng等人提出的FullFlow光流法加以对比。实验结果表明本文算法在深度结果的边缘保持及细节处理方面都具有明显优势,并证实了其在处理光场图像时的可靠性和鲁棒性。
[硕士论文] 刘明山
电子与信息工程 大连理工大学 2016(学位年度)
摘要:随着数字时代的到来,数字图像在人们的日常生活和工作中占据了越来越重要的地位。由于目前工业生产已经从传统的劳动力密集型转向了技术密集型,因此在工业生产当中,对自动化、智能化的要求也越来越高。而这种自动化和智能化就依赖于对数字图像准确获取后的处理。尽管目前民用数码相机获取的图像质量已经很高,但工业相机的高获取速度等应用需求,使得其图像质量往往差于民用数码相机。究其原因,主要就是在成像系统中的颜色滤波阵列插值算法在重建和还原真彩色图像的质量方面存在不足。
  针对工业相机成像系统中对颜色滤波阵列插值算法在图像重建和还原质量方面存在的问题,面向工业相机的典型应用场景,本文开展的主要工作有:
  (1)总结和归纳了民用数码相机和工业相机的一般成像模型;
  (2)介绍了六种经典的颜色滤波阵列插值算法,以及一种最新的多向加权插值算法,并对其优缺点进行了分析;
  (3)分析了工业相机典型应用场景下,数字图像背景平滑、前景为主要关注对象的特点,并针对此特点,设计了一种基于图像内容复杂度自适应的颜色滤波阵列插值算法,可以通过对图像子块的复杂度分析,自适应选择双线性插值算法或者多向加权插值算法。在Kodak、McM和工业相机图像库下的仿真实验表明,本文设计的基于图像内容复杂度自适应的颜色滤波阵列插值算法,能够在基本保持与多向加权插值算法相当的图像重建和还原质量情况下,具有较低的计算复杂度。
[博士论文] 罗军
仪器科学与技术 重庆大学 2016(学位年度)
摘要:随着光学仪器技术的快速发展与广泛应用,传统光学镜头已成为制约光学仪器向微型化、集成化、阵列化、轻量化发展的技术瓶颈。如何从原理入手,深入研究能够突破衍射极限,实现微纳尺度上的光信息传输与处理,及相关的微纳光学器件制备技术,对于光学仪器的微型化、集成化发展具有十分重大的科学和现实意义。
  论文在国家973计划和国家自然科学基金等项目的资助下,对基于表面等离子体的超表面聚焦透镜原理及制备技术进行了较为深入的研究。针对传统矢量偏振光束聚焦系统存在体积庞大、笨重的缺陷和透射式等离子体超表面器件调控效率不高及其加工成本高、效率低等问题,开展相关研究,完成的主要工作如下:
  (1)首先综合分析紧聚焦的矢量偏振光场所具有的独特性质和广阔的应用前景,同时对利用结构变化的金属弧形天线和表面等离子体局域共振调制交叉线偏振光,及其相位特性的原理进行较为深入的研究。提出一种矢量偏振聚焦透镜设计原理,并设计出超薄的径向和角向偏振超表面透镜。透镜在角向和径向偏振光入射时分别得到紧聚焦点和环形焦斑,而且在300THz-400THz范围具有宽带的频率响应。通过引入切趾因子,得到超越衍射极限的焦斑(0.47λ)。与传统透镜相比,超表面透镜厚度超薄(λ/20),无像差,易于集成和实现超分辨聚焦。
  (2)提出一种新型的、直接转化聚焦的径向偏振透镜设计原理,设计出在圆偏振光入射时可同时产生并聚焦径向偏振光的超表面透镜。通过变化金-硅光栅的周期和占空比调制 TM(Transverse Magnetic)偏振光相位的同时,提高TM偏振的透过率及偏振消光比,然后通过分区域方式对偏振和相位进行局部控制,实现产生并聚焦径向偏振光。这种超表面透镜具有数值孔径大和易于集成的特点,而且无需通过液晶偏振转换器或空间光调制器来产生径向偏振光源和额外准直系统来保持径向偏振光的中心与透镜的中心对齐,大大简化了传统径向偏振聚焦所需的辅助系统。
  (3)针对太赫兹波段缺乏有效的波前调控器件的问题,提出一种金属-介质-金属-介质-金属的多层单元结构,并分析其内在的电磁谐振和耦合机理,实现高效率的偏振转换和波前调控。基于Pancharatnam-Berry(PB)相位原理,采用离散相位方法设计和排布阵列天线,实现高效率、大角度的异常折射和大数值孔径、高效率的太赫兹平板超表面透镜。该透镜具有很好的聚焦性能和较薄的厚度(λ/5),可应用于微型化、集成化的太赫兹成像、探测等光学系统中,同时为设计其它类型和其它波段的光学器件提供理论依据。
  (4)针对超表面波前调控器件加工成本高、效率低的问题,提出一种低成本、高效率的制备超表面器件的方法,即反射式表面等离子体成像光刻,克服了超表面器件或透镜加工成本高、效率低的问题。利用反射式的等离子Ag层放大和补偿倏逝波,进而解决传统近场光学光刻中保真度差,对比度低,曝光深度浅等问题。通过优化曝光、显影、刻蚀工艺,制备出各向异性阵列的纳米孔超表面透镜。
  (5)搭建光学测试系统,在可见光频率实验验证了超表面透镜聚焦性能,得到的实验结果与仿真结果一致。提出的等离子体成像光刻方法利用了传统I线光刻设备及汞灯光源,具有加工成本低的优势,而且掩模可以多次使用,大面积的功能结构可一次曝光完成,具有效率高的特点。
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