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基于多视角合成孔径的太赫兹光场成像去遮挡算法研究.docx
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基于多视角合成孔径的太赫兹光场成像去遮挡算法研究.docx
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摘要
针对太赫兹光场成像中由前景遮挡物影响感兴趣信息采集的问题,提出基于多视角合成孔径
的太赫兹光场成像去遮挡算法。在分析太赫兹光场成像数字重聚焦原理的基础上,首先使用
太赫兹焦平面阵列相机来采集太赫兹光场的原始数据,然后通过确定最小泛化误差来定位数
字重聚焦深度,最后应用经验模式分解(EMD)法对重构图像进行增强处理,得到目标物轮廓分
明、抑制遮挡物干扰的太赫兹图像。实验结果表明,太赫兹光场技术与合成孔径技术的结合
可有效降低遮挡物的影响,另外证实了 EMD 法具有改善太赫兹图像质量的能力。
Abstract
In order to solve the problem that the acquisition of interesting information is affected by
foreground occlusion in terahertz field imaging, a terahertz light field imaging occlusion
culling algorithm based on multi-perspective synthetic aperture is proposed. Based on
the analysis of digital refocusing principle of terahertz light field imaging, the original data
of the terahertz light field is collected by using a terahertz focal plane array camera, and
the depth of digital refocusing is located by determining the minimum generalization
error. Finally, the reconstructed image is enhanced by using empirical mode
decomposition (EMD) method. The terahertz image of the object with clear contour and
interference suppression is obtained. The experimental results show that the combination
of terahertz light field technology and synthetic aperture technology can effectively
reduce the influence of occlusion, and it is proved that EMD method has the ability to
improve the quality of terahertz image.
1 引言
太赫兹波对很多非金属、非极性物质具有良好的穿透性,而且其光谱能量很低,不会电离损
伤生物组织。太赫兹成像技术在国防军事、公共安全、航天遥感、无损检测等领域有较广
泛的应用
[1-4]
,然而受太赫兹辐射强度、太赫兹波波长以及复杂成像环境的限制,其在成像质
量与目标分辨能力等方面仍有待提高。
太赫兹光场是在空间中同时包含位置信息和方向信息的四维太赫兹辐射场。太赫兹成像方
式是记录太赫兹波在传播过程中的位置信息和方向信息,相比只记录二维的传统成像方式多
出两个自由度,因此在图像重建过程中能够获得更加丰富的图像信息
[5]
。虽然太赫兹成像方
式的穿透性好,但当光路中有金属或极性物质遮挡时,有用信息的获取则会受到很大的影响,
而计算机视觉领域中的很多热门任务都受到感兴趣区域被遮挡、物体重叠的困扰。当感兴
趣区域被遮挡时,大量特征信息无法被正确采集,这使目标识别与目标分类面临巨大挑战。
因此,如何有效去除前景遮挡、重建清晰的背景图像是一个极为重要并且富有意义的研究内
容
[6]
。当目标物被遮挡时,单视角成像技术不能有效采集所需的信息,而多视角的合成孔径成
像技术可以利用光场成像所包含的视角信息来克服单视角成像技术的局限性,因此合成孔径
成像技术在去除前景遮挡任务时有着巨大的优势。其中,光场照相机是在主透镜和图像传感
器之间放置微透镜阵列来捕获场景的角度信息
[7-8]
。然而,受到传感器分辨率的限制,人们只
能选择密集的采样角度或者密集的空间采样间隔。相比之下,相机阵列是将几个独立的相机
放在一个规则的网格中,故具有更高的图像分辨率
[9-13]
。尽管早期的相机阵列体积大且硬件
密集,但随着硬件小型化和小型阵列的开发,相比全光相机阵列具有更宽的基线和更稀疏的
采样角度,这为后期计算奠定了基础
[14-15]
。
Vaish 等
[16]
基于重聚焦的方法来完成移除遮挡物的任务,在不同深度位置进行数字重聚焦以
实现前景移除,但由于不加选择地使用来自背景和遮挡物的光线,所以重构图像的分辨率较
差。Pei 等
[17]
提出了一种基于影像去背景光线的光场图像去遮挡物算法,该算法将全部子孔
径图像重聚焦至背景区域以估计离焦区域,然后用像素标记法移除遮挡物,这解决了如何分
离遮挡物与目标物的问题,但成像质量受到能否准确分割遮挡物与目标物的影响。Xiao 等
[18]
提出了一种基于 K 聚类算法的光场图像去遮挡物方法,该方法使用 K 聚类算法对遮挡物像
素与背景像素进行标记,但由于受到传统人工提取特征的局限性,在复杂场景中遮挡物的移
除结果表现不佳。刘严羊硕等
[19]
提出了一种基于极平面图(EPI)边缘特征估计场景深度范围
的遮挡物移除方法,通过待重建物面的参数来提取前景边缘特征并进行扩散,从而确定前景
遮挡所对应的射线,但重建目标不在同一深度会出现部分失焦的现象。
本文提出一种基于太赫兹光场与多视角合成孔径的去遮挡成像算法。首先采集太赫兹光场
图像,通过数字重聚焦技术来合成重构图像,并利用数字图像处理方法来分割目标物与遮挡
物,最后利用希尔伯特曲线填充的方法进行图像滤波,可以得到深度、角度及目标物轮廓分
辨力强的太赫兹图像。本文将从光场成像基本原理、太赫兹图像采集与数字重聚焦、基于
经验模式分解(EMD)的太赫兹图像处理等方面进行阐述。
2 光场成像与数字重聚焦基本原理
相比只通过探测器记录主光瞳的光线强度,光场成像不光记录了探测器平面的位置信息,也
记录了光线强度信息和方向信息。本文采用双平面参数法来表征光场,该方法依据 Levoy 等
[20]
提出的光场渲染理论来反映光辐射强度分布与传播方向的映射关系。根据光场渲染理论,
携带位置信息和方向信息的光线都可以用两个相互平行的平面来表征,光线与主透镜平面和
传感器平面相交的两坐标点构成了光场的四维函数 L(u,v,s,t),其中 L 为光线的辐射通量
[21]
,(u,v)和(s,t)分别为光线的二维位置信息与二维方向信息。探测器像面上的每个位置都会
记录穿过透镜平面的光线在此位置的投影积分,在像面 s 处的光辐射强度可以表示为
I(s,t)=∬L(u,v,s,t)dudv
。
(1)I(s,t)=∬L(u,v,s,t)dudv。(1)
两个焦平面会构成相似三角形,α 为两个相似三角形的比例系数,调整比例系数的大小可以控
制重聚焦的深度
[22]
,此时像面所成的像等于主镜头与焦平面之间光场的积分,表达式为
I(s)=∫L[u,sα+u(1−1α)]du
。
(2)I(s)=∫Lu,sα+u1-1αdu。(2)
根据相机阵列的成像方式,将阵列中每一个相机作为一个子视角进行图像采集,多个相机按
规律整齐排布后可以等效合成为一个大孔径的相机
[19]
,如图 1 所示。由于大孔径相机的弥散
圆半径小于单相机的弥散圆半径,同时大孔径相机的焦深小于单相机的焦深,所以大孔径相
机的景深比单相机的景深更小。利用大孔径相机景深较小的这一特性进行遮挡物的移除,利
用合成孔径技术将焦点定在目标物处,由于景深较小的遮挡物将会出现模糊的情况,这在一
定程度上减少了遮挡物的影响
[23-24]
。
图 1. 大孔径相机与单相机的对比图
Fig. 1. Comparison between large aperture camera and single camera
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3 基于太赫兹光场的前景移除研究
3.1 太赫兹成像系统与数字重聚焦
基于太赫兹光场与多视角合成孔径的去遮挡成像算法的处理流程如图 2 所示。根据第 2 节
的基本原理,使用 INO 公司的 MICROXCAM-384I-THz 型太赫兹焦平面阵列相机,通过二维
扫描来采集一系列特定视角的子图像阵列,这些子图像拥有不同方向、角度上的太赫兹辐射
通量信息。在包含原始太赫兹光场数据的子图像阵列上进行光场表征、数字重聚焦和后续
图像处理,实验中将成像目标物在深度方向上以 5 cm 为间隔放置,利用平移台来固定 INO 相
机,每次在水平方向与竖直方向上间隔 2 cm 进行采集,总共采集 11 行 11 列,121 个视角,图
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