1 四川轻化工大学 自动化与信息工程学院，四川 宜宾 644000
2 四川轻化工大学 人工智能四川省重点实验室，四川 宜宾 644000
针对人脸图像修复的深度学习网络存在修复后的人脸图像面部语义信息不合理和面部轮廓不协调的问题，提出了一种基于人脸结构信息引导的人脸图像修复网络。首先，采用编码器-解码器网络技术构建人脸结构草图生成网络，并在结构草图生成网络的生成器中加入跳跃连接和引入带膨胀卷积的残差块以生成待修复区域的结构草图。其次，在构建人脸修复网络时，在修复网络生成器中引入注意力机制，让修复网络在修复过程中更多关注待修复区域，并以生成的人脸结构草图为引导从而实现人脸图像面部语义结构和纹理信息的生动修复。最后，在结构草图生成网络的损失函数中引入特征匹配损失进行模型训练，从而约束生成器生成与真实结构草图更相似的结果；在修复网络的损失函数中联合感知损失和风格损失进行模型训练，从而更好地重建待修复区域的人脸图像面部轮廓结构和颜色纹理，使修复后的图像更接近真实图像。对比实验结果表明，在人脸图像数据集中，本文所设计的网络模型的修复性能有较高的提升。
人脸修复 解码器-编码器 膨胀卷积 跳跃连接 注意力机制 face inpating encoder-decoder dilated convolution skip connections attention mechanism
Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communications, Hubei Engineering Research Center for Intelligent Internet of Things, College of Electronic and Information Engineering, South-Central MinZu University, Wuhan 430074, China
Frontiers of Optoelectronics
2022, 15(2): s12200
1 中南民族大学电子信息工程学院，湖北 武汉 430074
2 中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074
本文提出一种使用立方相位光栅测量涡旋光束高阶轨道角动量（Orbital Angular Momentum， OAM）模式的方法。将艾里光束特有的相位变化特性与光栅的结构函数结合，设计一种立方相位光栅，并将涡旋光束准直入射至立方相位光栅的不同入射点上以产生衍射图。数值仿真和实验结果表明，通过分析衍射图中的类厄米-高斯衍射图样可以较容易地测量入射光束的OAM模式。入射光束拓扑荷值的大小由衍射图中的亮条纹数决定，其正负值由亮条纹的分布走向决定。优化后的实验链路可简化实验操作，效果明显，可将检测的拓扑荷值最高可达到60。
光栅 轨道角动量 涡旋光束 空间光调制器 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1705003
1 智能无线通信湖北省重点实验室, 中南民族大学电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
2 南洋理工大学电气电子工程学院, 新加坡 新加坡 639798
3 华中科技大学武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
在基于光声光谱技术的痕量气体检测系统中,光声池是决定系统性能的关键部件。针对传统柱形光声池受限于形状优化参数的问题,本文提出并设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池方案,该方案创新性地引入了母线离心率参数,实现了三维立体优化。本文基于有限元分析方法,利用COMSOL软件构建模型,分析母线离心率为7.14的光声池结构,得到了该结构在热黏性损耗作用下的前八阶声学模态值以及可视化振型。仿真结果表明,所设计的光声池的品质因数高达83.3;对光声池进行形状优化,发现光声池谐振腔长度对谐振频率敏感,母线短半轴长对声压幅值敏感。通过调节母线离心率可以有效地调节谐振频率且不影响声压幅值。光声池的幅频响应特性表明,较小的离心率易激发多谐振峰,在离心率为5时,激发的第一、第二谐振峰较强,它们的品质因数分别为75.9和128.9。本研究表明,此类曲体束腰型光声池具有优良的性能及较高的可设计度,对新型光声检测技术具备多场景适应能力,具有重要的理论和工程应用价值。
光谱学 光声光谱 痕量气体检测 有限元方法 光声池 声学模态值
智能无线通信湖北省重点实验室, 中南民族大学电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
挥发性盐基氮(TVB-N)是衡量肉品新鲜的重要理化指标, 利用可见/近红外(VIS/NIR)光谱对TVB-N含量进行定量检测具有重要意义。 预测模型是VIS/NIR光谱检测TVB-N含量性能的关键要素, 使其兼顾准确性与稳健性可有效改善TVB-N的定量分析结果。 以猪肉为例, 采集51组不同新鲜度样本的VIS/NIR光谱数据, 去除低信噪比区间200～450和900～1 000 nm, 选取有效波段450～900 nm的光谱数据用于建模。 随后利用主成分分析(PCA)对光谱信息降维, 构建一个反向传播神经网络(BPNN)模型。 在此基础上, 提出用平均影响值(MIV)方法从有效波段中优选与肉质TVB-N含量强相关的特征波长, 最终基于221个优选波长, 构建一个MIV-PCA-BPNN预测模型。 实验表明, 初步构建的PCA-BPNN非线性预测模型, 校正相关系数(RC)和校正均方根误差(RMSEC)分别为0.96和1.47 mg/100 g, 预测相关系数(RP)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.93和1.74 mg/100 g, 模型稳健性指标为1.18, 优于经典的线性预测模型主成分分析回归和偏最小二乘回归, 证明TVB-N具有较强的非线性效应。 最终构建的MIV-PCA-BPNN预测模型的RC和RMSEC分别为0.98和1.21 mg/100 g, RP和RMSEP分别为0.96和1.12 mg/100 g, 模型稳健性指标为1.08, 在所构建的预测模型中, RMSEC和RMSEP最小, RC和RP最大, 模型的准确性和稳健性最佳。 另外, MIV方法筛选出的特征波长集中在7个波峰附近, 皆分布于肉品中化学成分的吸收区内, 且与TVB-N中的含氢基团的特征吸收峰表现出高度一致性, 为利用MIV方法筛选波长变量提供了理论依据。 研究结果显示, MIV波长优选可有效改善预测模型的性能, 为利用神经网络剔除无关波长变量提供了新思路, 所构建的MIV-PCA-BPNN预测模型满足了肉质中TVB-N定量分析的需求。
VIS/NIR光谱检测 反向传播神经网络 波长优选 挥发性盐基氮 Visible/near-infrared spectroscopy Back propagation neural network(BPNN) Wavelength selection Total volatile basic nitrogen(TVB-N) 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1413
Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics & School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communications, College of Electronics and Information Engineering, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China
Multimode waveguide bend is one of the key components for realizing high-density mode-division multiplexing systems on chip. However, the reported multimode waveguide bends are either large, bandwidth-limited or fabrication-complicated, which hinders their applications in future high-density multimode photonic circuits. Here we propose a compact multimode waveguide bend supporting four TE modes simply by shape-optimizing with transformation optics. The shape of the waveguide is optimized in the virtual space with gradient distribution of the refractive index, so that the scattering loss and intermode cross talk are well suppressed. After conformal mapping back into the physical space, a compact (effective radius of 17 μm) multimode bending waveguide is obtained. Simulations show that the proposed multimode waveguide bend has little loss () and low cross talk () throughout an ultrabroad wavelength range of 1.16–1.66 μm. We also fabricated the shape-optimized multimode bending waveguide on a silicon-on-insulator wafer. At 1550 nm wavelength, the measured excess losses for the four lowest-order TE modes are less than 0.6 dB, and the intermode cross talks are all below . Our study paves the way for realizing high-density and large-scale multimode integrated optical circuits for optical interconnect.
Photonics Research
2020, 8(12): 12001843
1 中南民族大学 电子信息工程学院 智能无线通信湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074
2 武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430074
光纤与光芯片的上表面耦合的倾斜角度是影响光耦合效率的关键因素之一，针对传统角规测量法效率低、精度差和不稳定等问题，采用坐标系重构方法和图像处理技术实现了对光纤倾斜耦合角度的快速精密测量。首先，在常规图像角度测量的基础上引入棋盘靶标进行坐标系重构，降低了CCD在光学放大获取微小光纤的图像信息时光轴轻微转动引起的误差。然后，为了在降低噪声影响的同时保障光纤直线特征的检测精度，对比了Hough变换和图像细化两种提取光纤直线参数的算法，结合直线元素在投影面的三角关系获得了光纤倾斜角度。实验结果表明: 基于Hough变换的直线提取算法误差在±0.1°，平均运算时间为0.370 s，实现了对微小尺寸下光纤倾斜耦合角度快速精确地测量。
光纤倾斜耦合角度 图像处理 方向基准 小尺寸测量 三角关系 oblique angle of the coupling fiber image processing reference direction small size measurement triangular relationship 红外与激光工程
2019, 48(10): 1013001
1 中南民族大学电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
2 中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430074
涡旋光的拓扑荷数测量是涡旋光应用不可或缺的关键技术。将周期渐变型光栅的渐变性与环形光栅的完全对称性相结合,对环形光栅的结构附加周期渐变性并进行优化,研制了一种用于涡旋光束高阶拓扑荷数测量的新型环形渐变型光栅。经过数值模拟与实验测试,涡旋光束准直投射至环形渐变光栅形成远场衍射图案,其变化规律精准地对应涡旋光束轨道角动量状态。实验测量拓扑荷数达±30。该研究为涡旋光束的测量应用提供了新方法。
光栅 轨道角动量 涡旋光束 空间光调制器 激光与光电子学进展
2019, 56(14): 140501
西南交通大学信息科学与技术学院, 四川 成都 611756
提出了一种低参数量实时图像语义分割网络模型Atrous-squeezeseg。模型在最低参数量为2.1×10
7时的运算帧率为45.3 frame/s,像素点准确度与均交并比分别可达到59.5%与62.9%。同时,嵌入式设备NVIDIA TX2的运算帧率可达8.3 frame/s。实验结果表明,相比于其他分割算法,所提模型的速度和参数量均得到了提升。
图像处理 图像分割 实时图像 低参数量 卷积模块 多尺度特征 激光与光电子学进展
2019, 56(9): 091003
西南交通大学信息科学与技术学院, 四川 成都 611756
提出一种全局光照的计算方法,使用体素结构存储简化场景的光照信息,并通过体素锥追踪方法来收集光照信息,计算间接光照。在计算过程中,每帧只更新动态场景的体素结构,既可以支持动态光源,又避免了更新静态场景的时间消耗。通过各向异性过滤生成的方向性层级结构,将简化的体素场景及光照信息压缩存储在三维纹理的渐近贴图中,从而减少存储开销。利用体素锥追踪收集体素结构中存储的出射辐射度及遮蔽值来计算环境遮蔽、软阴影等全局光照效果。实验结果表明,所提方法可计算多种全局光照效果,并具有较好的绘制效率,在复杂的场景下单帧时间少于33.3 ms。
光计算 光学数据处理 全局光照 体素结构 体素锥追踪 间接光照
