作者单位
摘要
1 河北工业大学 人工智能与数据科学学院,天津30030
2 河北省控制工程技术研究中心,天津300130
针对大多数图像超分辨率重建方法利用单尺度卷积进行特征提取,导致特征提取不充分的问题,提出基于多尺度自适应注意力的图像超分辨率网络。为充分利用各个层次特征中的上下文信息,设计了多尺度特征融合块,其基本单元由自适应双尺度块、多路径渐进式交互块和自适应双维度注意力依次串联组成。首先,自适应双尺度块自主融合两个尺度的特征,获得了更丰富的上下文特征;其次,多路径渐进式交互块以渐进的方式交互自适应双尺度块的输出特征,提高了上下文特征之间的关联性;最后,自适应双维度注意力自主选择不同维度注意力细化输出特征后,提高了输出特征的鉴别力。实验结果表明,在Set5, Set14, BSD100和Urban100测试集上,本文方法在PSNR和SSIM定量指标上相比于其他主流方法相均有提升,尤其对于纹理细节难以恢复的Urban100测试集,本文方法在比例因子为×4时,相较于现有最优方法SwinIR,PSNR和SSIM指标分别提升了0.05 dB和0.004 5;在视觉效果方面,本文的重建图像具有更多的纹理细节。
超分辨 多尺度特征 注意力机制 自适应权重 渐进式信息交互 super-resolution multi-scale feature attention mechanism adaptive weights progressive information interaction 
光学 精密工程
2024, 32(6): 843
张文雪 1,2,3,4罗一涵 1,2,3,4,*刘雅卿 1,2,3夏诗烨 1,2,3赵开元 1,2,3,4
作者单位
摘要
1 中国科学院光场调控科学技术全国重点实验室,四川 成都 610209
2 中国科学院光束控制重点实验室,四川 成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209
4 中国科学院大学,北京 100049
超分辨率重建 亚像素 图像处理 微扫描 super-resolution reconstruction subpixel image processing micro-scanning 
光电工程
2024, 51(1): 230290
作者单位
摘要
1 中国计量大学光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018
2 西安应用光学研究所,陕西 西安 710065
针对太赫兹扫描成像设备存在的图像清晰度差、边缘模糊等问题,提出了一种基于生成对抗网络的太赫兹图像超分辨率重建算法。首先,在处理太赫兹图像时引入限制对比度自适应直方图均衡方法,有效解决了太赫兹图像对比度低的问题;其次,在生成对抗网络的基础上,提出了一种基于增强注意力机制的残差生成对抗网络,实现了太赫兹扫描图像的超分辨率重建,提升了图像纹理和细节的重建能力;最后利用频谱归一化的U-net网络对生成器生成的重建图像进行判别,增强了训练的稳定性。实验结果表明,提出的太赫兹图像超分辨率重建算法将太赫兹线阵相机所成太赫兹图像的边缘强度提高了7%,峰值信噪比提高了13%,平均梯度提高了12%,结构相似度提高了14%,验证了该算法的优越性和有效性。
太赫兹技术 太赫兹线阵相机 太赫兹图像 超分辨率重建 生成对抗网络 图像质量评价 
中国激光
2024, 51(8): 0814001
周瑶 1,2费鹏 1,2,*
作者单位
摘要
1 华中科技大学光学与电子信息学院,湖北 武汉 430074
2 高端生物医学成像省部共建重大科技基础设施,湖北 武汉 430074
显微镜的光学孔径和测量带宽的有限性限制了生物应用中的信息获取,包括在观测生物体系的精细亚细胞结构动力学过程、活体超快瞬态生物学过程,以及介观离体组织的高效三维成像等,这一问题成为多领域生物医学研究的制约因素。传统荧光显微镜的局限性促使研究人员着手探索新型荧光显微成像原理和方法。研究者们引入了人工智能手段,以提高荧光显微成像的速度和精度,从而增加信息获取的通量。本文以细胞生物学、发育生物学和肿瘤医学为视角,详细分析了在这些领域中通量限制带来的挑战。结合深度学习,突破了传统荧光显微成像的通量限制问题,为物理光学和图像处理领域的进一步发展提供了契机。这一创新助力于生物医学研究的推进,使科学家能够更全面、深入地理解生命和健康领域的复杂现象。因此,本研究不仅对生物医学领域具有重要意义,而且为未来的研究和应用提供了崭新的可能性。
荧光显微 深度学习 超分辨成像 超快成像 高通量成像 
激光与光电子学进展
2024, 61(16): 1600001
作者单位
摘要
江西理工大学 信息工程学院,江西赣州341000
针对当前基于深度学习的遥感图像超分辨率重建模型部署时对硬件要求较高,本文设计了一种轻量级基于重参数化的残差特征遥感图像超分辨率重建网络。首先,采用重参数化方法设计了一种残差局部特征模块,以有效地提取图像局部特征;同时考虑到图像内部出现的相似特征,设计了一个轻量级的全局上下文模块对图像的相似特征进行关联以提升网络的特征表达能力,并通过调整该模块的通道压缩倍数来减少模型的参数量和改善模型的性能;最后,在上采样模块前使用多层特征融合模块聚合所有的深度特征,以产生更全面的特征表示。在UC Merced遥感数据集上进行测试,该算法在遥感图像3倍超分辨率下的参数量为539 K,峰值信噪比为30.01 dB,结构相似性为0.844 9,模型的推理时间为0.010 s;而HSENet算法的参数量为5 470 K,峰值信噪比为30.00 dB,结构相似性为0.842 0,模型的推理时间为0.059 s。实验结果表明,该算法相比HSENet算法,参数量更少,运行速度较快,且峰值信噪比与结构相似性也有一定的提高。在DIV2K自然图像数据集上进行测试,该算法的峰值信噪比和结构相似性相比其他算法也有一定的优势,表明该算法的泛化能力较强。
超分辨 遥感图像 全局上下文 重参数化 残差网络 super resolution remote sensing images global context re-parameterization residual network 
光学 精密工程
2024, 32(2): 268
作者单位
摘要
长春理工大学电子信息工程学院,吉林 长春 130012
针对彩色图像引导的深度图像超分辨率重建算法中存在的纹理转移和深度流失的问题,提出一种基于双特征融合引导的深度图像超分辨率重建网络(DF-Net)。为了充分利用深度和强度特征的关联性,在网络模型的深度恢复重建部分采用双通道融合模块(DCM)和双特征引导重建模块(DGM)。利用输入金字塔结构提取深度信息和强度信息的多尺度特征:DCM基于通道注意力机制对深度特征和强度特征进行通道间的特征融合与增强;DGM将深度、强度特征自适应选择融合后实现重建的双特征引导,增加了深度特征的引导作用,改善了纹理转移和深度流失的问题。实验结果表明,所提方法的峰值信噪比(PSNR)和均方根误差(RMSE)优于RMRF、JBU和Depth-Net等方法,尤其4×超分辨率重建结果的PSNR值比其他方法平均提升6.79 dB,RMSE平均下降0.94,取得了较好的深度图像超分辨率重建效果。
图像处理 图像超分辨率重建 卷积神经网络 深度图像 特征融合 通道注意力 
激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0837007
作者单位
摘要
南方科技大学生物医学工程系,广东 深圳 518055
由于衍射极限的存在,传统的光学成像手段无法观测细胞器结构及细胞器之间的相互作用。单分子定位显微成像技术作为三种超分辨技术中分辨率最高的成像技术,为生命科学领域的研究提供了重要手段。大视场高通量单分子成像技术具有分辨率高、成像范围大和成像时间短等特点,在生物医学领域广泛用于观察和分析复杂的生物结构和功能。从基于硬件扫描的拼接成像技术、基于大面阵sCMOS的大视场高通量成像技术、大景深单分子定位成像技术、高通量数据分析技术4个方面回顾近年来大视场高通量单分子定位技术的研究进展。最后,对大视场高通量单分子定位成像技术的发展方向进行展望。
高通量 大视场 单分子定位显微镜 超分辨成像 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618004
曹军峰 1,2,3,4丁庆海 5罗海波 1,2,3
作者单位
摘要
1 中国科学院光电信息处理重点实验室,辽宁 沈阳 110016
2 中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁 沈阳 110016
3 中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁 沈阳 110169
4 中国科学院大学,北京 100049
5 航天恒星科技有限公司,北京 100086
近年来,红外成像系统在工业、安防、遥感等领域获得了广泛的应用,但由于制造工艺及成本制约,红外系统的分辨率仍然较低。基于深度神经网络的单帧图像超分辨率重建技术是提高红外图像分辨率的有效方法,获得了广泛研究,并在仿真图像上取得了显著进展,但应用于实际场景图像时容易出现伪影或图像模糊等现象。造成这种性能差异的主要原因是目前方法大多假定造成图像退化的模糊核是空间一致的,然而实际红外光学系统不可避免地存在像差、热离焦等,由此造成的图像模糊的模糊核并非空间一致的。针对这一问题,提出了一种非盲模糊核估计方法,通过采集特定的靶标图像,并设计模糊核估计网络,求解空间非一致模糊核;设计基于图像分块的超分辨率重建方法,将图像块和对应区域的模糊核一起输入非盲超分辨率重建网络进行子块图像重建,再通过子块合并和重叠区域图像融合,得到最终的高分辨率图像。实验结果表明,光学系统自身引起了模糊核随空间位置缓慢变化,在实验室条件下标定模糊核并基于图像分块进行超分辨率重建的方法可显著提高红外图像超分辨率重建的效果。
超分辨率重建 空间非一致模糊 模糊核估计 红外图像 super-resolution reconstruction spatially variant blur blur kernel estimation infrared image 
红外与激光工程
2024, 53(2): 20230252
周瑶 1,2费鹏 1,2,*
作者单位
摘要
1 华中科技大学光学与电子信息学院,湖北 武汉 430074
2 湖北省高端生物医学成像重大科技基础设施,湖北 武汉 430074
近几十年来,光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新,显著提升了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术,光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本,大大提高了光子利用效率,降低了光毒性,并显著提升了成像速度。光片显微镜问世以来,其在生命科学研究中的应用范围逐渐拓宽,从胚胎学、神经科学到肿瘤研究等多个领域均有所涉及,不仅可用于观察细胞和组织的基本结构,还可用于实时监测生物过程中的动态变化。同时,其跨尺度的特点使其适用于从宏观到微观的多个尺度上的观察。本文综述了光片显微镜在高通量成像、超分辨成像以及易用性方面的应用及发展,旨在为生命科学研究人员提供全面的了解和参考,推动光片显微镜在更多领域的应用和发展。
荧光显微成像 光片荧光显微镜 高通量成像 超分辨成像 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618019
作者单位
摘要
1 北京航空航天大学物理学院,北京 100191
2 澳大利亚国立大学物理学院电子材料工程研究室,澳大利亚堪培拉 2601
超分辨荧光成像技术因其能够突破光学衍射极限的限制,为生命科学研究带来全新的观察尺度而获得了诺贝尔化学奖。但是,传统的超分辨荧光显微镜需要极为复杂的光学系统来突破衍射极限,通常伴随着明显的光毒性和低时间分辨率,昂贵的造价以及日益复杂的操作限制了其在生物医学领域中的推广应用。因此,全球各大研究团队都在积极寻求具有近红外、高亮度和抗光漂白的替代荧光探针,并通过改善成像装置与算法,进一步拓展超分辨显微技术的应用范围。稀土元素纳米材料由于其独特而优异的物理化学特性,如显著的反斯托克斯光谱位移、无背景噪声、抗光漂白、光稳定性、低毒性和高成像穿透能力等,持续受到化学、物理学和材料学领域的广泛关注,是近期兴起的一种稳定性优异的无机荧光探针。本文首先简要介绍了上转换纳米颗粒的发光机制,然后讨论了纳米结构材料中实现光子上转换的主要限制。此外还介绍了镧系元素掺杂上转换纳米粒子在超分辨生物成像、分子检测等领域的应用,以及介绍了包括降低激光功率要求和耦合技术难度、提高激光直扫成像分辨率与速度、提高多路复用成像效率等应用技术优势。最后重点介绍了颗粒合成方面的主要挑战、可行的改进措施以及对未来发展的展望,为稀土纳米材料在生命科学成像领域的推广应用提供有力的理论基础与技术支撑。
荧光显微 超分辨成像 上转换纳米颗粒 镧系离子掺杂 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618018

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