当前目录 第61卷 第4期

作者单位
摘要
上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240
光学衍射层析成像以折射率为内源性染剂,非侵入式地获取生物样本的三维结构信息,并有希望实现对活体样本(如活细胞等)的长时间动态观测,在生物医学和生命科学领域具有重要的意义。然而,光学衍射层析成像依赖于弱散射近似和干涉测量,前者极大地限制此项技术在集群细胞和组织等厚样本上的观测表现,后者则会显著地增加成像系统的复杂度。针对上述问题,研究人员开发了一类基于非干涉强度测量原理的衍射层析成像技术。首先,对非干涉强度衍射层析成像进行基本描述,包括其成像系统、成像指标和重建问题等;接下来从非干涉相位恢复、三维光学传递函数、多层递归正向传播模型和神经网络4条技术路线介绍非干涉强度衍射层析成像的研究成果和最新进展,并对上述方法进行对比;最后讨论当前面临的问题和挑战以及未来的研究方向。
衍射层析成像 非干涉强度测量 正向物理成像模型 三维折射率重建 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0400001
作者单位
摘要
南京林业大学机械电子工程学院,江苏 南京 210037
近红外光谱及成像检测凭借其高效、无损、非接触等优点近年来被广泛应用于农林产品、食品检测等方面。该技术可快速获取样品光谱和图像信息,进而结合化学计量学、机器学习建模等对样品进行品质安全、掺杂掺假、理化指标和产地溯源等方面检测,深受各行各业的认可。但光学仪器使用环境以及被测样品性质具有局限性,光学检测结果易受到各种因素干扰,从而影响检测精度,应当予以消除或削弱。简述了近红外光谱和高光谱成像的检测基本原理,并对国内外近红外光谱及成像技术在检测时受到的影响因素进行总结与归纳,结合国内外研究学者在相关方面的研究内容,重点在温度、光照、水分、曲率变化和湿度等5个方面及相关校正方法的应用进行阐述,对当前存在的部分问题提出总结与建议,以期为相关方向的研究人员提供参考及借鉴。
近红外光谱 高光谱成像 无损检测 化学计量学 影响因素 校正方法 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0400003
作者单位
摘要
浙江农林大学光机电工程学院,浙江 杭州 311300
基于视觉的光学三维重建技术得益于对场景干预少、获取信息丰富等优点,在探测范围有限、非接触的场合得到了广泛应用。首先,主要介绍了基于主动视觉下的结构光法、莫尔法、飞行时间法、激光扫描法和基于被动视觉下的立体视觉法、运动恢复结构法,并分析了这些技术的优缺点;其次,总结并讨论了光学三维重建技术在农作物信息感知研究中的应用现状;最后,对光学三维重建的未来研究进行了展望。
光学三维重建 主动视觉 被动视觉 农作物 信息感知 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0400004
刘康康 1,2,*罗亚平 1,**
作者单位
摘要
1 中国人民公安大学侦查学院,北京 100038
2 安徽省公安教育研究院公安科学技术系,安徽 合肥 230031
光谱成像技术是一种集合光谱技术和成像技术的方法,能获取被检物体的空间信息和光谱信息,形成三维的光谱影像集。作为一种快速、无损的光学检验方法,光谱成像技术能满足法庭科学对物证检验的要求,尤其在痕迹物证的显现、识别、分类方面具有十分重要的作用。对光谱成像技术的基本原理和流程进行介绍,概述了其在法庭科学文件检验、血迹检验、指纹检验等领域的前沿应用,并分析了法庭科学领域光谱成像技术发展存在的困境和未来趋势,以促进该技术进一步发展,使其更好地服务于法庭科学工作。
光谱成像 法庭科学 物证检验 成像检验 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0400005
俞文凯 1,2,*曹冲 1,2杨颖 1,2王硕飞 1,2
作者单位
摘要
1 北京理工大学物理学院,北京 100081
2 北京理工大学先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室,北京 100081
单像素成像使用一系列空间光调制掩模对目标场景进行单像素亚采样,再根据掩模与测量值之间的关联重构出物体图像。这种间接获取图像的方式之所以能保证重建质量,除了有重构算法的功劳,更关键的是测量掩模的构造。随着压缩感知理论的引入,随机掩模进入人们视野,但它让测量变得盲目,缺乏针对性,而且这种掩模不便于存储和计算,极大限制了空间像素分辨率。哈达玛基掩模因其结构化特征使快速计算成为可能,且方便存储和提取,近年来得到广泛关注,已发展出诸多哈达玛基掩模优化排序方法,这些方法已被证明能大幅降低采样率。本综述系统地梳理了这类方法的设计框架和前沿进展,展望了确定性掩模构造的未来发展趋势,可为后续的研究工作提供有益的借鉴和指导。
计算成像 图像检测系统 成像理论 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0400006
作者单位
摘要
天津大学微电子学院,天津 300072
宽色域技术是目前画质增强方向的研究热点之一,该技术可以大大提高视频图像的色彩还原能力,改善人眼的视觉感受。扩展色域的方法主要分为3个方向,传输“负”值色光、高饱和三原色以及多原色。首先简述了宽色域技术的研究意义,然后主要对现有标准色域和主流宽色域标准进行了介绍,并且详细阐述了多原色宽色域的成像与显示技术,最后讨论了该领域待解决的问题以及未来发展趋势。
宽色域 多原色 颜色空间 成像与显示 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0400007
作者单位
摘要
北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京 100081
利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术实现气溶胶流场的实时探测,对气溶胶流场运动的研究有着重要意义。针对PLIF气溶胶流场实时探测中微弱信号可视性较差的问题,提出一种信号强度分类变换方法,根据信号强度特征设定限制条件,通过迭代将信号分为若干强度区间,并对各区间内信号强度重新规划赋值。将强度分类变换方法应用于PLIF气溶胶流场探测的荧光信号处理,与限制对比度自适应直方图均衡化(CLAHE)的处理结果相比,该方法在大动态范围荧光信号的微弱信号增强、噪声抑制方面具有较好的效果,对微弱信号信背比的提升超过20%。针对气溶胶流场不同变化阶段,所提方法可以实现25 frame/s的实时处理,满足对气溶胶流场荧光信号实时探测的要求。
激光诱导荧光 气溶胶探测 分类变换 实时探测 图像增强 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0401001
作者单位
摘要
辽宁工程技术大学软件学院,辽宁 葫芦岛 125105
针对当前去雾算法中容易产生的图像伪影、图像颜色失真、图像细节模糊不清等问题,提出一种并行多尺度注意力映射图像去雾算法,通过端到端方式以编码器解码器结构实现图像去雾。在编码阶段,采用连续下采样层降低特征维度,避免过拟合。在特征转换阶段,采用并行分支结构设计并行多尺度注意力映射模块,使模型能够在关注图像重要特征的同时充分利用多尺度特征,并通过并行连接选择性特征融合模块有效收集图像空间结构信息。解码阶段,采用上采样层重构图像,并通过上下采样层融合更好地保留图像边缘信息。实验结果表明,该算法在合成雾天数据集以及真实雾天图像上均具有较好的去雾效果,相较于传统去雾算法,可更好地保留图像细节,具备较好的色彩保持度。
图像去雾 卷积神经网络 并行分支结构 多尺度映射 注意力机制 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0401002
作者单位
摘要
苏州科技大学电子与信息工程学院,江苏 苏州 215009
视觉诱导晕动症是虚拟现实技术应用中较为严重的问题,沉浸在虚拟现实环境中的使用者普遍会存在头晕、恶心等症状。立体影像采集失真导致人眼感知的虚拟空间畸变,可能是诱发和增强视觉诱导晕动症的重要因素之一。为了研究立体影像采集失真对视觉诱导晕动症的影响,基于立体影像采集理论构建了虚拟空间畸变模型,针对具有三种焦距参数的镜头获取不同等级的立体空间畸变影像。通过视觉感知实验,对不同空间畸变下的视觉诱导晕动症进行主观和客观的评价。结果表明,当立体影像采集的相机视场角与人眼视场角不匹配时,立体影像失真对视觉诱导晕动症有显著性影响,立体影像采集失真会导致更为强烈的视觉诱导晕动症状。首次用系统性实验的方法验证采集参数与感知参数不匹配导致的虚拟空间畸变增强了视觉诱导晕动症的结论,研究结果对提出切实可行的缓解方法有重要意义。
视觉感知 虚拟现实 视觉诱导晕动症 立体影像采集 立体影像失真 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0409001
作者单位
摘要
南京林业大学土木工程学院,江苏 南京 210037
针对PointNet++在特征提取阶段未能深层挖掘Lidar点云的语义特征及其在特征聚合阶段采用最大池化聚合导致特征丢失,进而导致点云分割精度下降的问题,通过改进PointNet++的特征提取及特征聚合模块,提出一种基于特征偏差值和注意力机制的点云分割模型。首先,利用球形采样获取不同的局部邻域,并采用K最近邻(KNN)算法筛选邻域点,计算不同邻域的特征偏差值,获取点云的深层语义信息,增强模型对不同局部邻域的识别能力;其次,利用基于注意力机制的特征聚合模块代替PointNet++中的最大池化模块,在聚合特征阶段学习不同特征的权重,从而提高模型对不同结构信息的筛选能力,增强模型的分割性能;最后,为了进一步优化模型架构,在全连接层中加入残差模块,共享权重,避免参数冗余,提升模型性能。基于ISPRS提供的Vaihingen数据集与斯坦福的S3DIS数据集进行实验验证,实验结果表明,所提模型总体精度达到86.69%,较PointNet++提高了5.49个百分点,同时平均F1得分达到了73.97%,较PointNet++提高了8.30个百分点。在S3DIS数据集上的实验结果表明,与PointNet++、RandLA-Net和ConvPoint等主流模型相比,所提模型结果较PointNet++也有提升,即相较于PointNet++的分割结果,改进后的模型能够充分提取点云的语义特征,有效提高模型分割精度。
点云分割 PointNet++ Lidar 特征偏差值 注意力机制 特征融合 残差结构 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411001
作者单位
摘要
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
数字全息显微镜(DHM)可以对生物样本的复杂波前进行数值重建,但是物体波前存在二次相位畸变和高阶像差,使得成像物体存在一定的相位像差。基于此,提出一种基于径向基神经网络(RBF)的相位畸变补偿算法。使用RBF网络构建非线性函数,最小化损失函数来估算物体的实际相位,损失函数考虑了全息面和RBF网络的输出。在仿真中以原模型为基准计算全局的均方误差,所提算法的均方误差为0.0374,主成分分析法(PCA)的为0.0470,频谱质心法(SCM)的为0.3303。搭建DHM系统用于HL60细胞的成像幅度和相位对比度观察,结果显示,所提算法能够更好地消除载波频率和相位畸变。所提算法无需了解光学参数,且可以通过调整采样点数量控制计算时间和插值精度,在弱散射物体或微纳结构三维形态测量中具有潜在的应用前景。
数字全息 相位恢复 波前误差 径向基神经网络 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411002
作者单位
摘要
上海工程技术大学电子电气工程学院,上海 201620
卷积神经网络已在图像超分辨率领域得到广泛应用,Transformer近年来在该类图像处理任务中的扩展更是具有里程碑的意义,然而这些大型网络具有过多的参数量和计算量,其在部署和应用上存在很大局限性。考虑到上述发展现状,提出一种基于交错组卷积与稀疏全局注意力的轻量级图像超分辨率重建网络,该网络引入了以交错组卷积为主的特征提取模块,对Transformer的多头自注意力机制进行优化,设计了一种稀疏全局注意力机制以增强特征学习能力,并提出了一种多尺度特征重构模块来提高重建效果。实验结果表明:相比其他几种基于深度神经网络的方法,所提方法的PSNR、SSIM、参数量、计算量等性能指标都表现较好。而与基于Transfomer的方法相比,所提方法在PSNR、SSIM指标上平均提高0.03、0.0002,在参数量、计算量、运行时间上平均降低2.66×106、130×109、930 ms。
图像超分辨率 交错组卷积 注意力机制 轻量化网络 Transformer 多尺度特征重建 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411003
作者单位
摘要
天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
单目视觉中的参考点共面问题是计算机视觉领域内一个基础而重要的问题。建立了针对共面参考点的PnP(Perspective-n-Point)问题模型,并提出了一种稳健的解决方法,具体包括直接法和迭代法两个部分。在直接法环节,针对位姿恢复过程中存在的尺度不统一问题,利用奇异值分解方法对旋转矩阵的恢复进行改进,获得相机位姿估计结果,并将此结果用作迭代法的初始值。在迭代法环节,介绍了以物方空间共线性误差为目标函数的正交迭代算法,为提升该算法的稳健性,研究了加权正交迭代算法,确立了重投影误差中外点的判定阈值并以此为依据引入了权重信息。实验结果表明,在参考点数量较少或少量异常值存在的条件下,所提方法具有良好的计算精度及稳健性,有较高实用价值。
单目视觉 共面参考点 位姿估计 共线性误差 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411004
作者单位
摘要
1 上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海 201620
2 上海卫星工程研究所,上海 200240
3 上海司南卫星导航技术股份有限公司,上海 201801
针对影像实时动态测量设备中相机和惯性测量单元(IMU)相对位置发生变化时,需要重新进行外参标定的问题,提出了一种Camera-IMU外参在线标定方法,能够在机械构型未知的情况下自动估计初始值和外参数。首先,使用全球卫星导航时间对齐IMU和相机的时间戳,通过奇异值分解求解旋转量的超定线性方程,改变阈值判定条件和加权方式,减少方程中的退化运动,并剔除外点,提高系统鲁棒性与外参精度,从而获得恒定的Camera-IMU旋转外参。然后基于获得的Camera-IMU旋转外参,固定滑动窗口,利用高斯牛顿法估计Camera-IMU的外参平移量。与原有在线标定方法相比,旋转外参标定方法的精度提高15%,平移外参的精度提高35%,实验结果表明所提方法是有效的。
相机和惯性测量单元 外参标定 初始化 惯性测量单元预积分 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411005
作者单位
摘要
1 西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 710021
2 西安应用光学研究所,陕西 西安 710065
针对空间相机轻量化、小型化要求,采用一体式环形孔径透镜。由于基底单一和结构紧凑,系统存在色差和球差,引入衍射光学元件和偶次非球面校正像差,而单层衍射光学元件在宽波段存在衍射效率下降等问题,设计了一种端到端式光学-数字联合成像系统,对影响衍射效率主要级次的点扩散函数进行一致性优化,构建出空间不变的点扩散函数模型,为后续图像复原建立复原函数模型,实现退化图像的复原。最终光学-数字联合成像系统工作波段确定为0.45~1 μm,焦距为185 mm,视场为5°,F数为4,遮拦比为0.35,系统总长为67.8 mm。
光学设计 环形孔径 单层衍射光学元件 端到端设计 图像复原 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411006
作者单位
摘要
北京信息科技大学理学院,北京 100101
针对光场成像的空间域图像分辨率限制,提出一种基于自监督学习的空间域图像超分辨成像方法。利用深度学习中的自编码器,对全部光场子孔径图像同步进行空间域的超分辨重构。设计一种基于多尺度特征结构和全变差正则化的混合损失函数,约束模型输出图像与原始低分辨率图像的相似度。数值实验结果表明,所提方法对噪声具有抑制作用,在光场成像的不同数据集上的超分辨结果平均值超过基于有监督学习的光场空间域超分辨方法。
光场 超分辨 自监督学习 深度学习 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411007
作者单位
摘要
1 西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 710021
2 中国科学院西安光学精密机械研究所光子制造系统与应用研究中心,陕西 西安 710119
液晶空间光调制器(LCSLM)加载计算全息图实现激光分束时,会在焦平面处产生零级光干扰,为了解决这一情况,提出一种加载达曼光栅灰度图至液晶空间光调制器的方法,利用相消干涉,从而消除零级光干扰。基于模拟退火算法,求解出相位转折点集,在VirtualLab中进行仿真模拟,利用MATLAB软件编写生成达曼光栅灰度图的脚本文件,搭建基于硅基液晶空间光调制器(LCOSSLM)的验证系统,对调制效果进行测验。结果表明:通过加载达曼光栅灰度图进行激光分束,在CCD视场内明显去除了零级光干扰,且实际分束效果与仿真模拟结果相近,在一维五分束下的分束均匀度达97.190%,优于GSW算法生成的光栅形式全息图的调制效果。以大光点间距进行一维二、七分束的效果观测,分束均匀度分别达98.453%、96.820%,又进行二维分束观测,测量分束均匀度可达95.436%,且均未在CCD视场内观测到零级光。
液晶空间光调制器 飞秒激光 纯相位调制 达曼光栅 衍射结构 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411008
吴寅 1,2梁永 1,2张洁 2李辉 1,2,*
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州),生命科学与医学部,江苏 苏州 215163
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所,江苏省医用光学重点实验室,江苏 苏州 215163
人类表皮生长因子受体-2(HER2)的异常扩增会导致癌细胞的过度增殖和肿瘤恶化。在采用常规光学显微成像技术检测扩增水平较高的乳腺癌细胞HER2基因时,荧光原位杂交探针的荧光信号斑点呈簇状分布,难以精确计数。应用结构光照明超分辨成像技术对HER2基因荧光原位杂交的病理切片进行成像,从而分辨距离较近的荧光探针。通过大视场扫描成像和图像拼接,对数百个细胞进行成像和统计分析,提高了高扩增水平病理切片上HER2探针计数的准确性。
乳腺癌病理诊断 荧光原位杂交 结构光照明超分辨成像 图像拼接 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411009
作者单位
摘要
1 山东科技大学测绘与空间信息学院,山东 青岛 266590
2 河北省地理信息集团有限公司,河北 石家庄 050000
3 河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 211100
针对道路养护管理中缺乏车辙精确边界自动分析提取的问题,提出一种基于点云分水岭算法的路面车辙三维轮廓提取方法。首先对单车道路面激光点云数据进行高程归一化处理,消除路面横向设计坡度影响;利用包络线算法计算路面横断面的相对深度,生成路面点云相对深度模型,用于增强车辙辙槽的凹陷特征,并消除路面纵向坡度对点云分水岭算法的影响;然后,通过计算车辙边界曲率特征获取车辙粗略分界线,据此将路面划分为5个区域,选择每条横断面在对应区域相对深度最大的点作为点云分水岭算法的注水点集;最后,根据分水岭算法积水浸没的原理精确获取车辙的纵向轮廓。利用青岛平度市内S218省道的路面车辙激光点云数据进行实验分析。结果表明:所提方法可准确提取多类型的车辙边界,获取的车辙轮廓纵向边界均方根误差小于5 cm;同时,基于车辙边界获得的车辙深度均方根误差均小于1.5 mm,包络线法计算的车辙深度均方根误差均大于1.5 mm,所提方法具有更高的精度。所提方法为道路养护管理提供了一种有效的车辙三维轮廓提取方法。
遥感 路面激光点云 车辙 分水岭算法 三维轮廓 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411010
作者单位
摘要
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院微小卫星创新研究院,上海 201200
为了实现差分吸收激光雷达对臭氧浓度和气溶胶的同时探测,对常见的三通道分光光谱仪进行改进优化。确定光谱仪初始结构后,使用光栅方程对四通道的摆放位置进行计算分析。使用球面镜和全息光栅,通过添加距离约束,将四个光谱通道控制在合理的机械结构范围内,最终设计了一款四通道分光、低F数的光谱仪系统。该系统使用圆阵列转线列光纤,提高了接收系统对大气回波信号的接收强度,实现了对266,289,316,532 nm回波信号强度的精确探测。设计结果表明,光谱仪系统可连接0.12数值孔径的线列光纤,在266,289,316 nm光谱分辨力优于0.5 nm,在532 nm处光谱分辨力优于1 nm,满足激光雷达探测光谱分辨率的要求。分析了光谱仪出射狭缝的曲率半径和圆心位置。该设计可实现激光雷达对气溶胶和臭氧的同时探测,简化了系统结构。
激光雷达 臭氧 紫外 光栅 光谱仪和光谱仪器 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411012
作者单位
摘要
大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连 116086
为了研究浑浊水体对成像质量的影响,利用单次Mie散射理论和蒙特卡罗法,在融合几何光学成像的基础上提出一种理论分析方法。该方法分析不同波长的点光源在不同粒径不同浓度的浑浊水体环境传输时的成像特征。结果表明:波长分别为456 nm、524 nm、620 nm的点光源经相同的水体环境和无散射环境进行偏振成像传输时,波长为456 nm的点光源的成像效果最好;波长为456 nm的点光源经过散射粒径大小分别为1 μm和2 μm的浑浊水体时,线偏振光的成像效果优于圆偏振光,圆偏振光优于自然光;当穿过散射粒径为3 μm、4 μm、5 μm的浑浊水体时,自然光成像效果最好,线偏振光成像效果最差。从理论上分析了不同波段的点光源经过不同水体进行偏振成像传输的成像效果,为水下偏振成像技术提供了新的思路和方法。
偏振传输 可见光波段 蒙特卡罗法 水下成像 偏振保持性 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411013
作者单位
摘要
1 长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所,江苏 苏州 215163
电动化、智能化的光学显微成像系统需要能够实时测量系统的焦面漂移并进行校正,从而实现对活细胞的长时间观测和全片的病理切片扫描。设计一种探测非对称光束界面反射后的光斑位置从而进行焦面漂移测量的方法。利用ZEMAX软件光学仿真了反射光斑在不同离焦情况下的光斑形状,搭建了集成化的漂移测量模块并在商用正置显微镜上对其进行了验证。结果表明,针对60×浸油物镜,所提系统的漂移测量精度达250 nm,漂移校正的响应时间小于500 ms,满足了高分辨率长时间成像的要求。
光学系统 自动聚焦 轴向漂移 非对称光束 闭环反馈 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411014
作者单位
摘要
1 南通大学机械工程学院,江苏 南通 226019
2 南通国尚精密机械有限公司,江苏 南通 226017
针对铝型材表面缺陷种类多、尺度差异大、小目标容易漏检等问题,提出了KCC-YOLOv5——一种基于YOLOv5s改进的铝型材表面小缺陷检测模型。首先利用IoU(intersection over union)-K-means++算法代替K-means算法聚类锚框,获得最贴合铝型材表面缺陷的锚框,提高小目标锚框的质量;其次,提出全局注意力模块C3C2F,并引入主干层,在减少参数量的同时增强小目标的语义信息和全局感知能力;最后将颈部最近邻插值上采样方式换为轻量级上采样算子CARAFE(content-aware reassembly of features),充分保留上采样特征图的小目标信息。实验结果表明,改进模型KCC-YOLOv5的均值平均精度为94.6%,相比于YOLOv5s提高了2.8个百分点,小目标漆泡和脏点的平均精度分别提高了5.2和12.4个百分点。KCC-YOLOv5模型在保持大目标检测精度小幅度提升的同时显著提升了小目标的检测精度。
机器视觉 铝型材 表面缺陷 KCC-YOLOv5 小目标检测 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0412002
作者单位
摘要
1 新疆大学智能制造现代产业学院,新疆 乌鲁木齐 830017
2 新疆大学交通运输工程学院,新疆 乌鲁木齐 830017
针对现有语义分割方法检测高速公路护栏时存在预测速度慢、分割精度低的问题,提出一种基于改进DeepLabV3+的无人机高速公路护栏检测方法。首先,采用MobileNetv2网络替换原模型的主干并输出中层特征,减少参数量的同时恢复降采样过程中丢失的空间信息;然后,采用密集连接扩张卷积改进空洞空间金字塔池化,以减少漏分割现象;最后,在编码器部分引入空间分组增强(SGE)注意力机制,减少错分割现象。实验结果表明,改进后模型平均交并比、平均像素准确率、画面每秒传输帧数达到了79.20%、87.89%、52.59,相比基础模型,分别提高了2.59%、2.93%、56.70%,参数量降低了78.85%,能够在保障模型预测速度的同时提高对护栏的分割精度。
图像处理 语义分割 无人机 DeepLabV3+ 注意力机制 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0412004
作者单位
摘要
河南工业大学信息科学与工程学院,河南 郑州 450001
相移轮廓术由于其高测量精度和高鲁棒性已广泛应用于各个领域。然而,由于需投射多幅条纹图到物体表面,因此要求物体在测量过程中保持静止。另一方面,当重建高反光运动物体时,不仅出现过曝光现象,过曝光位置还将随着物体运动而变化,对测量提出了挑战。基于此,提出一种测量高反光运动物体的算法。过曝光位置随着物体运动变化意味着并非所有条纹图都存在过曝光。首先,投射双频率条纹图到运动物体表面并拍摄。其次,识别所有条纹图中的过曝光区域,并记录物体上每一点的非过曝光条纹图。再次,基于非等间隔相移的非过曝光条纹图进行相位提取,获得双频率相位分布。最后,对双频率相位分布进行运动补偿,并基于双频率解包裹算法实现正确解包裹,完成高反光运动物体三维重构。实验结果表明,该算法能有效减小高反光运动物体引起的测量误差,具有较高的工业应用价值。
条纹分析 三维重构 相移轮廓术 高动态范围 过曝光 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0412005
作者单位
摘要
1 福州大学机械工程及自动化学院,福建 福州 350108
2 莆田学院机电与信息工程学院,福建 莆田 351100
荧光粉沉淀是影响白光LED发光质量和光学一致性的关键因素。为了实现荧光粉沉淀的快速、无损检测,提出一种基于光学相干层析(OCT)技术的荧光粉沉淀检测方法。使用OCT系统对白光LED进行成像,比较白光LED的OCT与切片图像,分析了荧光粉的数量分布和沉淀物形态。根据荧光粉数量与面积分数的关系以及荧光粉沉淀过程中荧光粉数量分布的变化特点,设计了从OCT图像中提取荧光粉面积分数的算法,分析了荧光粉面积分数与荧光粉沉淀程度的变化关系。实验结果表明,OCT技术可以准确检测白光LED的荧光粉沉淀物形态,荧光粉在OCT图像中的面积分数可以量化荧光粉沉淀程度。该方法可以满足白光LED荧光粉沉淀的检测要求,并可用于白光LED的质量检测和封装工艺研究。
光学相干层析 白光LED 荧光粉沉淀 无损检测 量化分析 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0412006
作者单位
摘要
江南大学理学院,江苏 无锡 214122
提出一种基于偏振比检测和支持向量机的颗粒物实时检测与分类方法。采用双波长的半导体激光器作为光源,使用高灵敏度的雪崩光电二极管分别测量散射光的两个偏振分量,计算出单个颗粒散射光的偏振比,从而实现颗粒分类与识别。结合支持向量机算法与神经网络模型可进一步提升颗粒物的分类精度。针对所研究的二元及三元分类场景,分类精度分别由64%和83%提升至100%和98%。该方法在制药、化妆品以及工业生产控制与检测等领域具有很好的应用前景。
光散射 偏振比 支持向量机 颗粒检测 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0412007
作者单位
摘要
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
针对传统装配方法面向平面弱几何轮廓结构的工件装配任务表现出的数据配准成功率低、位姿控制精度不足的问题,提出一种基于平面点云配准与相对位姿控制的工业件装配方法。首先通过双目结构光传感器重建出工件点云信息,应用RANSAC-ICP算法对重建结果进行配准,并结合平面法向量特征与最大距离关系进行纠正,从而实现精准点云配准。然后,提出基于相对位姿关系的机械臂控制方法,省略了对工具坐标系的标定,直接利用相对位姿控制机械臂运动,并将相对位姿误差结果作为控制系统误差的评价标准,从而实现可靠装配。最后,在真实测试场景下使用大型工业机械臂进行实验。结果表明,所提方法较传统装配方法装配成功率提升85个百分点,自动化装配精度优于0.5 mm,即该方法可以有效解决平面工件装配问题。
机器视觉 点云配准 机械臂 装配 工业场景 相对位姿估计 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0415001
作者单位
摘要
广西大学电气工程学院,广西 南宁 530004
为应对特殊条件下不便于实地进行移动式操作的问题,设计了一套基于混合现实的可移动机械臂操作控制系统。该系统分为人机交互、机械驱动、虚拟现实等3个模块:人机交互模块通过摄像头识别操作者肢体手势动作并发布相应操作指令;机械驱动模块解析由人机交互模块发布的操作指令后完成相应动作并反馈设备工作状态;虚拟现实模块接收机械驱动模块反馈信息后将设备运行情况在构建好的虚拟场景中还原,实现对设备运行情况的实时监控。在可移动机械臂平台上的测试结果表明,操作者通过所提系统可以实现对可移动机械臂的远程精准控制与实时监控,系统响应速度能够达到60~100 ms/frame。
机器视觉 混合现实 Unity3D 机械臂 动作捕捉 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0415002
袁善帅 1,2丁雷 1,2,3,*
作者单位
摘要
1 中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像技术重点实验室,上海 200083
2 上海科技大学信息科学与技术学院,上海 201210
3 中国科学院大学,北京 100049
自动驾驶场景中,通常会用基于体素化的算法来完成点云3D目标检测任务,因为该类方法拥有计算量少、耗时少等方面的优势。但是当下常用的方法往往会带来双重信息损失,其一是体素化带来的量化误差造成的,其二则是对体素化后的点云信息利用不充分造成的。设计一个三阶段的网络结构来解决信息损失大的问题。第一阶段使用基于体素化的优秀算法完成输出边界框的任务;第二阶段利用一阶段特征图上的信息精修边界框,以解决一阶段对输入信息利用不充分的问题;第三阶段利用了原始点的精确位置信息再次精修边界框,以弥补体素化带来的点云信息损失。在Waymo Open Dataset上,所提多阶段3D目标检测算法的检测精度超过了CenterPoint等受工业界青睐的优秀算法,且满足自动驾驶落地的时间要求。
机器视觉 3D目标检测 激光点云 多阶段 信息增强 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0415003
作者单位
摘要
1 贵州大学现代制造技术教育部重点实验室,贵州 贵阳 550025
2 重庆机电职业技术大学信息工程学院,重庆 402760
相比传统的三维重建方法,神经辐射场(NeRF)在隐式三维重建方面显示出了优异的性能,然而简单的多层感知机(MLP)模型在采样过程中缺乏局部信息,产生细节模糊的三维重建场景。为解决这一问题,提出一种基于MLP的多特征联合学习方法。首先,在NeRF嵌入层和采样层之间构造多特征联合学习(MFJL)模块,有效解码输入的多视图编码数据,补充MLP模型缺失的局部特征信息。然后,在NeRF采样层和推理层之间建立门控通道变换多层感知机(GCT-MLP)模块,学习高阶特征交互关系,并控制反馈给MLP层的信息流,实现对歧义特征的选择。实验结果表明:所提基于改进MLP的神经辐射场可以避免三维重建中的视图模糊和混叠现象;在Real Forward-Facing数据集部分场景上的平均峰值信噪比(PSNR)、结构相似度(SSIM)、学习感知图像块相似度(LPIPS)分别为28.08 dB、0.887、0.061;在Realistic Synthetic 360°数据集部分场景上的PSNR、SSIM、LPIPS分别为32.75 dB、0.960、0.026;在DTU数据集部分场景上的PSNR、SSIM、LPIPS分别为25.96 dB、0.807、0.208;与NeRF相比,具有更好的视图重建性能,并且在主观视觉效果上得到更加清晰的图像和细节纹理特征。
神经辐射场 多层感知机 联合学习 三维重建 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0415004
作者单位
摘要
中国计量大学计量测试工程学院,浙江 杭州 310018
为实现对流化床中目标颗粒空间位姿追踪测量,开发了一种基于单目视觉及彩色纹理编码球体的位姿测量系统。针对空间位置定位,建立了空间球体成像模型,并基于小孔平面成像模型及相机坐标转换模型,结合空间解析几何相关理论,分析了单目位置测量原理。考虑球体颗粒无法通过自身形状特征实现空间姿态测量,引入纹理特征,通过提取目标颗粒纹理,比较并建立其与合成库中已知方向图像之间的相似关系,实现空间姿态的测量。根据以上理论分析,搭建实验系统并进行了一系列实验。结果表明,位置测量综合误差率不大于0.5%,姿态测量误差不大于2°,验证了所提模型的有效性和可行性。
机器视觉 空间位姿 视觉模型 匹配算法 特征融合 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0415005
作者单位
摘要
1 华北电力大学控制与计算机工程学院,北京 102206
2 太仓中科信息技术研究院,江苏 太仓215400
3 中国科学院计算技术研究所,北京 100190
目前在零件模型上容易将低曲率圆柱面的局部区域识别为平面,并且只能做到一种图元的快速准确检测。基于此,提出一种能够同时对平面和圆柱面进行精确快速检测的面向点云数据的面图元快速检测方法。该方法分为粗识别和精化两阶段:首先,将点云划分为小粒度基片,计算基片特征,粗识别出平面基片或圆柱面基片;之后,根据过滤条件将圆柱面基片邻近的平面基片过滤,合并具有相同特征的基片得到完整平面和圆柱面。使用5个机械零件数据进行实验验证,并将其与目前流行的两种识别方法进行比较。结果表明,该方法不会出现其他两种方法存在的遗漏和错误识别现象,同时在多圆柱面相连时的准确分割以及曲面参数精度上,优于其他两种方法。
三维点云 图元检测 区域增长 机械零件 基片特征 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0415006
作者单位
摘要
1 宁波大学信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211
2 宁波大学医学院,浙江 宁波 315211
3 宁波市海曙区第二医院,浙江 宁波 315099
4 宁波大学附属第一医院,浙江 宁波 315000
在检测侧面脊柱关键点时,由于受到器官遮挡的影响,以往的热图回归方法难以区分不同椎骨上的关键点,容易出现关键点与对应椎骨的匹配错误。为了解决这个问题,提出了一个新的单阶段侧面脊柱关键点检测方法,该方法同时预测关键点热图和关键点匹配线索(椎骨中心热图和关键点offset),利用匹配线索建立关键点与对应椎骨的匹配关系。为了提升匹配效果,提出几何感知特征增强模块,通过提取关键点特征增强椎骨中心的特征表达。此外,利用加权损失函数缓解关键点热图和椎骨中心热图中正负样本比例失衡问题。实验结果表明,所提方法的平均检测误差为8.84,相较于性能第二的方法精度提升36%。
医用光学 关键点检测 卷积网络 可变形卷积 脊柱侧弯 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0417001
作者单位
摘要
天津大学微电子学院,天津 300072
胸部X光片可用于诊断多种胸部疾病。由于胸部疾病特征复杂多样,现有的胸部X光片疾病分类算法难以学习胸部疾病复杂的鉴别表征以及未关注不同疾病之间的相关性信息。针对以上问题,提出一种结合自注意力与卷积的疾病分类算法,该算法采用全维度动态卷积替换残差网络的标准卷积,从而提高网络对多尺度信息的特征提取能力。此外,在卷积神经网络中引入自注意力模块,可以提供捕获多种疾病之间相关性的全局感受野。最后,提出高效的双路注意力,使神经网络更加关注病灶区域、自动捕捉病变位置变化。在ChestX-ray14数据集上,对所提模型进行评估,实验结果表明:所提算法对14种胸部疾病的平均受试者工作特性曲线下的面积(AUC)达到0.839,检测结果与目前其他7种先进算法相比在准确率和效率上有所提升。
胸部X光片 全维度动态卷积 自注意力 双路注意力 疾病分类 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0417002
作者单位
摘要
常州工学院光电工程学院,江苏 常州 213032
非球面反射镜通常使用零位补偿器配合干涉仪进行面形检测,因此零位补偿器的加工和装配精度直接决定了检测结果的可靠性。提出一种具备良好通用性的基于计算全息片(CGH)的补偿器误差标定方法。以一块Φ856 mm、f/1.54的双曲面反射镜作为待测非球面镜,首先设计反射式CGH,运用光线追迹法得到CGH的相位函数,使其引入的球差与待测非球面主镜的法线像差相同,再由ZEMAX仿真计算验证该设计的正确性,并根据相位函数加工出主全息。在同一块玻璃基片上设计和加工对准全息带用于标定光路的调整。实验结果表明,所制作的CGH标定零位补偿器的精度达到λ/80。可见对于大口径、快焦比的凹非球面反射镜,所提方法仍然适用,因此可用于指导多数正轴非球面镜的零位补偿器标定。
零位补偿器 干涉检测 计算全息片 相位函数 光线追迹 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0422001
作者单位
摘要
西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 710021
针对太赫兹频率选择表面(FSS)单元结构复杂、参数繁多、优化耗时等问题,基于卷积神经网络(CNN)并结合遗传算法,提出一种FSS智能化融合设计方法,并将其应用于典型滤波FSS的性能优化设计。将FSS周期单元拓扑编码为16×16的“0/1”旋转对称序列,收集26000组0.5~3 THz的透反射光谱作为数据集,利用19层CNN实现光谱预测,对测试集的平均绝对误差低至0.06。利用预测光谱与目标光谱的差值,给出各类典型FSS设计的通用目标函数,结合遗传算法,设计实现了带宽为0.1 THz的单频带通和带阻FSS、带宽为0.5 THz的单频带通和带阻FSS、带宽为0.2 THz的双频带通FSS,且均具有良好极化稳定性。计算结果表明,通过优化设计FSS的拓扑编码,可以简洁高效地实现各类典型带通带阻FSS。
频率选择表面 拓扑编码 卷积神经网络 遗传算法 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0424001
作者单位
摘要
1 北京联合大学智慧城市学院,北京 100101
2 北京市信息服务工程重点实验室,北京 100101
非结构化道路中的无人驾驶精确定位大量使用基于激光雷达的simultaneous localization and mapping(SLAM)技术,解决因环境变化导致的预建地图匹配失败,进而引起定位丢失的问题一直是业内难题和热点研究方向之一。针对上述问题,提出一种利用激光雷达和惯性测量单元在normal distribution transform(NDT)定位基础上融合实时局部地图匹配的长周期鲁棒定位方法online location normal distributions transform(OL-NDT)。OL-NDT将NDT获得的定位信息作为测量信息因子输入因子图中优化实时构建的局部地图,并且在其全局定位丢失后采用实时局部地图进行定位。在MulRan数据集上进行定位精度测试,OL-NDT的累计误差占比为0.40%,较现有的传统定位方法降低了1.06个百分点,定位精度得到了有效提升,且在静态结构发生较大变化的场景下也可以精准定位。同时,利用在北京联合大学采集的校园数据验证了在短暂无地图情况下OL-NDT的定位轨迹精度与已知地图时完全匹配。
激光雷达 无人驾驶 长周期可靠定位 正态分布变换 因子图 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428001
作者单位
摘要
中国电子科技集团公司第十研究所航空电子信息系统技术重点实验室,四川 成都 610036
针对人工描述子在多模态匹配任务中辨识能力不足导致匹配效果不佳的问题,基于构造的累积结构特征图对多模态图像特征匹配方法的特征点提取、主方向分配和描述子构造等3方面进行扩展。在特征提取阶段,在不同尺度的累积结构特征图上提取混合特征点,兼顾特征点重复性和定位精度;在主方向分配阶段,采用累积结构特征和方向构造局部结构特征场提取特征点主方向,缓解特征点主方向估计容易出错的问题;在描述子构造阶段,对累积结构特征描述子进行L1距离归一化及开方操作替代L2距离归一化,提高描述子在特征匹配阶段的辨识能力。多模态匹配对比实验结果表明:相较于LHOPC、RIFT和HAPCG,所提方法在平均匹配正确点数目和平均匹配正确率等综合指标上明显占优;相较于CSF,所提方法平均正确率提升6.6%,平均匹配精度提升5.8%,表明其有效性。
多模态遥感图像 非线性辐射差异 累积结构特征 特征场 特征匹配 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428002
作者单位
摘要
1 中国计量大学机电工程学院,浙江 杭州 310018
2 浙江省安全工程与技术研究重点实验室,浙江 杭州 310012
3 遂昌县宏昌矿业开发有限公司,浙江 丽水 323300
针对基于测距的无线定位技术中位置解算算法精度不高、计算效率低的问题,提出一种基于Chan与改进麻雀搜索算法的协同定位算法。首先,将Chan算法运用于到达时间(TOA)定位模型估算位置初值;其次,采用SPM复合混沌映射初始化、黄金正弦策略、自适应权重因子、柯西-t扰动以及弹射边界处理改进麻雀搜索算法,有效提高算法的全局搜索能力和收敛精度;最后,在位置初值进行改进麻雀搜索算法迭代计算得到最终位置估计。仿真和实验结果表明,所提算法可提高无线定位精度和定位速度。
遥感 麻雀搜索算法 Chan算法 黄金正弦策略 自适应权重因子 到达时间 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428003
作者单位
摘要
昆明理工大学国土资源工程学院,云南 昆明 650093
高分辨率遥感影像建筑物提取是遥感影像解译的一个重要研究方向。针对传统提取方法中小型建筑物容易丢失和大型建筑物边界模糊问题,以Unet为基础,提出一种基于多模块建筑物提取网络(MM-Unet)。首先在网络的编码和解码部分引入多尺度特征组合模块(MFCM)以获取并补充更多的空间信息。之后在解码器末端加入多尺度特征增强模块(MFEF)以增强多尺度特征的提取。在跳跃连接完成后引入双重注意力模块(DAM),使网络能够自适应地学习通道和空间位置的特征重要性,减小不同深度特征的差异。为了验证所提网络的有效性,分别在空间分辨率为1 m、0.3 m、0.09 m的Massachusetts、WHU以及Vaihingen建筑物数据集上进行实验,MM-Unet的交并比分别达到73.42%、90.11%和85.21%,相比于Unet分别提高2.21个百分点、1.25个百分点和1.55个百分点。结果表明,MM-Unet对于不同尺度的建筑物表现出较高的提取精度和较强的泛化能力。
遥感影像 建筑物提取 多尺度 注意力机制 特征组合 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428004
作者单位
摘要
1 重庆邮电大学计算机科学与技术学院重庆空间大数据智能技术工程研究中心,重庆 400065
2 昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500
高分辨率无人机遥感图像具有极为丰富的语义和地物特征,在语义分割中容易出现目标分割不全、边缘信息缺失、分割精度不足等问题。为了解决上述问题,基于DeepLabV3_plus模型提出改进的DeepLabV3_DHC。首先,利用多种主干网络进行下采样,采集图像的低级特征和高级特征。其次,将原模型的atrous spatial pyramid pooling(ASPP)全部替换成深度可分离混合空洞卷积,同时添加自适应系数,减弱网格效应。之后,抛弃传统上采样的双线性插值法,替换为可学习的密集上采样卷积。最后,在低级特征中串联注意机制。选用多种主干网络进行实验,数据集选用四川省隆昌市地区的部分图像,采用平均交并比和类别平均像素准确率作为评价指标。实验结果表明:所提方法不仅具有较高的分割精度,而且减少了计算量和参数量。
城市无人机遥感图像 语义分割 深度可分离混合空洞卷积 密集上采样 注意力机制 网格效应 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428005
作者单位
摘要
中国民航大学空中交通管理学院,天津 300300
尾流是飞机飞行时的必然产物,对航空安全有重大威胁,还限制着航空效率和容量的提升,飞机尾流涡核的精准辨识是动态缩减尾流间隔的前提,目前晴空尾涡探测的主要工具是相干多普勒激光雷达(CDL)。针对使用激光雷达进行飞机尾流探测中受限于雷达时空分辨率和背景风场的影响导致的识别和反演尾流关键参数误差较大这一问题,提出一种在激光雷达探测数据基础上基于贝叶斯网络(BN)和均方误差(MSE)构建的尾涡参数反演模型。搭建大气背景风和湍流环境,并将其叠加到模拟的尾涡速度场上,得到用于训练模型的仿真数据集。实验结果表明:所提算法能够得到误差较小的参数反演结果(仿真算例中涡核位置偏差在2 m以内,环量偏差在5%以内);在实际算例中,所提算法与传统算法相比,反演速度场均方误差显著降低(平均超过50%)。本研究可用于机场实时尾涡监测,对尾涡间隔标准制定有重要意义。
激光雷达 航空安全 飞机尾涡 贝叶斯网络 尾涡特征参数反演模型 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428006
陈果 1,2胡立坤 1,2,*
作者单位
摘要
1 广西大学电气工程学院,广西 南宁 530004
2 广西大学先进测控与智能电力研究中心,广西 南宁 530004
现有的U-Net虽然为遥感图像道路提取提供了较为理想的解决方案,但由于其缺乏对全局信息的关注,模型对于上下文信息的提取能力不足。为了进一步提高道路提取的准确度与完整度,提出一种结合上下文信息与多层特征融合的context&multilayer features-UNet(CMF-UNet),该模型利用金字塔特征聚合模块融合多层特征,并引入多尺度上下文信息提取模块用于加强上下文信息捕获能力。在Massachusetts Roads和CHN6-CUG两个数据集上进行实验验证,结果表明,所提方法能够有效提升道路分割精度,相较于原U-Net,CMF-UNet在Massachusetts Roads数据集上的召回率、F1 分数和交并比分别提升了5.77个百分点、2.02个百分点和2.62个百分点,在CHN6-CUG数据集上的召回率、F1分数和交并比分别提升6.47个百分点、1.53个百分点和2.04个百分点。
图像处理 U-Net模型 多尺度上下文 注意力机制 条带池化 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428007
作者单位
摘要
杭州电子科技大学自动化学院,浙江 杭州 310018
针对基于卷积自编码进行空-谱联合的高光谱解混方法中,过度引入像元光谱之间的空间相关性导致丰度过于平滑的现象,提出一种结合注意力机制的双流卷积自编码高光谱解混方法(DSCU-Net)。首先,利用双流卷积网络分别提取高光谱图像的空间特征和光谱特征;其次,为了确保空间特征和光谱特征之间的平衡性,引入通道注意力机制对提取到的空间特征进行重加权,并对光谱特征和重加权后的空间特征进行融合;最后,使用融合后的特征进行高光谱图像重构,并将重构结果送入解混网络的主干网络中进行光谱解混。通过最小化两次重构误差进行解混网络的训练。为了验证所提方法的性能,在两个真实数据集上进行实验,并对复杂场景下算法的性能表现进行分析。结果表明,DSCU-Net能够有效减少过度引入空间相关性造成丰度过于平滑的现象,具有更好的解混性能。
遥感 高光谱解混 卷积自编码器 通道注意力机制 双流结构 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428008
作者单位
摘要
1 中国科学院空天信息创新研究院,北京 100190
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院,北京 100049
飞机掩体是关键的飞机防护工事,利用遥感影像实现飞机掩体的快速准确检测有重要意义。为探究遥感影像飞机掩体检测方法,收集了60个包含飞机掩体的机场信息及Google Earth影像,构建了一个飞机掩体高分辨率遥感影像数据集。对比Faster R-CNN、SSD、RetinaNet、YOLOv3和YOLOX等5个深度学习目标检测模型的综合性能,结果表明,在飞机掩体影像数据集上YOLOX模型表现更佳,平均精度可达97.7%,但水平框的检测结果无法获得飞机掩体的精确边界和朝向。为此,对YOLOX模型进行改进,提出针对不同朝向下的飞机掩体检测新方法R-YOLOX,实现对飞机掩体的旋转检测,旋转预测框更加贴合目标轮廓,采用KL 散度损失改进后的模型精度显著提升,准确率提升了7.24个百分点,对飞机掩体具有更好的检测效果。从水平框和旋转框这2个角度都能实现飞机掩体的准确检测,为高分辨率遥感影像中飞机掩体的准确识别提供了新思路。
遥感 目标检测 深度学习 遥感影像 旋转框 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428009
陈凯翔 1,2,4刘冉 1,2,4,*赵宾 3肖宇峰 1,2,4[ ... ]邓天睿 1,2,4
作者单位
摘要
1 西南科技大学信息工程学院,四川 绵阳 621000
2 中国船舶航海保障技术实验室,天津 300131
3 天津航海仪器研究所,天津 300131
4 特殊环境机器人技术四川省重点实验室,四川 绵阳 621000
轮式里程计在复杂不平的地形和光滑的地面上性能较差,传统的激光扫描匹配方法并不总是正确地建立点云之间的对应关系,容易出现点与点之间的异常关联,导致定位精度较差。针对这一问题,提出一种基于方向端点的激光扫描匹配方法。首先,从环境中提取直线端点作为特征点,通过端点间的特征匹配得到相邻时刻移动机器人的相对位姿关系。基于端点的匹配方法在特征点较少时有可能会产生误匹配,为进一步提高匹配精度,利用端点的方向剔除误匹配的特征点。在此基础之上,利用迭代最近邻法进一步优化方向端点的匹配结果,得到更加精准的移动机器人位姿。实验结果表明,所提方法在7 m×7 m的室内光滑地面环境中,能够达到0.12 m的平均定位误差以及1.18°的平均角度误差,与传统的激光扫描匹配方法相比精度更高。
移动机器人定位 激光扫描匹配 特征匹配 激光里程计 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428010
作者单位
摘要
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室,上海 200083
2 上海科技大学信息科学与技术学院,上海 201210
对于单光子测距雷达系统而言,发射激光脉冲瞬间和近场强后向散射带来的强背景光噪声信号均会导致光电倍增管产生强光感生噪声(SIN),严重影响后续目标的探测。为精确标定单光子量级的SIN,基于自主研制的单光子测距回波模拟器和固定脉宽为10 ns的脉冲激光器搭建了一套完备的SIN检测与评估平台。测量了不同能量的强背景光条件下的SIN,并使用相关经验公式对噪声进行了拟合。结合实际测距雷达系统,为满足百公里级测距目标反演的信噪比要求,应控制到达探测器处近场强背景光能量小于100 pJ。该研究为单光子测距激光雷达系统的性能评估提供了重要参考。
遥感与传感器 单光子测距 强光感生噪声 光电倍增管 回波模拟器 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428011
作者单位
摘要
航天东方红卫星有限公司,北京 100094
光学遥感图像广泛应用于天气预报、环境监测和海洋监管等领域。光学传感器拍摄的图像受大气条件和气候因素影响较大,云雾遮挡可导致图像内容丢失、对比度下降和颜色失真等一系列问题。基于此,提出一种基于融合和细化机制的光学遥感图像去云雾算法,实现高质量的单张遥感图像云雾去除。云雾去除网络基于融合和细化机制实现含云雾图与无云雾图的转换。其中,采用融合机制的多尺度云雾特征融合金字塔在不同尺度空间上提取云雾特征并进行融合,采用细化机制的多尺度云雾边缘特征细化单元对云雾的边缘特征进行细化加工,进而重构出清晰的无云图像。采用对抗学习策略,判别网络对特征进行自适应校正并将云雾特征分离出来,从而得到更准确的判别结果,有利于网络生成逼真的云雾去除结果。在开源数据集上选取5种算法进行对比实验,实验结果表明,所提算法云雾去除效果较优,没有产生颜色失真和伪影等现象。在薄云测试集上,所提算法的结构相似性(SSIM)和峰值信噪比(PSNR)分别超过第二名约11.9%和15.0%,在厚云测试集上,所提算法的SSIM和PSNR分别超过第二名约9.3%和9.9%。
光学遥感 云雾去除 图像融合 图像细化 对抗学习 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428012
作者单位
摘要
山东科技大学测绘与空间信息学院,山东 青岛 266590
云的存在影响卫星数据的使用,因此准确高效的云检测在遥感图像目标识别和参数定量反演中具有重要作用。针对亮地表、薄碎云及云边界等难以识别、不同尺度特征的云检测精度不稳定等问题,对短期时序数据进行线性回归计算,将前后时序数据的表观反射率斜率变化趋势作为输入特征。为充分挖掘不同尺度的信息,采用具有密集跳跃结构和深监督结构的UNet++模型进行云检测研究。与单时相数据集的U-Net、SegNet和UNet++相比,所提方法可以更有效地突出多尺度特征,增加对亮地表、云边缘和薄云信息的敏感度。结果表明,所提方法在云检测方面得到较高的精度,总体精度达98.21%,误检率降低至1.07%,漏检率降低至3.12%。所提方法能有效降低裸地、道路、建筑物、冰雪等亮地表对云识别的干扰,提升了对薄云的识别精度,且适用于不同下垫面的遥感影像。
云检测;深度学习;时序数据;线性回归分析;语义分割 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428013
作者单位
摘要
1 南京航空航天大学空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室,江苏 南京 211106
2 南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏 南京 211106
伪装目标与背景的综合相似度能够衡量伪装目标与周围背景之间的特征差异,综合相似度越高,目标与背景的融合程度越高,目标伪装效能越高。组合使用目标及背景图像的亮度、颜色、纹理、形状、尺寸、结构、直方图等7个典型特征来表征目标伪装特性,采用与其相应的相似度量法得到各个特征相似度,采用熵权法客观确定不同特征指标权重,线性加权得到伪装目标与背景的综合相似度,从而获得量化的目标伪装效能评估结果。不同背景、不同侦察距离、不同目标姿态下的多组实验表明:所提伪装目标与背景的综合相似度具有与目标发现概率一致性、与探测距离一致性、背景鲁棒性,证明了所提方法的正确性和有效性;并通过对比实验验证了该方法的可靠性。
伪装效能评估 综合相似度 可见光谱段 伪装目标 熵权法 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0430001
作者单位
摘要
昆明理工大学国土资源工程学院,云南 昆明 650093
针对红外与可见光图像融合过程中细节信息丢失过多、融合结果纹理不清晰、对比度不高等问题,提出一种基于图像增强和二次非下采样轮廓波变换(NSCT)分解的红外与可见光图像融合方法。首先,对可见光图像采用基于引导滤波的图像增强算法提升图像可视性。其次,对增强后的可见光图像和红外图像分别进行NSCT分解得到低频子带和高频子带,并且在不同子带间使用不同的融合规则,得出一次融合图像的NSCT系数。然后,对一次融合图像的NSCT系数重构再分解为高频子带和低频子带并分别与可见光图像的高低频子带融合得到二次融合图像的NSCT系数。最后,对二次融合图像的NSCT系数进行逆变换重构得到最终的融合图像。利用公共数据集进行大量试验,使用8种评估指标,与8种基于多尺度的融合方法对比。实验结果表明:所提方法能保留更多源图像中的细节信息,还能提高融合结果的边缘轮廓清晰度、整体对比度,在主观视觉和评价指标上都存在优势。
图像融合 引导滤波 高频子带 低频子带 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437001
作者单位
摘要
天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072
现如今,短视频事件检测展现出广阔的应用前景。现有的事件检测研究普遍缺乏对关键帧重要性程度的考虑,且多是针对事件的显性语义进行学习,忽略了潜在语义及其相关性的学习在短视频事件检测中的作用。针对上述问题,提出了一种基于深度动态语义关联的短视频事件检测方法。首先,设计了帧重要性评估模块来获得具有区分度的帧重要性分数,其内嵌的变分自编码器和生成对抗网络联合结构可以最大程度地强化帧重要性信息;其次,设计了帧间自注意力增强模块,进一步协同帧间的重要性分数与其特征内在关联性的学习;最后,设计了动态图卷积下的隐藏属性关联学习模块来学习复杂事件的隐藏属性及事件之间的关联性,最终获得具有潜在语义信息感知的短视频检测系统并将其用于最终的短视频事件检测。在公开数据集和新构建数据集上进行了实验,实验结果表明了所提方法的有效性。
短视频 语义关联 特征表示 图卷积 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437002
李勇 1,2吴海波 1,2,*李万 1,2李东泽 1,2
作者单位
摘要
1 昆明理工大学机电工程学院,云南 昆明 650500
2 云南省先进装备智能制造技术重点实验室,云南 昆明 650500
针对传统视觉同步定位和映射(SLAM)系统在动态环境中鲁棒性和定位精度低等问题,基于ORB-SLAM2算法框架,提出一种在室内动态环境中运行稳健的视觉SLAM算法。首先,语义分割线程采用改进的轻量化语义分割网络YOLOv5获得动态对象的语义掩码,并通过语义掩码选择ORB特征点,同时,几何线程通过加权几何约束的方法检测动态对象的运动状态信息。然后,提出一种给语义静态特征点赋予权值,并对相机的位姿和特征点的权值进行局部光束平差法(BA)联合优化的算法,有效地减少动态特征点的影响。最后,在TUM数据集和真实的室内动态场景中进行实验,结果表明,与改进之前的ORB-SLAM2算法相比,所提算法有效地提高了系统在高动态数据集中的定位精度,并且绝对轨迹误差和相对轨迹误差的均方根误差(RMSE)分别提升了96.10%和92.06%以上。
视觉SLAM 动态环境 加权几何约束 语义掩码 BA联合优化 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437003
作者单位
摘要
中国民航大学机器人研究所,天津 300300
民航自助行李托运系统需自动检测行李加装托盘的情况。针对已装载行李的遮挡托盘目标检测问题,提出一种基于多层骨架模型的行李托盘快速检测算法。为准确描述托盘特征,通过空托盘的三维点云模型,构建托盘的边框骨架模型与平面点线模型。在线检测时,首先,采用设计的带状特征描述和提取方法,抓取托盘边框点云,并采用提出的点线引力势能自适应迭代算法,实现平面点线模型的快速粗配准,完成托盘判别。然后,在粗配准的位姿约束下,采用基于随机采样一致性的点云迭代最近点配准,实现边框骨架模型和点云模型的精确配准,得到托盘的精确位姿。大量实际行李托盘检测的对比试验验证了算法的有效性,在托盘遮挡70%以内时,仍可保持94%的正确率,检测速度超过典型算法的6倍以上。
图像处理 三维目标检测 行李托盘 骨架模型 点云配准 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437004
作者单位
摘要
北京理工大学光电学院,北京 100081
煤矸石快速精准的识别对提升煤炭产能有着极大的影响,而现有的煤矸识别分选方法在分选设备、准确率以及效率上尚有不足。提出了一种基于深度学习的激光雷达双通道伪彩图像煤矸识别方法。首先,基于激光雷达距离通道信息,设定高度阈值去除目标矿石以外的干扰信息;其次,对原始点云数据降维投影,以快速获得煤矸反射强度信息和表面纹理特征;然后,对降维处理后的强度通道与距离通道进行融合,构建煤矸双通道伪彩图像数据集;在此基础上,针对伪彩数据集对经典稠密连接网络(DenseNet-121)进行优化,利用优化后的DenseNet-40网络进行模型训练及测试,测试结果表明:该模型对煤矸的识别率达94.56%,证明激光雷达采集的双通道伪彩图像在矿石识别领域具有科研和工程应用价值。
煤矸识别 激光雷达 双通道图像 深度学习 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437005
作者单位
摘要
1 西安建筑科技大学信息与控制工程学院,陕西 西安 710055
2 陕西省文物保护研究院,陕西 西安 710075
3 西安博物院,陕西 西安 710074
针对传统城墙病害检测采用人工勘测方法,检测效率较低且易受到主观因素干扰等问题,提出一种基于卷积神经网络的城墙多光谱成像病害无损检测方法,利用最小噪声分离方法对城墙多光谱成像数据进行预处理,降低数据维度的同时保留原始数据特征,减少数据噪声;为解决城墙不同病害类型的像素混杂多样造成分类准确率较低的问题,利用卷积操作对城墙病害进行特征提取,保留最重要的特征并去除无关特征,稀疏网络模型;通过全连接层对提取到的特征进行整合梳理和分类,并加入两次dropout防止过拟合问题的出现。最后在城墙多光谱数据集上,使用训练后的卷积神经网络分类模型对城墙病害进行像素级分类检测,并将预测结果进行可视化展示。实验结果表明:总体精度和Kappa系数分别为93.28%和0.91,表明所提方法是有效的,该方法对提高城墙病害检测准确率、掌握城墙病害分布具有重要意义。
光谱学 卷积神经网络 多光谱成像 像素级分类 城墙病害 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437006
作者单位
摘要
中国人民公安大学侦查学院,北京 100038
运动模糊图像点扩散函数(PSF)的精确估算是模糊图像复原的关键。为了提高PSF参数估计的准确性,消除频谱图中央亮线对模糊角度估计的干扰,提出一种运用窗函数来提高PSF参数估计精度的方法。对运动模糊图像进行二维离散傅里叶变换和对数运算,计算图像的功率频谱图,对频谱图像添加窗函数Hanning,对处理后的图像进行中值滤波平滑处理和二值变换处理,再结合形态学算法和Canny算子边缘检测对频谱图进行优化,最后通过Radon变换,得到模糊方向。根据模糊方向结果,在模糊角度方向上对运动模糊图像的频谱图进行Radon变换,分析负峰值之间的距离,得到暗条纹间距,根据暗条纹间距与模糊长度之间的关系,求出模糊长度,从而完成两个点扩散函数参数的估算。结果显示,与现有算法相比,所提算法提高了参数估计的精度,复原时产生的振铃和伪影现象减少,充分利用图像信息的同时操作简便。
窗函数 运动模糊图像 图像复原 点扩散函数 参数估计 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437007
王悦 1,2,3范慧杰 1,2,*刘世本 1,2,3唐延东 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,辽宁 沈阳 110016
2 中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁 沈阳 110016
3 中国科学院大学,北京 100049
由于水体对光的吸收和散射作用,水下图像普遍存在颜色失真和细节模糊这两种退化问题。为了得到色彩鲜明、细节清晰的水下图像,提出了一个基于多尺度注意力和对比学习的水下图像增强算法模型。该模型采用编码-解码结构作为基础框架,为了提取到更细粒度的特征,在编码部分设计了一个多尺度通道像素注意力模块,利用3个并行支路提取图像中不同层次的特征,然后将3条支路提取的特征进行融合输入到下一层编码器以及对应的解码层,提高网络特征提取以及细节增强的能力。最后,为了进一步提高增强图像的质量,引入对比学习训练网络。大量实验证明,本文算法增强后的图像色彩鲜明且细节信息保留较好。峰值信噪比和结构相似性指标的平均值最高可达到25.46和0.8946,与其他方法相比至少提高了4.4%和2.8%;水下彩色图像质量指标和信息熵的平均值最高为0.5802和7.6668,与其他方法相比均至少提高了2%;特征点匹配平均比原始图像多24个。
图像增强 注意力 多尺度 对比学习 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437008
作者单位
摘要
苏州科技大学电子与信息工程学院,江苏 苏州 215009
为进一步提升高动态范围图像在普通显示器上的呈现效果,提出了一种基于改进拉普拉斯金字塔的高动态范围图像色调映射算法。该算法将预处理后的图像分解为高频层和低频层,分别输入2个特征提取子网络,将2个包含不同特征的输出图像融合后再输入微调网络,最终得到感知效果优越的低动态范围图像。此外,该算法设计了自适应分组卷积模块以增强子网络提取局部和全局特征的能力。测试结果表明:与现有的先进算法相比,所提算法可以更好地压缩高动态范围图像的亮度,保留更多图像细节,拥有更加优越的客观质量指标和主观感知效果。
图像处理 高动态范围图像 色调映射 拉普拉斯金字塔 深度学习 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437009
作者单位
摘要
杭州电子科技大学自动化学院,浙江 杭州 310018
近年来,随着深度学习的发展,基于深度学习的特征提取方法在高光谱图像领域表现出良好的发展前景。提出了一种引入注意力机制的多尺度高光谱图像特征提取方法,包括光谱特征提取网络和空间特征提取网络两个部分,并使用一种得分融合策略进行融合。在光谱特征提取网络中,引入注意力机制来缓解因光谱维数过高导致的梯度消失问题,以提取多尺度的光谱特征。在空间特征提取网络中,引入注意力机制作用于网络主干,使其关注邻域内的重要部分,帮助分支网络提取关键信息。将5种光谱特征提取方法、3种空间特征提取方法以及3种空间-光谱联合特征提取方法在3个数据集上进行对比实验,实验结果表明,所提方法能够稳定、有效地提升高光谱图像的分类准确率。
高光谱图像 长短期记忆网络 注意力机制 特征提取 深度学习 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437010

投稿通道

 

 

优秀论文

MORE

联系方式

稿件处理:张雁/朱恩旭/李雅新,021-69918427

样刊寄送:阮依超,021-69918416,clp_fx@siom.ac.cn

发票&稿费:徐红玲,021-69918253