海洋生物全息图自动再现关键技术的研究

摘要

数字全息技术已逐渐成为海洋浮游生物及无机粒子研究与分析的重要工具之一，利用数字全息技术制作的电子全息相机可以非介入式和无破坏性地拍摄自然状态下的海洋生物和无机粒子，可以为研究它们的科学家提供宝贵的三维立体资料。但拍摄回来的全息视频容量一般较大，靠人工的方式得不到及时处理，进而延误了科学家对海洋生物及粒子的研究。要想快速处理这样庞大的数据，首要解决的是单幅全息图的快速自动再现(又称重建)。自动再现即计算机依据极值搜索策略，通过不断判定再现像聚焦评价函数值，自动确定最佳再现距离以获得清晰再现像的过程。另外，由于电子全息相机自身光学元件的影响，全息视频常常含有较严重的斜条纹噪声。斜条纹噪声的存在严重影响了全息图再现像的质量，给后期目标提取等操作造成很大的困扰，还会对再现像聚焦评价函数的评价效果造成一定的影响，进而影响到全息图自动再现的实现。综上，研究一套快速自动再现全息图的方法对快速处理海量全息视频具有十分重要的意义，间接促进海洋生物科学和海洋环境科学的发展。
　　本论文以进一步提高全息图自动再现速度为目的，对海洋生物全息图再现算法、抑制斜条纹噪声的方法、聚焦评价函数及极值搜索策略等影响快速自动再现的关键技术进行深入的研究和分析，提出相应的解决办法，并对具有代表性的实拍同轴海洋浮游生物全息图进行了测试，以期实现海洋生物全息图的快速自动再现。创新工作如下：
　　1.针对全息图自动再现中影响聚焦评价函数工作的因素——斜条纹噪声，进行现有条纹噪声抑制方法的研究及斜条纹噪声的频域特性分析，提出一种复合斜条纹噪声抑制方法。为准确定位周期斜条纹噪声的频率位置，提出了拟合函数与阈值相结合的频域定位方法；为更好地抑制周期斜条纹噪声而不对有用信息造成损失，提出利用带有补偿的高斯陷波滤波器进行周期斜条纹噪声的抑制；为有效地抑制非周期斜条纹噪声，提出利用局部陷波滤波器进行抑制。对提出的方法进行实验测试，结果表明提出的方法可以有效地抑制海洋生物全息图的斜条纹噪声。
　　2.针对影响全息图快速自动再现的关键因素之一——聚焦评价函数，对现有常用聚焦评价函数进行深入的研究、分析和总结，提出四种基于局部方差/标准差分布的聚焦评价函数。为提高聚焦评价函数的鲁棒性，采用局部方差/标准差分布替代梯度提取图像边缘特征。为证明新聚焦评价函数的有效性，在多幅具有代表性的海洋生物全息图上进行了测试，首先对提出的四种聚焦评价函数各自适用范围和优劣进行了对比，然后选择其中鲁棒性最好的新聚焦评价函数与其它几种现有聚焦评价函数进行了对比。结果表明，与其它方法相比，提出的基于局部标准差分布的聚焦评价函数对所有测试的全息图均具有较好的评价效果。
　　3.针对影响全息图快速自动再现的关键因素之一——极值搜索策略，存在的起点敏感和搜索速度慢的问题，先对现有常用极值搜索策略进行了研究，后对其中两种极值搜索策略(模型搜索策略和五点搜索策略)进行单独探讨，在此基础上提出一种五点模型极值搜索策略。为改善五点搜索模型的冗余搜索及起点敏感问题，建立聚焦评价函数曲线三点形态模型和提出斜率判定法；为提高搜索策略的鲁棒性加入一些防干扰条件；为保证搜索精度，以全息图焦深为搜索结束条件。另外，在对离轴数字全息图焦深计算方法研究的基础上，给出同轴数字全息图焦深的计算方法。实验结果表明，提出的极值搜索策略具有较好的搜索性能力和鲁棒性，能有效改善快速自动再现中的极值搜索问题。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景、意义及目的

1.2 课题研究的国内外研究现状

1.3 主要研究内容及章节安排

第2章 数字全息技术基础理论及常用再现算法分析

2.1 引言

2.2 光波的复函数表示

2.3 标量衍射理论

2.4 数字全息再现

2.5 三种方法分析与比较

2.6 本章小结

第3章 海洋微生物全息图预处理——斜条纹噪声抑制

3.1 引言

3.2 常用水平或垂直条纹噪声的抑制方法

3.3 海洋生物全息图斜条纹噪声的频域分析

3.4 复合斜条纹噪声抑制方法

3.5 斜条纹噪声抑制方法的评价指标与实验结果及分析

3.6 本章小结

第4章 海洋生物全息图自动再现中聚焦评价函数研究

4.1 引言

4.2 常用的聚焦评价函数

4.3 基于局部方差分布的聚焦评价函数

4.4 实验及结果分析

4.5 本章小结

第5章 海洋生物全息图再现中极值搜索策略研究

5.1 引言

5.2 经典的搜索策略

5.3 五点模型搜索策略的提出

5.4 五点模型搜索策略的实验仿真与结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢