基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统设计
这是一篇关于大视场,高分辨率,阵列相机,FPGA,图像采集存储的论文, 主要内容为随着图像采集设备与图像处理技术的发展,国防安全、航空航天、安防监控等应用领域对获取的图像提出了更高的要求,需要图像拥有较大视场的同时具有较高的分辨率。受限于传统成像系统中大视场和高分辨率相互制约的矛盾,一般的相机系统随着视场角的增大,采集到的图像分辨率会下降,无法保证图像细节。因此,研究一种能够同时获取大视场高分辨的成像系统具有重要的研究意义。近年来使用多个相机组成阵列相机系统采集图像成为其中一种研究方向,在保证图像具有大视场的同时也兼顾了图像的高分辨率。目前该类系统存在系统成本高、开发难度大、不利于后期升级维护、系统扩展性低等问题。针对这些问题,本文结合上位机软件和硬件电路系统的特点,设计了一套图像采集系统,硬件部分具体包括1路全局相机和55路子相机。全局相机用于获取大视场的图像,显示分辨率为4000×3000@20fps;子相机覆盖全局相机视场,获取图像细节,显示分辨率为1920×1080@10fps。系统采用上位机和Xilinx公司的FPGA控制,实现图像数据的采集传输、显示、存储下载等功能。本文的主要研究工作如下。(1)分析了阵列相机系统的实现功能,确定本文系统的整体架构和设计方案。方案将整个系统分5级硬件子系统,并将图像采集、传输、存储、缓存等功能划分至不同的子系统。数据交互系统完成指令接收转发以及数据缓存;全局相机处理系统完成指令转发、全局相机数据缓存;全局相机系统完成全局相机数据采集传输;子相机处理系统完成子相机数据采集传输,根据指令实现不同功能;存储系统完成子相机数据的存储下载。(2)完成了各级硬件子系统的电路设计。包括确定各子系统间的接口协议,完成器件选型、原理图和PCB设计等主要工作,最终得到数据交互电路板、相机数据处理板、全局相机CMOS电路板、子相机CMOS电路板、全局相机处理板、存储电路板6类硬件电路板。(3)完成了硬件系统中FPGA逻辑设计实现。使用Verilog HDL语言进行FPGA开发,主要逻辑设计包括PCIe通信、指令的接收转发机制、GTP传输、DDR3缓存管理、AXI4读写协议、SERDES高速传输、同步串口收发、相机CMOS配置、相机数据接收、存储下载实现、e MMC初始化和数据传输等。(4)完成了各级硬件子系统的测试以及系统整体测试。包括硬件电路板上电测试、验证逻辑功能、对系统整体功能进行测试。通过对测试结果、FPGA消耗的资源进行分析,总结系统存在的问题,提出系统的改进优化方案。本文设计的广域高分辨率系统能够实现1路全局相机和4路子相机显示,同时支持对55路子相机的图像数据存储,具有优秀的图像处理性能、良好的扩展性、硬件成本低、便于升级维护等特点,能够实际应用在对大视场、高分辨率有迫切需求的场景下,例如公共安防、广域监控等。本文系统在大视场的基础上进行分区域管理,能够对不同区域进行图像细节放大处理,在原理上为阵列相机的研发提供了参考,具有实际的理论意义。
基于深度学习的高分辨率光声成像研究
这是一篇关于光声成像,深度学习,图像重建,高分辨率的论文, 主要内容为光声成像兼具高光学成像对比度和高超声成像分辨率的优势,已成为目前流行的生物医学成像方式之一,在乳腺癌早期诊断、心血管易损斑块检测等医学研究领域得到了广泛应用。光声成像技术可分为三类:光声层析成像技术(Photoacoustic Computed Tomography,PACT)、光声显微成像技术(Photoacoustic Microscopy,PAM)和光声内窥成像技术(Photoacoustic Endoscopy,PAE)。其中,PAM又可细分为声学分辨率光声显微镜(Acoustic Resolution PAM,AR-PAM)和光学分辨率光声显微镜(Optical Resolution PAM,OR-PAM)。对于任何光声成像技术来说,高速、大深度和高分辨率始终是成像系统追求的目标,但在实际系统研发中却很难实现三者的平衡。PACT具有大深度和大视场成像能力,但在多路复用技术下,数据采集速度慢且需要反演重建。稀疏采样PACT(Sparse-sampling PACT,SS-PACT)的出现解决了传统PACT采集速度慢的问题,但SS-PACT原始采集数据稀疏,反演后的图像质量差、对比度分辨率低。PAM在分辨率和深度方面无法平衡:OR-PAM成像分辨率高,但成像深度仅一毫米左右;AR-PAM成像深度可达厘米级,但高分辨率成像范围仅局限在聚焦区域内。针对SS-PACT及AR-PAM无法实现大深度、高分辨率成像问题,本文基于深度学习(Deep Learning,DL)探索了合理的解决方案,促进了光声成像技术在各个生物医学领域的深入应用。具体研究内容如下:(1)基于DL实现SS-PACT的高分辨率成像。本文基于改进层次的U-Net方法开展了人手血管和大鼠背部血管的SS-PACT活体成像,实现了SS-PACT低分辨率图像的高分辨率重建,提升了成像质量。同时将DL重建结果和先进的压缩感知模型进行了对比分析。比较发现,DL方法能够显著提高图像的对比度分辨率和重建速度,但在较高的稀疏采样率下,压缩感知方法表现出更高的重建精度。该项工作能够根据实际任务背景为大深度、高分辨率的光声成像提供不同的重建方案,有助于拓展PACT技术的应用广度。(2)提出两阶段DL模型,用于拓展AR-PAM的高分辨率成像深度。AR-PAM成像深度可达厘米级,但当成像组织偏离聚焦区时,成像分辨率就会急剧下降。针对上述问题,本文创新性地提出了一种两阶段带有注意力机制的残差网络模型。该方法可以根据成像组织离焦程度的不同,分阶段地重建出高分辨率在焦图像。本文在仿体和活体大鼠上开展了成像实验,重建结果证明了所提出方法的优良性能。此外,为了提升网络对多尺寸血管的重建能力,本文继续改进了网络结构,在上述模型上加入了多尺度特征提取模块。实验证明,改进后的模型获得了更加精准的重建效果,更有效地提高了AR-PAM的深层成像能力。(3)设计混合卷积网络模型,实现基于原始采集数据的SS-PACT高分辨率直接重建。目前针对SS-PACT的高分辨率重建大多是对反演图像的后处理,重建质量受限于传统反演算法的性能。因此,本文提出了一种带有残差及Inception块的一维、二维混合卷积DL模型,实现了基于原始采集数据的SS-PACT高分辨率直接重建。实验结果证明了本文方法的优越性,相比于传统后处理方式,混合卷积模型能够更加有效地提高SS-PACT的成像质量。本文探索了基于DL的PACT和AR-PAM大深度、高分辨率成像方法,解决了成像局限问题,使得光声技术能够适用于更多的临床及应用需求,为各种生物医学研究提供高性能的成像方法。
基于MRF模型的高分辨率SAR图像道路自动提取
这是一篇关于道路自动提取,MRF模型,高分辨率,SAR图像,POTDF滤波的论文, 主要内容为道路作为现代交通系统中重要的组成部分,在车载导航、城市规划、电商物流以及抢险救灾中都发挥着重要作用,如何快速实现道路信息的更新是一个迫切需要解决的问题。随着遥感技术的发展,从卫星图像中自动提取道路是摄影测量和遥感领域的重要研究方向。SAR作为一种主动式工作的传感器,能克服光学传感器易受天气和黑夜影响的缺点,从SAR图像中提取道路是光学影像的合适补充或替代。本文通过对高分辨率SAR图像道路自动提取的研究现状进行分析,指出存在图像相干斑噪声滤除效果不佳、线特征检测算子普适性不高、线基元提取存在漏检和虚警过高等问题。因此,本文从图像的降噪、边缘线特征检测、线基元提取和最优道路解四个方面进行深入研究。(1)针对SAR图像相干斑噪声影响道路边缘线特征提取的问题,本文通过实验对空域的Lee、Frost滤波和频域的两阶段POTDF滤波算法进行了对比分析,结果表明在高分辨率SAR图像预处理阶段,采用频域的两阶段POTDF滤波可以在降低了斑点噪声的同时最大限度的保留道路的边缘信息。(2)线特征的提取是道路自动提取至关重要的一步,它直接决定道路自动提取结果的精度。通过理论分析和实验对比的方式比较了 RLD-CCLD、I-ROEWA、W-RLD三种道路线特征检测算子的精度,结果表明I-ROEWA边缘检测算子具有更好的普适性。(3)针对传统Hough变换和Radon变换提取道路线基元存在定位不准、缺漏严重,本文利用谱分析和中值滤波技术改进了局部Radon变换方法,实验表明该方法提高了线基元检测精度。(4)针对传统MRF道路模型中存在势函数定义不合理,无法有效解决道路误检过多的问题,本文优化了 MRF模型的势函数定义,实验表明优化的MRF模型能有效剔除大量的误检测道路,降低了虚警率。本文通过选择农村、郊区和城区三种不同地理环境的区域进行实验,结果验证了本文改进的道路自动提取方法具有较好的适应性和稳定性。
无创在体鼻黏膜纤毛显微内窥镜成像系统设计
这是一篇关于鼻黏膜纤毛,硬性内窥镜,视向角,高分辨率,一体化设计的论文, 主要内容为鼻黏膜运动纤毛广泛分布于人体呼吸道黏膜表面,通过规律地朝特定方向摆动,实现清除黏膜表面黏液和病原微粒的防御功能,此功能的正常运行对于维持呼吸道及人体健康具有重要意义。当纤毛出现功能障碍会引发一系列病理表现,严重影响患者健康和生活质量,传统的纤毛运动评估方法存在有创性且无法如实反映在体实际运动状态。为了实现从前鼻孔进镜对鼻黏膜表面进行直接显微成像,从而进行无创性观察和测量在体鼻纤毛运动,设计了两种带有30°视向角的硬性显微内窥镜。首先,了解纤毛观察、内窥镜的研究现状,硬性内窥镜与显微镜系统组成及成像原理,根据所需要观察的鼻黏膜纤毛外形尺寸与内窥镜光学结构的特点,对系统参数进行确定。提出设计一款变焦硬性显微内窥镜光学系统设计,采用变焦适配器与目镜系统一体化设计方法等效为显微物镜系统。分别对物镜系统,中继系统,等效显微物镜系统进行单独设计,保证每部分成像质量均能达到衍射极限,再依次进行衔接优化,得到最终符合像质与公差要求的变焦硬性显微内窥镜。后来为了能够有效降低加工成本,提出对变焦硬性显微内窥镜结构进行修改,去除变焦适配器部分,改为定焦硬性显微内窥镜。在原物镜系统的基础上更换视向棱镜、削减镜片数量,使用现有样板中继系统替代原中继系统,在原目镜系统基础上改变焦距再次进行优化。物镜系统与中继系统一体化优化设计,进行像质评价与公差分析后与目镜系统衔接得到最终光学结构。最后,对所得定焦硬性显微内窥镜系统进行机械结构设计。本文所设计的变焦硬性显微内窥镜系统物方数值孔径为0.15,分辨率为272lp/mm,工作距离3.00mm,视向角30°,物面高度0.40mm,系统总长205.62mm,物方光学口径4.65mm,放大倍率6×～10×。所设计的定焦硬性显微内窥镜系统在原变焦系统参数的基础上改变其系统总长为170.33mm,物方光学口径为2.8mm。对其进行机械结构设计后所得系统总长为168.34mm,物方机械口径为6.0mm。此鼻黏膜纤毛显微内窥镜结合硬性内窥镜与显微镜优势,具有细口径,高分辨率,成放大像等特点,将可以避免取材造成的纤毛功能损害和受试者痛苦,极大地提高纤毛相关疾病的临床诊断能力,成为助益纤毛领域科研和临床工作的重要突破。
面阵扫描式基因生物成像仪光学系统设计
这是一篇关于基因生物芯片,共聚焦系统,落射式照明,光学设计,高分辨率的论文, 主要内容为随着基因检测在医疗卫生、人类健康、生物多样性等诸多领域的应用越来越广泛,基因生物成像技术也在不断发展。针对传统基因生物成像仪无法满足快速高分辨率基因成像需求等实际问题,本文基于基因生物成像的基本原理与共聚焦成像原理,设计了一种基于共聚焦结构、采用落射照明方式的基因生物成像光学系统,搭建了面阵扫描式基因生物成像仪实验测试装置,并利用搭建好的实验装置对基因芯片进行检测。本文通过面阵式扫描、共聚焦显微成像系统及落射式照明系统的设计以实现高分辨率、高通量基因测序,使用面阵式扫描方法进行基因成像与传统的线扫描方法相比加快了扫描时间;同时使用共聚焦光学系统保证了高分辨率成像;采用两路激光作为生物芯片的激发光源,实现对FAM与HEX两种生物荧光信号的检测,提升基因荧光成像效率及精准性;采用落射式临界照明,可以更好地实现光学系统的均匀照明。同时利用ZEMAX软件对设计好的光学系统进行仿真分析,再通过优化处理和像质分析确定光学结构,根据基因生物成像系统的工作原理及结构特点,对高精度荧光成像系统进行了整体机械设计,进而搭建实验测试装置。根据基因生物成像仪的设计要求,将设计好的光学系统通过机械设计,搭建了面阵扫描式基因生物成像仪实验装置,利用实验测试装置对其成像效果进行测试,结果表明,本文设计的面阵扫描式基因生物成像仪系统分辨率≤10μm/像素,最低检出限为(27)10个荧光分子/平方微米,样本检测重复性≤10%,与传统的生物成像系统相比提高了扫描效率且保证了高分辨率成像,更好地实现光学系统的均匀照明,能够满足设计要求。本文设计的基于共聚焦的面阵扫描式基因生物成像仪可以满足基因生物芯片成像检测的要求,为临床肿瘤早期诊断、治愈评价等精准医疗领域提供理论基础。
基于WebGIS的江湖洪水高分辨率实时在线计算与可视化方法研究
这是一篇关于水动力数值模拟,高分辨率,实时在线计算,可视化,WebGIS,江湖洪水演进系统的论文, 主要内容为研究江湖系统的洪水运动规律通常可分为数学模型计算、物理模型实验、以及现场观测分析三种方法。其中数值模拟方法因为具有成本低廉、建模时间短、效率高以及计算参数方便修改等一系列优点,在实际工程中的应用日益广泛。尤其随着计算机技术发展带来的图形及多媒体技术进步,集成水动力数值模型与可视化分析于一体的研究成果层出不穷。但是,由于缺少对高分辨率江湖系统进行实时计算与洪水淹没范围可视化的方法,其在水利行业的实际应用中依然存在着局限。为此,本文以水动力模型与可视化技术为出发点,对高分辨率江湖系统水动力模型的计算效率问题进行研究分析,并以此为基础研究水动力数值模拟结果可视化的方法,最后基于WEBGIS技术研发出江湖洪水实时在线计算与可视化系统。本文的主要研究成果汇总如下:(1)以荆江-洞庭湖系统为研究区域,选择MIKE21软件和经典的半隐式欧拉-拉格朗日水动力模型,作为典型的平面二维显式和隐式水动力模型,开展江湖洪水二维数值模拟的效率测试与分析。模型率定验证结果表明:基于高分辨率计算网格的平面二维水动力模型的计算精度较以往传统的江湖河网数学模型有所提高。除此以外,在模拟大型江湖系统水流运动时,二维半隐式模型的稳定性更好,计算效率可达到显式模型的38倍多。(2)根据二维水动力模型的效率评估结果和一维水动力模型的调研结果,综合比较不同维度水动力模型的优缺点,开展了各种模型对江湖洪水进行实时在线计算与可视化的适应性分析。结果表明二维半隐式模型的计算效率在实际应用中达不到实时计算与可视化的要求,而一维半隐式水动力模型在能保持较高精度的同时计算效率远超二维半隐式模型。因此,本文联合使用一维水动力模型计算结果与高分辨率二维非结构网格进行洪水淹没范围展示的数据衔接模式,兼顾了一维模型的实时计算效率和二维非结构网格的高精度,在满足计算效率要求的同时极大地提升可视化过程的流畅性。(3)基于一维模型计算结果与二维网格之间的数据衔接模式,提出了闭合湿润面域的构造算法。通过一维水动力模型计算出全部断面水位,对相邻断面进行水位插值得出断面之间所有二维网格的水位值;然后基于一维断面与二维非结构网格之间的拓扑关系,提出洪水淹没组合面域的构造算法。除此之外,根据组合面域之间的界限与组合面域边界上坐标点的特征,提出了低分辨率淹没区域的构造算法,结果表明,该算法能够很好地提升可视化过程的流畅性。(4)基于Spring Boot框架、Vue框架与Web GIS技术,研发了江湖洪水演进系统。通过对系统需求的角度出发,对系统功能体系以及运作流程进行设计,选用合适的计算机技术,搭建了系统的框架。详细地阐述了水动力模型与各种算法的封装方法、前后端数据的交互方式。讨论了前端模块的开发过程与细节,最后以荆江-洞庭湖区域的实际地形资料与流动条件为案例,介绍了江湖洪水演进系统的各个模块的功能,演示结果表明,该系统能较好地模拟大型江湖系统的动态洪水过程。
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