
近日,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實驗室司徒國海研究員團隊提出了基于深度學(xué)習(xí)的可拓展散斑相關(guān)成像方法,可在不同散射介質(zhì)干擾下實現(xiàn)對不同類型物體的恢復(fù),突破了傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)方法因泛化性問題而難以同時應(yīng)對成像系統(tǒng)及成像場景變化的瓶頸。相關(guān)論文近期以“DeepSCI: Scalable speckle correlation imaging using physics-enhanced deep learning”為題發(fā)表在Optics Letters上。
散射成像技術(shù)突破了傳統(tǒng)成像方法的成像視距,大幅提升了光學(xué)成像系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。近年來發(fā)展的基于深度學(xué)習(xí)的散射成像方法在提升成像深度和速度、降低成像裝置復(fù)雜度等方面具有獨特優(yōu)勢。但是,這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法存在訓(xùn)練數(shù)據(jù)獲取困難、泛化性及可解釋性差等問題,難以對不同散射環(huán)境下的不同結(jié)構(gòu)類型物體進行成像。課題組此前提出融合成像系統(tǒng)物理模型的方法為解決上述問題提供了新思路,但因難以對散射成像系統(tǒng)進行正向建模而無法將其直接應(yīng)用到散射成像中。
研究團隊基于光學(xué)記憶效應(yīng),將散斑相關(guān)成像中建立的物體與散斑圖之間的聯(lián)系視為正向物理模型(圖1a),并融入深度學(xué)習(xí)算法中(圖1b-c)。當(dāng)散射介質(zhì)和物體類型變化引起數(shù)據(jù)漂移時,利用物體圖像與散斑圖由上述物理模型建立的等式關(guān)系,對預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)進行微調(diào),使得網(wǎng)絡(luò)輸出的物體圖像估計滿足物理模型的約束(圖1c)。盡管從散斑圖重建物體圖像是一個典型的病態(tài)逆問題,但由于預(yù)訓(xùn)練模型蘊含了訓(xùn)練數(shù)據(jù)中豐富的隱式先驗信息,網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果可在物理模型的約束下逼近真實物體圖像(圖1d)。仿真和實驗結(jié)果表明,這種模型與數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的方法,可使用由一類散射介質(zhì)和目標(biāo)物體獲得的數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)透過不同散射介質(zhì)對不同結(jié)構(gòu)類型物體進行成像(圖2)。
圖1 所提方法示意圖。(a)散射成像系統(tǒng);(b)數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)訓(xùn)練;(c)模型驅(qū)動微調(diào);(d)微調(diào)過程,網(wǎng)絡(luò)直接輸出結(jié)果經(jīng)微調(diào)后逼近真實物體圖像。
圖2 散斑相關(guān)成像實驗裝置及實驗結(jié)果。(a)物體真值;(b)散斑自相關(guān);(c)預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)直接輸出;(d)模型驅(qū)動非訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)結(jié)果;(e)HIO結(jié)果;(f)對預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)進行微調(diào)結(jié)果。
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