透过散射介质的3D目标追踪开题报告

1、西安电子科技大学物理与光电工程学院本科生毕业论文（设计）开题报告（ 2016 届） 学生姓名 黄盛志 专 业 电子科学与技术 学 号 0512103 指导教师 邵晓鹏 2016 年 3 月 5日（本表一式三份，学生、指导教师、学院各一份）一、论文名称及项目来源名称：透过散射介质的3D目标追踪 项目来源: 科研二、研究目的和意义（不少于400字） 光的应用在现代社会中非常广泛。生活中，光可用来照明，成像，投影显示，清洁能源，产能等；工业上，可以用来实现高速通信，大容量数据存储和精密传感器的制造等；医疗上，可以用于癌症的检测及治疗，物质化学成分的分析以及对分子级别活细胞等微观世界的深入研究等。尽管

2、光的应用很广泛，但许多因素却制约着光进一步为人类所利用，其中之一就是散射。散射，就是光在传播时因受到传播介质中分子或原子巧作用巧改变其光强的空间分布、偏振状态或频率的现象。传播介质的不均勾性（如悬浮颗粒、密度起伏）也能导致光的散射。众所周知，人能够通过玻璃、空气等透明介质清晰地分辨物体细致结构，却无法识别藏匿于牛奶、鸡蛋壳，人体组织，毛玻璃等介质后面物体的大体形貌，关键原因在于携带着成像物体信息的光，能够通过透明介质进行直线传播，完整的入射波前几乎全部被成像系统接收，使得原始物像得以呈现，而光直线传播的特性在牛奶和鸡蛋壳等散射介质中却难以实现，散射的存在使得光被介质中与光波长同样量级的粒子进行

3、多次作用，入射光被严重扭曲，丢失了本来所携带的信息，导致了看不清介质背后的物体。正是由于散射作用的存在，使得大雾弥漫、能见度降化时，原本清晰可见的目标变得难以辨认；使得难以通过云雾进行遥感测绘和太空观察；使得生物显微系统一方面难以将在物体内部对光进行汇聚，因而无法观测深层组织的结构，错过了及早诊断病变细胞的时机，另一方面由于众多带有物体细节的高频分量难进入系统而使传统光学显微系统的成像分辨率难以提高。因此研究如何在散射介质存在的情况下实现散射成像，提高成像深度和成像质量，对运动目标实行追踪，使化进一步为人类所用具有十分重要的意义。 三、国内外研究现状和发展趋势、主要参考文献（不少于1000字）

4、近几十年来，在科学技术飞速发展的条件下，视频与图像处理技术不断提高，各种各样的视频监控产品已经走入了人们的视野，并且在给我们的生活带了很多方便。运动目标跟踪是一门多学科交叉的技术，是计算机视觉领域的一个重要课题，它综合应用了图像处理、模式识别、自动控制、人工智能等学科的理论知识。运动目标跟踪，是指给定一段视频序列，在该视频序列的每帧图像中实时地找到感兴趣的运动目标，并评估其运动轨迹。一般来说，典型的目标跟踪系统一般包含的四个过程1：目标初始化，特征模版表示，相似性度量和运动估计，进行目标定位。透过散射介质的运动目标跟踪问题的难点为：散射介质导致的衍射光致使原本清晰的像变模糊甚至严重扭曲。解决跟

5、踪问题的关键点在于：有效地表示目标和准确识别目标，并从散斑图中提取相关清晰的图像。追踪技术实际上是对不同像进行匹配，确定目标的位置和运动轨迹。散斑成像： 2007年通过纯相位空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM）将入射光分成多个通道，通过调制每一个通道上光的相位，使出射光在特定一点（或多点）发生有效干涉，最终使控制点的光强达到最大。其首次实验方式对被强散射介质破坏后光波进行汇聚，实现了对散射介质前点光源的成像，开创了强散射体波前校正的新理论与新技术。并由此引发了后续一系列的强散射体波前校正相关研究工作，取得了许多重要的研究成果。随后，来自美国空军航空技术学院（A

6、ir Force Institute Of Technology）的Jessica Schafer采用强散批体波前校正的思想，只不过将散射介质透射成像改为反射成像，同样实现了对点光源的汇聚，进一步验证了该理论的正确性，同时化为反射式散射成像的实现提供了可能性。2008年，Yaqoob和他的团队通过光折射晶体（）记录散射光场的相位分布并以此重构共轭参考光束，将光束进行反转后再通过散射介质，实现对原始入射光线的追迹并最终重现了原始光场。实验中他们使用69毫米厚的鸡肉组织作为强散射介质，采用该方法恢复后，原点光源像的强度相对于未调制时直接经过散射介质形成的散斑的平均强度有高达5000倍的提升，在进一

7、步的实验中，他们还成功获取了位于鸡肉组织后USAF分辨力图的清晰图橡。 2010年，Sebastieii.Popoff的团队将散射介质建模成能够使用二维矩阵表征的线性系统，因而出射光场的光强分布便是入射光场与该矩阵相互作用的结果。通过赋予空间光调制器不同的图像进行调制，计算出散射介质的传输矩阵，进而利用其逆矩阵采用类似于时间反转的技术，便可重获待测物体图像。2011年，Ycnmgwoon Choi团队认为携带物体信息的光在经过散射介质之后，只是扰乱了原有的序列，而并未丢失绝大部分的信息。通过激光在散射介质上逐点进行高精度的角度扫描并用离速干涉显微镜对散射图样逐一保存，最后通过去相关算法重获了位

8、于25um ZnO扳后的原始图像。2012年，JacopoBertolotti等人也采用了类似的点扫描法，首先用激光从散射介质前对位于其后6mm，大小为50um的待测荧光物体进行高精度的角度扫描，并在散射介质前逐一采集相应的散射图像，通过分析各图像之间的相关性最终重构了原始图像，实现了非接触式探测。 2012年，Ori Katz利用光学记忆效应（optical memory effect）将点成像扩展为小区域成像。首先将待测物体替换成点光源，利用空间光调制器对点光源的波前进行校正，使散射光斑恢复点光源的像，获得了所需的波前校正相位阵列，接着换回待测物体，由于光学记忆效应，位于之前点光源附近一定

9、区域内的物体化能够通过散射介质清晰成像。该方法实现了对散射介质后物体的实时成像，具有更实际的应用价值。同样的方法还被运用到了对散射介质反射后波前的校正，也同样取得了较好的效果。 2013年，中山大学的周建英课題组利用物体先验信息和强散射波前校正技术获得了散射介质后的待测物体图像。先验信息包括待测物体大致形貌和具体成像位置。实验过程中，首先了解到待测物体是字母S而且知道S成像后大致的位置和大小，然后以遗传算法为调制标准对散射光场进行波面校正，最终恢复了待测物体的像。此外，根据近年来的实验证明，散射作用不但不会妨碍成像，反而有利于成像质量的提高，因此该技术还有望被用于高分辨成像领域。四、主要研究内

10、容及要解决的问题（不少于500字） 由这种不透明的介质如鸡蛋壳，生物组织等引起的光散射，它导致任何光束通过散射介质后散射开来形成一个复杂的散斑图，它限制了光学成像技术的分辨率和渗透深度。因此找到消除这种因散射造成的复杂的散斑图的方法极为重要。而被光照明的物体，其表面呈现颗粒状结构。这种颗粒状态被取名为散斑。这种强度随机分布的散斑图样，可以由光在粗糙表面反射或激光通过不均匀媒质时产生。大多数物体表面对光波的波长来讲是粗糙的。但是散射光图案的自相关本质上是和目标自身成像的自相关是相同的。本课题运用通过可视不透明的散射介质透过的以及漫反射介质反射的杂散光和一个标准数码像机实现了隐藏目标的无损成像以及

11、与散射介质的距离。由于斑点统计的记忆效应，一个单一的高分辨率的散射光成像用一个标准的照相机捕获，编码足够的信息通过看得见的不透明的层面板（透射）和周围分辨率受衍射限制的地区成像（反射）。利用这种记忆效应以及自相关算法可以从散斑图像提取出清晰的目标图像。 五、工作的主要阶段、进度和完成时间（研究计划）3.20之前：参阅文献，将散射成像原理理解清楚。3.204.14：进行算法编写和调试。4.154.17：建立理论模型，设计散射实验。4.174.20：搭建实验，采集相关数据，并进行数据处理。4.205.10：整理相关资料，完成论文初稿。5.106.1：完善论文，准备PPT答辩。六、已进行的前期准备工

12、作已完成文献查阅，下一步将进行算法编写和调试七、指导教师意见签名 年 月 日八、学院审核意见签名 年 月 日 追踪技术事实上是对同一频中不同帧之间进行比较匹配，确定目标的位置并给出其运动轨迹的一个过程，最近研究人员纷纷提出了更加适合视频处理 的匹配算 法。 等人利用 公式将追踪器分解为视觉跟踪器（）和运动跟踪器（）并分别对这两部分进行建模，然后将视觉跟踪器和运动跟踪器综合确定目标，。这种 方 法精度 高，对于剧烈光照变化和场景改变都具有较高的识别率，但是处理一帧图片需要秒以上的时间（正常视频播放速度是帧每秒）。等人利用最小错误概率准则判断目标间匹配度，从而确定追踪目标，。该方法将追踪目标利用稀疏矩阵进行表达，然后通过求解 正则化的最小方差得到精确的目标位置。等人提出了利用显著的部分特征代 替 全 局 特 征 的 思 想，利 用 （）算法模拟运动信息，同时采用了基于 （）的并行计算加速，较好地达到了实时性要求。由于 方法从视频开始至结束使用同一模板，