透過(guò)散射介質(zhì)的3D目標(biāo)追蹤開題報(bào)告

1、西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告（ 2016 屆） 學(xué)生姓名 黃盛志 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號(hào) 0512103 指導(dǎo)教師 邵曉鵬 2016 年 3 月 5日（本表一式三份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、學(xué)院各一份）一、論文名稱及項(xiàng)目來(lái)源名稱：透過(guò)散射介質(zhì)的3D目標(biāo)追蹤 項(xiàng)目來(lái)源: 科研二、研究目的和意義（不少于400字） 光的應(yīng)用在現(xiàn)代社會(huì)中非常廣泛。生活中，光可用來(lái)照明，成像，投影顯示，清潔能源，產(chǎn)能等；工業(yè)上，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)高速通信，大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和精密傳感器的制造等；醫(yī)療上，可以用于癌癥的檢測(cè)及治療，物質(zhì)化學(xué)成分的分析以及對(duì)分子級(jí)別活細(xì)胞等微觀世界的深入研究等。盡管

2、光的應(yīng)用很廣泛，但許多因素卻制約著光進(jìn)一步為人類所利用，其中之一就是散射。散射，就是光在傳播時(shí)因受到傳播介質(zhì)中分子或原子巧作用巧改變其光強(qiáng)的空間分布、偏振狀態(tài)或頻率的現(xiàn)象。傳播介質(zhì)的不均勾性（如懸浮顆粒、密度起伏）也能導(dǎo)致光的散射。眾所周知，人能夠通過(guò)玻璃、空氣等透明介質(zhì)清晰地分辨物體細(xì)致結(jié)構(gòu)，卻無(wú)法識(shí)別藏匿于牛奶、雞蛋殼，人體組織，毛玻璃等介質(zhì)后面物體的大體形貌，關(guān)鍵原因在于攜帶著成像物體信息的光，能夠通過(guò)透明介質(zhì)進(jìn)行直線傳播，完整的入射波前幾乎全部被成像系統(tǒng)接收，使得原始物像得以呈現(xiàn)，而光直線傳播的特性在牛奶和雞蛋殼等散射介質(zhì)中卻難以實(shí)現(xiàn)，散射的存在使得光被介質(zhì)中與光波長(zhǎng)同樣量級(jí)的粒子進(jìn)行

3、多次作用，入射光被嚴(yán)重扭曲，丟失了本來(lái)所攜帶的信息，導(dǎo)致了看不清介質(zhì)背后的物體。正是由于散射作用的存在，使得大霧彌漫、能見度降化時(shí)，原本清晰可見的目標(biāo)變得難以辨認(rèn)；使得難以通過(guò)云霧進(jìn)行遙感測(cè)繪和太空觀察；使得生物顯微系統(tǒng)一方面難以將在物體內(nèi)部對(duì)光進(jìn)行匯聚，因而無(wú)法觀測(cè)深層組織的結(jié)構(gòu)，錯(cuò)過(guò)了及早診斷病變細(xì)胞的時(shí)機(jī)，另一方面由于眾多帶有物體細(xì)節(jié)的高頻分量難進(jìn)入系統(tǒng)而使傳統(tǒng)光學(xué)顯微系統(tǒng)的成像分辨率難以提高。因此研究如何在散射介質(zhì)存在的情況下實(shí)現(xiàn)散射成像，提高成像深度和成像質(zhì)量，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)行追蹤，使化進(jìn)一步為人類所用具有十分重要的意義。 三、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)、主要參考文獻(xiàn)（不少于1000字）

4、近幾十年來(lái)，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的條件下，視頻與圖像處理技術(shù)不斷提高，各種各樣的視頻監(jiān)控產(chǎn)品已經(jīng)走入了人們的視野，并且在給我們的生活帶了很多方便。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤是一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，它綜合應(yīng)用了圖像處理、模式識(shí)別、自動(dòng)控制、人工智能等學(xué)科的理論知識(shí)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤，是指給定一段視頻序列，在該視頻序列的每幀圖像中實(shí)時(shí)地找到感興趣的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并評(píng)估其運(yùn)動(dòng)軌跡。一般來(lái)說(shuō)，典型的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)一般包含的四個(gè)過(guò)程1：目標(biāo)初始化，特征模版表示，相似性度量和運(yùn)動(dòng)估計(jì)，進(jìn)行目標(biāo)定位。透過(guò)散射介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤問(wèn)題的難點(diǎn)為：散射介質(zhì)導(dǎo)致的衍射光致使原本清晰的像變模糊甚至嚴(yán)重扭曲。解決跟

5、蹤問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)在于：有效地表示目標(biāo)和準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)，并從散斑圖中提取相關(guān)清晰的圖像。追蹤技術(shù)實(shí)際上是對(duì)不同像進(jìn)行匹配，確定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。散斑成像： 2007年通過(guò)純相位空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator,SLM）將入射光分成多個(gè)通道，通過(guò)調(diào)制每一個(gè)通道上光的相位，使出射光在特定一點(diǎn)（或多點(diǎn)）發(fā)生有效干涉，最終使控制點(diǎn)的光強(qiáng)達(dá)到最大。其首次實(shí)驗(yàn)方式對(duì)被強(qiáng)散射介質(zhì)破壞后光波進(jìn)行匯聚，實(shí)現(xiàn)了對(duì)散射介質(zhì)前點(diǎn)光源的成像，開創(chuàng)了強(qiáng)散射體波前校正的新理論與新技術(shù)。并由此引發(fā)了后續(xù)一系列的強(qiáng)散射體波前校正相關(guān)研究工作，取得了許多重要的研究成果。隨后，來(lái)自美國(guó)空軍航空技術(shù)學(xué)院（A

6、ir Force Institute Of Technology）的Jessica Schafer采用強(qiáng)散批體波前校正的思想，只不過(guò)將散射介質(zhì)透射成像改為反射成像，同樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)光源的匯聚，進(jìn)一步驗(yàn)證了該理論的正確性，同時(shí)化為反射式散射成像的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。2008年，Yaqoob和他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)光折射晶體（）記錄散射光場(chǎng)的相位分布并以此重構(gòu)共軛參考光束，將光束進(jìn)行反轉(zhuǎn)后再通過(guò)散射介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始入射光線的追跡并最終重現(xiàn)了原始光場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)中他們使用69毫米厚的雞肉組織作為強(qiáng)散射介質(zhì)，采用該方法恢復(fù)后，原點(diǎn)光源像的強(qiáng)度相對(duì)于未調(diào)制時(shí)直接經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)形成的散斑的平均強(qiáng)度有高達(dá)5000倍的提升，在進(jìn)一

7、步的實(shí)驗(yàn)中，他們還成功獲取了位于雞肉組織后USAF分辨力圖的清晰圖橡。 2010年，Sebastieii.Popoff的團(tuán)隊(duì)將散射介質(zhì)建模成能夠使用二維矩陣表征的線性系統(tǒng)，因而出射光場(chǎng)的光強(qiáng)分布便是入射光場(chǎng)與該矩陣相互作用的結(jié)果。通過(guò)賦予空間光調(diào)制器不同的圖像進(jìn)行調(diào)制，計(jì)算出散射介質(zhì)的傳輸矩陣，進(jìn)而利用其逆矩陣采用類似于時(shí)間反轉(zhuǎn)的技術(shù)，便可重獲待測(cè)物體圖像。2011年，Ycnmgwoon Choi團(tuán)隊(duì)認(rèn)為攜帶物體信息的光在經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)之后，只是擾亂了原有的序列，而并未丟失絕大部分的信息。通過(guò)激光在散射介質(zhì)上逐點(diǎn)進(jìn)行高精度的角度掃描并用離速干涉顯微鏡對(duì)散射圖樣逐一保存，最后通過(guò)去相關(guān)算法重獲了位

8、于25um ZnO扳后的原始圖像。2012年，JacopoBertolotti等人也采用了類似的點(diǎn)掃描法，首先用激光從散射介質(zhì)前對(duì)位于其后6mm，大小為50um的待測(cè)熒光物體進(jìn)行高精度的角度掃描，并在散射介質(zhì)前逐一采集相應(yīng)的散射圖像，通過(guò)分析各圖像之間的相關(guān)性最終重構(gòu)了原始圖像，實(shí)現(xiàn)了非接觸式探測(cè)。 2012年，Ori Katz利用光學(xué)記憶效應(yīng)（optical memory effect）將點(diǎn)成像擴(kuò)展為小區(qū)域成像。首先將待測(cè)物體替換成點(diǎn)光源，利用空間光調(diào)制器對(duì)點(diǎn)光源的波前進(jìn)行校正，使散射光斑恢復(fù)點(diǎn)光源的像，獲得了所需的波前校正相位陣列，接著換回待測(cè)物體，由于光學(xué)記憶效應(yīng)，位于之前點(diǎn)光源附近一定

9、區(qū)域內(nèi)的物體化能夠通過(guò)散射介質(zhì)清晰成像。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)散射介質(zhì)后物體的實(shí)時(shí)成像，具有更實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。同樣的方法還被運(yùn)用到了對(duì)散射介質(zhì)反射后波前的校正，也同樣取得了較好的效果。 2013年，中山大學(xué)的周建英課題組利用物體先驗(yàn)信息和強(qiáng)散射波前校正技術(shù)獲得了散射介質(zhì)后的待測(cè)物體圖像。先驗(yàn)信息包括待測(cè)物體大致形貌和具體成像位置。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先了解到待測(cè)物體是字母S而且知道S成像后大致的位置和大小，然后以遺傳算法為調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)散射光場(chǎng)進(jìn)行波面校正，最終恢復(fù)了待測(cè)物體的像。此外，根據(jù)近年來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明，散射作用不但不會(huì)妨礙成像，反而有利于成像質(zhì)量的提高，因此該技術(shù)還有望被用于高分辨成像領(lǐng)域。四、主要研究?jī)?nèi)

10、容及要解決的問(wèn)題（不少于500字） 由這種不透明的介質(zhì)如雞蛋殼，生物組織等引起的光散射，它導(dǎo)致任何光束通過(guò)散射介質(zhì)后散射開來(lái)形成一個(gè)復(fù)雜的散斑圖，它限制了光學(xué)成像技術(shù)的分辨率和滲透深度。因此找到消除這種因散射造成的復(fù)雜的散斑圖的方法極為重要。而被光照明的物體，其表面呈現(xiàn)顆粒狀結(jié)構(gòu)。這種顆粒狀態(tài)被取名為散斑。這種強(qiáng)度隨機(jī)分布的散斑圖樣，可以由光在粗糙表面反射或激光通過(guò)不均勻媒質(zhì)時(shí)產(chǎn)生。大多數(shù)物體表面對(duì)光波的波長(zhǎng)來(lái)講是粗糙的。但是散射光圖案的自相關(guān)本質(zhì)上是和目標(biāo)自身成像的自相關(guān)是相同的。本課題運(yùn)用通過(guò)可視不透明的散射介質(zhì)透過(guò)的以及漫反射介質(zhì)反射的雜散光和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)碼像機(jī)實(shí)現(xiàn)了隱藏目標(biāo)的無(wú)損成像以及

11、與散射介質(zhì)的距離。由于斑點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的記憶效應(yīng)，一個(gè)單一的高分辨率的散射光成像用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的照相機(jī)捕獲，編碼足夠的信息通過(guò)看得見的不透明的層面板（透射）和周圍分辨率受衍射限制的地區(qū)成像（反射）。利用這種記憶效應(yīng)以及自相關(guān)算法可以從散斑圖像提取出清晰的目標(biāo)圖像。 五、工作的主要階段、進(jìn)度和完成時(shí)間（研究計(jì)劃）3.20之前：參閱文獻(xiàn)，將散射成像原理理解清楚。3.204.14：進(jìn)行算法編寫和調(diào)試。4.154.17：建立理論模型，設(shè)計(jì)散射實(shí)驗(yàn)。4.174.20：搭建實(shí)驗(yàn)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。4.205.10：整理相關(guān)資料，完成論文初稿。5.106.1：完善論文，準(zhǔn)備PPT答辯。六、已進(jìn)行的前期準(zhǔn)備工

12、作已完成文獻(xiàn)查閱，下一步將進(jìn)行算法編寫和調(diào)試七、指導(dǎo)教師意見簽名 年 月 日八、學(xué)院審核意見簽名 年 月 日 追蹤技術(shù)事實(shí)上是對(duì)同一頻中不同幀之間進(jìn)行比較匹配，確定目標(biāo)的位置并給出其運(yùn)動(dòng)軌跡的一個(gè)過(guò)程，最近研究人員紛紛提出了更加適合視頻處理 的匹配算 法。 等人利用 公式將追蹤器分解為視覺跟蹤器（）和運(yùn)動(dòng)跟蹤器（）并分別對(duì)這兩部分進(jìn)行建模，然后將視覺跟蹤器和運(yùn)動(dòng)跟蹤器綜合確定目標(biāo)，。這種 方 法精度 高，對(duì)于劇烈光照變化和場(chǎng)景改變都具有較高的識(shí)別率，但是處理一幀圖片需要秒以上的時(shí)間（正常視頻播放速度是幀每秒）。等人利用最小錯(cuò)誤概率準(zhǔn)則判斷目標(biāo)間匹配度，從而確定追蹤目標(biāo)，。該方法將追蹤目標(biāo)利用稀疏矩陣進(jìn)行表達(dá)，然后通過(guò)求解 正則化的最小方差得到精確的目標(biāo)位置。等人提出了利用顯著的部分特征代 替 全 局 特 征 的 思 想，利 用 （）算法模擬運(yùn)動(dòng)信息，同時(shí)采用了基于 （）的并行計(jì)算加速，較好地達(dá)到了實(shí)時(shí)性要求。由于 方法從視頻開始至結(jié)束使用同一模板，