编者按

2021年，清华大学深圳国际研究生院校优秀硕士学位论文篇数再创历年新高，占全校优秀硕士论文31%，共有63篇荣获清华大学优秀硕士学位论文，其中44篇为我院专职教师指导。本系列推送将向大家展示我院获奖同学的科研成果风采。

论文中文标题：应用于在线监控的强散射条件下的智能计算成像技术

论文英文标题:Intelligent computational imaging technology applied to online monitoringunder strong atmospheric scattering conditions

作 者：高子琪

指导教师：程雪岷

培养院系：精密仪器系

学 科：仪器仪表工程

学习感言：You only live once.

获得荣誉：

2020年硕士国家奖学金

2019年清华大学深圳国际研究生院一等奖学金

2020年深圳国际研究生院专业实践奖三等奖

第二届全国高性能云计算大赛最佳案例奖（获奖作品：基于VGG16的大规模数据集快速并行训练方案）

2019理邦仪器医疗算法与软件创新设计竞赛三等奖（获奖作品：超声图像瞳孔自动检测算法研究）

第三届“交通 未来”科创大赛一等奖（获奖作品：应用于强散射条件下交通监控的智能压缩成像系统）

研究背景/选题意义/研究价值

在智能交通中，电子警察与道路监控等领域的发展依赖各类机器视觉技术。在户外环境进行应用时实际场景复杂多样，主要包括光照和极端天气下的强散射条件引起的对比度和信噪比衰减。基于上述背景，研究基于计算成像体制建立了强散射条件下的智能鬼成像方案和二维视觉优化方案，创造性地提出仿人眼式光电信号采集方法并开发后端图像重建模型及注意力机制下的图像超分辨网络，建立高鲁棒性的高速在线视觉方案。

主要研究内容

1. 针对散射场景下计算鬼成像模型难以建立的问题，探讨了计算鬼成像在散射环境中所获取图像有效优势信息的空域量化模型，分析在计算鬼成像去散射方法下适用的散射环境和散射强度，并最终建立具有可变光传输概率的复杂场景计算鬼成像退化模型。

2. 针对传统计算鬼成像分辨率和成像速度的制约关系，探讨了在强大气散射条件下高分辨、高对比度压缩鬼成像的实现方案。为获取高分辨成像，建立并优化了适用无特定目标/单目标等场景下成像的仿人眼机制，并设计光强序列驱动观测目标回归模型。最终借助边缘注意力引导的鬼成像超分辨网络对噪声进行精确识别，提升超分辨的噪声鲁棒性。

3. 为解决散射介质和压缩率对鬼成像质量带来的退化和限制，探讨了具有抗干扰性重建力的高速在线成像方案。设计了应用光强涨落数据来提取网络特征的增强方案，并结合基于蒙特卡洛框架下的光子轨迹统计方法创建数据集从数据和模型角度实现神经回归双增强。

3D立体摆件在强散射条件下的鬼成像神经计算结果示意图

基于蒙特卡洛进行散射环境下光子统计仿真结果

论文主要创新点

1. 分析并发展了散射成像环境中光子信息观测方案，对目标特征的光信号提取并建立了有效深度学习数据集，形成显著性神经回归模型。针对散射场景下计算鬼成像模型难以建立的问题，建立了具有可变光传输概率的复杂场景计算鬼成像退化模型。

2. 计算鬼成像体制下高分辨成像和成像速率之间存在矛盾，为获取高分辨成像，建立并优化了适用无特定目标/单目标等场景下成像的仿人眼机制，并设计了与目标特征关联的光强涨落序列驱动观测目标回归模型，同时借助边缘注意力引导的鬼成像超分辨网络对噪声进行精确识别，提升超分辨的噪声鲁棒性，进而实现了高分辨、高对比度的计算鬼成像方案。

3. 设计了应用光强涨落数据来提取网络特征的增强方案，从数据和模型角度实现神经回归双增强，最终建立了具有抗干扰性重建力的高速在线成像方案。

学位论文相关学术成果

1. Gao Z Q, Cheng X M, Zhang L F, et al. Compressive ghost imaging in scattering media guided by region of interest[J]. Journal of Optics, vol. 22, no. 5, 2020, Art. no. 055704.

2. Gao Z Q, Cheng X M, Chen K, et al. Computational Ghost Imaging in Scattering Media Using Simulation-Based Deep Learning[J]. IEEE Photonics Journal, 2020, 12(5): 1-15.

3. Gao Z Q, Cheng X M, Zhang L F, et al. High-quality imaging through scattering media with single-pixel photodetection[C]//2019 International Conference on Optical Instruments and Technology: Optoelectronic Imaging/Spectroscopy and Signal Processing Technology. International Society for Optics and Photonics, 2020, 11438: 114380G.

来源|培养处

策划|陈金静、兑晓晴

文、图|高子琪

编辑|叶思佳

排版|蒋坤伦

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