2026寒假做题记录
2026/1/18 16:18:57
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（1）动态厚散射介质传播模型的建立与散斑数据生成
透过散射介质实现光学成像在生物医学诊断、遥感探测和安防监控等领域具有重要的研究价值和广泛的应用前景，长期以来受到学术界和工业界的高度关注。当光波穿过如生物组织、雾霾大气或磨砂玻璃等散射介质时，会经历复杂的多次散射过程，原本携带的图像信息被严重扰乱，在探测器上形成看似随机的散斑图案，传统的成像方法难以从这些散斑中恢复出原始的目标图像。现有的散射介质成像方法主要包括基于传输矩阵测量的方法和基于光学记忆效应的方法等，这些方法在处理静态薄散射介质时取得了一定的成功，但当面对动态变化且厚度较大的散射介质时，由于散射过程的复杂性和时变特性，上述方法的有效性受到严重限制，难以满足实际应用的需求。深度学习技术的快速发展为解决这一难题提供了新的技术途径，基于深度学习的散射成像方法无需显式测量散射介质的传输矩阵，能够直接从散斑图像中学习到散射过程的统计规律并恢复目标图像，具有成像速度快、对散射介质变化适应性强等优点。本研究针对动态厚散射介质这一具有挑战性的成像场景，首先建立了相应的光学传播理论模型。该模型以多相位屏理论为基础，将厚散射介质沿光传播方向划分为多个薄相位屏的级联，每个相位屏对入射光波施加随机的相位调制以模拟散射效应。在此基础上，本研究进一步考虑了实际散射介质中同时存在的吸收效应和散射效应，在每个相位屏上增加了吸收因子来描述光强度随传播距离的衰减规律。更重要的是，为了准确模拟动态散射介质的时空变化特性，本研究在相位屏模型中引入了转动因子，使得各相位屏的散射特性能够随时间发生变化，从而真实地反映如流动的悬浊液、飘动的雾气等动态散射环境的物理特点。基于所建立的动态厚散射介质传播模型，本研究通过数值模拟计算了大量不同参数配置下的散斑图像数据，这些模拟数据涵盖了不同散射强度、不同介质厚度和不同动态变化速率等多种情况，为后续神经网络模型的训练提供了丰富多样的数据支撑。
（2）基于Ghost模块的动态厚散射介质成像神经网络设计
深度学习方法从散斑图像中恢复原始目标图像本质上是一个图像到图像的映射问题，编码器-解码器结构是处理此类问题的经典网络架构，其中编码器负责将输入的散斑图像逐步压缩为紧凑的特征表示，解码器则将这些特征逐步展开还原为与原始目标尺寸相同的重建图像。然而，针对动态厚散射介质成像这一特定任务，直接采用标准的卷积神经网络架构存在计算效率和特征表达能力之间的矛盾：为了准确学习复杂的散射逆过程需要网络具有足够的表达能力，这通常意味着需要使用大量的卷积滤波器和较深的网络层数，但这又会导致计算量急剧增加，影响成像的实时性。本研究针对这一矛盾，引入了Ghost模块的设计理念来构建高效的成像神经网络。Ghost模块的核心思想是认识到卷积神经网络中间特征图存在大量的冗余信息，许多特征图之间具有高度的相似性，可以通过简单的线性变换从少量的固有特征图中生成这些冗余的"幻影"特征图，而不必通过昂贵的卷积运算单独计算。基于这一思想，Ghost模块首先使用较少数量的卷积滤波器生成一组固有特征图，然后通过参数量极小的深度卷积操作对这些固有特征图进行简单变换以生成额外的冗余特征图，最后将两组特征图拼接作为模块的输出。这种设计方式使得Ghost模块能够以远低于标准卷积的计算代价获得同等甚至更优的特征表达能力。本研究以编码器-解码器结构为整体框架，使用Ghost模块替换传统的卷积模块，设计了一种专门用于动态厚散射介质成像的神经网络模型。为了全面评估所提网络的性能优势，本研究将其与标准卷积神经网络模型和深度可分离卷积神经网络模型进行了详细的对比分析。实验结果表明，在对模拟散斑图像进行重建时，本研究设计的基于Ghost模块的神经网络模型在成像质量方面取得了最优的表现，重建图像的峰值信噪比和结构相似度指标均优于对比方法；在计算效率方面，该模型重建100张散斑图像所需的时间仅比成像速度最快的深度可分离卷积网络增加3.4%，但后者的成像质量却明显逊色，而标准卷积神经网络虽然成像质量居中但计算速度最慢。综合考虑成像质量和计算效率两方面因素，本研究设计的网络模型实现了两者之间的最优平衡。
（3）动态厚散射介质散斑采集光学系统与实验验证
为了验证所提方法在真实物理环境中的有效性，本研究设计并搭建了专门用于动态厚散射介质成像研究的散斑数据采集光学实验系统。该实验系统主要由激光光源、目标物体、动态散射介质容器、高速相机等核心组件构成。激光光源提供相干照明，经过准直扩束后均匀照射放置于系统入射端的目标物体；携带目标信息的光波随后穿过特制的动态散射介质容器，在容器内经历多次散射后在出射端形成散斑图案；高速相机同步采集这些散斑图像用于后续的网络训练和测试。动态散射介质容器是该实验系统的关键部件，本研究采用可控浓度的悬浊液作为散射介质，通过调节悬浊液中散射粒子的浓度可以改变散射强度，通过调节容器的厚度可以改变光波经历的散射次数，通过磁力搅拌装置可以使悬浊液产生可控的流动从而模拟动态变化效果。此外，本研究还设计了专门的标定装置用于对动态散射介质的实时变化状态进行定量标定，确保实验条件的可重复性和数据的可靠性。基于搭建的实验系统，本研究系统地研究了三种神经网络模型在不同实验条件下的成像能力。
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