摘 要

散射介质的存在，导致了人们无法对物体成清晰的像，严重的影响了图像质量。因此研究物体如何在散射介质中成像迫在眉睫。本文介绍了CCD成像技术以及如何利用软件处理图片。本文研究内容主要从成像系统的硬件和软件部分展开。CCD成像与传统的成像系统相比成本比较低、系统结构简单，应用范围较广。根据CCD成像原理和计算机关联成像，我们设计并且搭建了CCD成像系统。并且通过LabVIEW程序处理图片，基于图像二值化算法我们最终成功的实现了对位于散射介质中的物体成像。

关键词：成像系统；散射介质成像；关联成像；二值化

Design of CCD Imaging System under Fuzzy Conditions

Abstract

The presence of scattering media has caused people to be unable to make a clear image of the object, which has seriously affected the image quality. Therefore, it is imminent to study how objects are imaged in scattering media. This article focuses on scattering imaging techniques, CCD imaging, and how to use software to process images. The research content of this article mainly starts from the hardware and software part of the imaging system. Compared with traditional imaging systems, CCD imaging has a lower cost, a simpler system structure, and a wider range of applications. According to CCD imaging principle and computer-aided imaging, we designed and built a CCD imaging system. We processed the images through the LabVIEW program and finally succeeded in imaging the objects in the scattering medium based on the image binarization algorithm.

Key words: imaging system; scattering medium imaging; association imaging; binarizatio

目录

绪论 1

1.1 选题背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 散射成像技术 2

1.4 本论文的主要研究内容和方法 3

第一章 硬件设计 5

2.1 实验系统 5

2.2 CCD成像系统 7

2.3 关联成像 8

第二章 试验过程及程序应用部分 9

3.1 CCD成像实验过程 9

3.2 Labview程序 10

3.3 软件处理部分 11

3.4. 实验总结与展望 15

参考文献 16

致谢 18

绪论

选题背景与意义

人们在生活中观察物体的宏观和微观结构的方式主要是通过可见光。人们观察物体的方式分为两种：直接观察和间接观察。直接观察就是目标物与观察点之间没有障碍物，可以直接对目标物成像。例如对周边环境、人物的直接拍摄；若被观测物体与观测点之间有障碍物，那么我们无法通过直接观察得到目标物的像。能够通过随机散射介质成像一直都是人们努力追求的目标，比如对浑浊的河水下的物体进行成像，对云层中的飞机搜捕成像等等。正是这些随机散射介质的存在，导致人们不能直接拍摄到目标物清晰的像。因为当可见光通过这些随机散射介质时，其内部会发生多次散射和衍射，出射光不再延直线传播，直接影响对散射介质中的物体成像，我们无法观察到目标物清晰的像，只能看到一些由散射而生成的随机散斑场图像，严重时甚至什么都观察不到。

在生活中随处可见的散射介质给我们的生活带来了诸多不便。例如，当我们被雾霾包围，能见度显著降低，在进行一些遥感测绘和空间观察的时候也将变得很困难，还会影响飞机等交通正常行驶；医学领域，传统的光学显微镜很难在人体内部对光实现聚焦，所以无法清晰的观察到身体内部细胞组织的微观结构，这也极大的阻碍了医学的发展；更严重的是，医生不能及早的发现病人身体里病变的细胞组织，而错过最佳治疗时间。由此可见，如果物体的像穿过云雾、墙面、磨花玻璃、皮肤等漫反射介质散射后，人们还能得到物体清晰的图像，这对于医学中的细胞组织成像、气象学和军事探测等领域来说都有着重大意义。然而传统的光学成像技术不能满足这些要求，因此研究物体在散射介质中成像迫在眉睫。

国内外研究现状

由于通过散射介质成像对社会的发展具有重要意义，国内外科学家都对这个课题十分关注。在科学家们的不懈努力下，也取得了一些进展。20世纪90年代，法国巴黎高等物理化工学院的马蒂亚斯·芬克等人经过研究发现，当脉冲波先经过随机散射介质，然后经过时间反演镜，再次通过散射介质，发生散射的脉冲波会在波源处重新聚焦[1]。而且其聚焦效果非常好，实现了历史性的突破，超过了声波的衍射极限[2-4]，Mathias Fink 教授把这个方法称做时间反演法（Time Reversal Method, TRM）。2007 年，荷兰 University of Twente纳米技术研究所的 I. M. Vellkoop 等人受时间反演能够克服声波散射的启发，首次提出了波前调制技术：通过逐个像素地控制SLM 并对入射光进行波前相位补偿，根据光学相位共轭的规律实现超衍射聚焦与成像[5,6]。2010年，法国科学家S.M. Popoff 等人根据波前整形法的不足之处，首次提出了通过图像重建法进行成像[7,8]。

国内的科学家们也在透过随机散射介质成像方面展开了基础性的研究工作。 2005 年，上海光学精密机械研究所的藤树云、刘立人等人采用相位补偿技术实现了超衍射极限激光光束[9]；2011 年，同所的干福熹教授通过在光的近场和远场应用超分辨率技术来突破光学衍射极限[10]；中山大学的周建英教授根据波前调制理论，利用随机散射介质控制入射光波的偏振特性[11,12]；2014 年，华侨大学信息科学与工程学院的孙存志、陈子阳、蒲继雄通过调制光波波前的幅值，使光波透过随机散射介质时重新聚焦[13]；

散射成像技术

为了解决散射介质成像的难题，科学家们想到了很多方法，主要有波前调制法、自适应光学技术、鬼成像技术等。对于弱散射介质成像，我们一般选择自适应光学。

根据传统成像的不足，人们经过试验研究提出了波前调制法，即通过逐像素调制SLM，补偿光学波前相位信息和幅值 [14,15]，在一定程度上减小由于散射造成的影响，以提升成像系统的观测深度和成像质量，最终实现超衍射极限聚焦与成像[16,17]。然而，由于波前调制技术需要进行反馈控制以及相应的目标函数[18,10]，并且该方法的成像质量与 SLM 或者 DMD 表面划分的密度有着直接的关系，因此该方法在实际应用中受到较大限制。

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