1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 宇航智能控制技术国防科技重点实验室，北京 100089
4 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012
5 中国科学院大学杭州高等研究院物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
针对水下鬼成像重构质量下降、分辨率退化的问题，分析水体对散斑场传播的作用，提出在重构计算前将参考臂散斑进行校正的方法，以实现对物臂散斑场的退化补偿，进而提高水下鬼成像的成像质量。首先根据近似的S-S（Sahu-Shanmugam）散射相函数和Wells模型推导得到调制传递函数，用来描述水体对散斑的退化作用；然后对参考臂散斑场进行校正补偿，使参考臂散斑与物臂散斑具有相同的退化程度以恢复关联性；最后采用校正后的参考臂散斑进行图像重构。从理论上证明了所提方法在二阶关联计算中会使得图像退化加剧，而在基于伪逆的重构计算中则可以有效提高图像分辨率、改善图像质量。通过仿真和实验验证了理论模型的正确性，该研究为远距离水下目标鬼成像图像恢复提供了新的思路。
海洋光学 水下鬼成像 散斑场退化补偿 水体调制传递函数 二阶关联 伪逆
雷腾 1,2,3张义民 1,2,3马一哲 1,2,3丁学专 1,2,3[ ... ]王世勇 1,2,3,*
1 中国科学院 上海技术物理研究所，上海200083
2 中国科学院大学，北京100049
3 中国科学院 红外探测与成像技术实验室，上海20008
低采样率下的高质量鬼成像（GI）对于科学研究和实际应用具有重要意义，为了在低采样率条件下重建高质量图像，提出了一种高质量的被动式压缩鬼成像重构算法（PCGI-LRC）。基于图像的非局域相似块堆叠而成的矩阵具有低秩和稀疏奇异值的假设，从理论和实验上证明了一种对最小二乘问题与非局域相似块低秩近似问题进行联合迭代求解的方法，能够在低采样率（6.25%~50%）条件下实现高质量鬼成像。实验结果表明：与基于稀疏基约束的GI（GI-SBC）和基于全变分约束的GI（GI-TVC）相比，PCGI-LRC在峰值信噪比、结构相似性系数和视觉观测等方面均更优，在抑制重构噪声的同时保持了目标的细节信息，其中PSNR提升效果优于1.1 dB，SSIM提升效果优于0.04。
鬼成像 图像重构 图像压缩 单像素成像 ghost imaging image reconstruction image suppression single pixel imaging
1 湖北经济学院信息工程学院，湖北 武汉 430205
2 五邑大学智能制造学部，广东 江门 529020
提出一种基于离散W变换的差分调制计算鬼成像方法。使用正负两组离散W变换基图案对光源进行差分调制，根据桶探测器测量的光强值获取目标对象的频谱，通过矩阵形式的逆离散W变换重构目标图像。仿真和实验结果表明，该方法可以从压缩测量中获得图像，通过差分测量可以消除背景噪声，获得良好的图像质量，并且可以通过逆变换实现快速重建。与其他方法相比，该方法在成像质量上更具优势。
成像系统 计算成像 鬼成像 图像重构 单像素成像 激光与光电子学进展
2023, 60(22): 2211003
针对计算鬼成像采样过程中由于外界影响而出现的物体信息缺失问题，将小波分析应用于计算鬼成像系统中，同时在此系统中引入图像融合方法，构建一种基于图像融合的计算鬼成像系统，对此问题进行了仿真模拟与实验研究。并对结果进行了分析，结果显示此系统可以有效恢复待测物体信息、提高成像质量，相较于传统的计算鬼成像系统更加适用于实际应用环境。
鬼成像 小波分析 信息恢复 图像融合 成像系统 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2011001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
提出使用统计分析中的Bootstrap方法对鬼成像中图像信息重构的不确定度进行估计。仿真结果表明，Bootstrap方法估计的标准误差分布图与强度关联重构的标准误差理论计算结果一致；用标准Bootstrap方法估计的标准误差和置信区间分布能够很好地解释压缩感知算法得到的重构结果误差，并且使用相应的Bootstrap方法的变种能够更为准确地描述从原始样本中重构图像信息的偏差和绝对误差。所提方案适用于估计无真实参考图像的实际应用场景的重构图像的不确定度。
成像系统 鬼成像 图像重构 非参数Bootstrap方法 不确定度
西安交通大学电子科学与工程学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室，国际电介质研究中心，陕西 西安 710049
设计开发了用于赝热光鬼成像的时序可控系统，该系统能对赝热光鬼成像系统硬件进行精准的同步控制，从而对散斑尺寸和采样次数等影响成像质量的因素进行定量分析，实现不同条件下的高质量成像。同时在鬼成像系统中结合差分鬼成像、归一化鬼成像和正负关联成像，针对正负关联算法重构图像提出了二次优化方案，进一步提升了赝热光鬼成像系统的成像质量。通过实验验证了系统的时序控制性能和算法的优化效果。
成像系统 鬼成像系统 同步控制 成像算法 成像质量
阜阳师范大学信息工程学院, 安徽 阜阳 236037
为克服随机散斑图照射下统计噪声对计算鬼成像成像质量的影响, 提出了随机散斑图正交优化计算鬼成像方法。首先在计算鬼成像的基础上分析随机散斑图对目标物体重构质量的影响; 然后结合实对称矩阵性质, 通过空间映射矩阵, 将原有随机散斑图正交化; 再利用重构的正交散斑图对未知物体进行照射并由桶探测器测量, 测得的一系列桶探测器值与计算机存储的重构散斑图通过二阶关联运算对目标物体进行重构; 最后参考重构散斑图的协方差矩阵特征, 对重构结果进行补偿, 进一步提升物体重构质量。该方法不仅能有效提升随机散斑图计算鬼成像的成像质量, 同时还具有算法结构简单的特点。仿真实验结果表明: 相比于传统的随机散斑图照射下的计算鬼成像, 该方法能有效地对目标物体进行重建, 并表现出良好的性能。
图像与信息处理 成像系统 计算鬼成像 随机散斑图 二阶关联 正交化 image and information processing imaging system computational ghost imaging random speckle patterns second-order correlation orthogonalization
1 杭州电子科技大学碳中和新能源研究院，浙江 杭州 310018
2 杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018
关联成像又称鬼成像，是一种新型的成像方式。它对探测得到的携带有物体光强信息的信号光与参考光路的测量矩阵进行符合运算，利用两个光路之间的二阶强度关联特性来获得物体的图像信息。不同于传统的成像方式，关联成像具有抗噪声能力强、成像方式多样等优势，可以减小散射介质对光信号的扰动和衰减所带来的影响。自1995年第一个鬼成像实验实现以来，鬼成像一直是经典物理和量子物理领域最热门的研究课题之一。主要概述鬼成像的发展历程和理论原理，讨论最近国内外科研人员在鬼成像应用方面的探索与实践。
鬼成像 相关成像 计算成像 图像加密 激光雷达 散射 三维成像 激光与光电子学进展
2023, 60(2): 0200003
1 中北大学 信息与通信工程学院，太原 030051
2 伍伦贡大学 电气计算机与通信工程学院，澳大利亚伍伦贡 NSW2522
3 西安微电子技术研究所，西安 710054
针对手写字体特征提取难、识别效率低甚至错误的问题，提出一种结合鬼成像原理和分类网络的思想用于手写字体的识别。首先，使用激光器、数字微镜阵列、单像素探测器等搭建鬼成像探测系统，利用系列哈达玛散斑场分别实现对17 239幅手写字体的照射；其次，利用单像素探测器对手写字体透射的总光强值进行采集，并将其转换为一维向量作为网络训练的输入；最后基于卷积神经网络在图像分类的优势搭建网络架构且为解决训练过程中的网络退化问题加入残差块。实验结果表明：对于手写数字来说，全连接神经网络与卷积神经网络的精密度、召回率、F1值分别提高86.50%/97.25%、86.40%/98.03%、86.31%/97.60%；对于手写字母来说，卷积神经网络在全采样下的精密度、召回率、F1值分别为91.87%、90%、90.23%。该方法利用鬼成像原理，仅通过手写字体透射的总光强值而无需对手写字体的特征进行提取与识别便可进行快速分类，大幅提升了手写字体的识别效率。
鬼成像 手写字体识别 卷积神经网络 准确率 残差 Ghost imaging Handwriting recognition Convolutional neural network Accuracy rate Residual 光子学报
2022, 51(11): 1111001
南京邮电大学信号处理与传输研究院，江苏 南京 210003
提出了一种基于均值滤波的计算鬼成像（CGI）去噪方法，可以有效降低来自复杂环境的噪声干扰，提高CGI的成像质量。以尺寸为3×3的模板均值滤波器为例，设计了9组与均值滤波器相关的Hadamard移动散斑，并将各移动散斑依次照射到待测物体上，获得对应的桶探测器值。将9组桶探测值的累加值与散斑进行二阶关联，可获得被测物体去噪后的像。仿真和实验结果表明：在相同高斯和椒盐噪声环境下，所提方法获取的成像结果明显优于传统CGI的结果；所提方法具有较好的去噪能力，在不断变化的复杂环境中，有一定的应用优势。另外，所提方法将图像去噪中的均值滤波概念引入到关联成像中，提供了一种将信号处理方法用于CGI的新思路。
成像系统 计算鬼成像 均值滤波 移动散斑 去噪 光学学报
2022, 42(22): 2211002
