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关键词： 3D显示   超多视点   指向背光   纳米光栅   人眼追踪  

摘要： 裸眼3D显示(Three-dimensional display,3D)技术可以在无辅助设备的情况下为观众提供具有深度线索的视觉信息,具有直观性、交互性、沉浸式的特点,可广泛应用于商业娱乐、医疗辅助、文物保护、军事演练等领域。自由立体3D显示可与现有的平面显示器件集成,将完整的光场信息离散为多个视图,通过视场调制器件投射到空间中指定位置,被认为是最快实现商业化的裸眼3D显示技术。这种显示方案中观察者容易产生视觉疲劳,因为双目会聚后视轴的交点位于重建的虚拟立体像上,而单个眼球的晶状体仍然根据显示器件的相对位置确定屈光度,这就产生了辐辏调节矛盾(Vergence-accommodation conflict,VAC)。本质上,辐辏调节矛盾是由于单眼接收的信息密度不够导致的。而现有的显示屏幕分辨率有限,单视图分辨率、角分辨率和视场角之间存在固有矛盾。本文利用纳米光栅光线调控精度高、自由度大的特点,使其产生符合人眼特征的非均匀视点分布,以减少信息冗余。而且视点之间的角度间隔小于瞳孔直径,有效增加系统角分辨率。通过设计多角度指向背光系统,配合基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)开发的同步控制电路,实现了背光切换产生的视点分布与观察者运动轨迹同步,并完全覆盖两眼观察区域,同时液晶显示屏幕提供对应视角的振幅信息。本文搭建了彩色裸眼3D显示样机,验证了基于像素化纳米光栅的人眼追踪超多视点裸眼3D显示的可行性。本论文的主要研究工作如下:(1)提出了基于指向背光的向量光场3D显示方案,研究了纳米光栅的出光机理,并给出像素化纳米光栅矩阵组成的视角调制器件的设计结果,左右眼分别对应8个视点,视点间隔为0.45°。根据视角调制板设计了水平偏转角为±3°、±6°、±9°的指向背光系统,并分析入射光偏转对视点分布的影响,进而给出3D显示系统预计的视点分布结果。(2)设计了基于FPGA开发的同步控制硬件方案。基于Harr Cascade算法开发了人眼追踪模块,为同步控制系统输入位置信号。使用Verilog HDL程序设计各工作模块,实现了准直背光切换与液晶显示器刷新视差图像的同步控制。(3)通过搭建样机,验证了具有超多视点的3D显示效果。利用四变量输出的紫外光刻系统制备了像素化纳米光栅视角调制板,并进行光学性能测试。将其与液晶显示器逐像素对准贴合,搭建了超多视点向量光场3D显示样机。结合指向背光系统,实现了刷新率60 Hz、空间分辨率480×270、视图间隔0.45°的彩色立体显示信息输出。该立体显示系统的视场角为26.9°,具有平滑的运动视差,且实现±8 cm的单眼调焦效果。

关键词： 相位光栅   吸收光栅   各向异性湿法腐蚀   加压填充   填充率  

摘要： 中子成像技术因其强大的无损检测能力,可以实现对物体内部进行检测,被广泛地应用于工业、国防等众多领域。基于光栅的中子相衬成像技术利用中子的波动性和散射效应,可以对弱吸收物质实现较高的图像衬度,获得更多的样品信息,有非常广泛的应用前景。相位光栅和吸收光栅是相衬成像系统中的核心元件,光栅的制作质量会严重影响成像的效果。本文开展了中子相位光栅和吸收光栅的相关工艺研究。首先,基于单晶硅的各向异性湿法腐蚀工艺制备了相位光栅,同时利用湿法腐蚀制作出硅光栅结构并结合颗粒填充法制备了吸收光栅。通过对湿法腐蚀和颗粒填充工艺的优化,实现了光栅结构的精确控制,降低工艺难度的同时提高了光栅质量,使得制作的光栅可以满足成像系统的需求,为更高分辨率相衬成像系统制作出大高宽比、精细的光栅。本论文开展的主要工作如下:1.为了精确控制湿法腐蚀制作出的光栅结构,分析讨论了湿法腐蚀中影响光栅参数的相关因素。利用扇形条纹精确对准(111)晶面方向来控制对准角度,并通过实验测量出(110)晶面的腐蚀速率以及两晶面的腐蚀速率比,从而精确控制横向腐蚀宽度。研究分析了影响湿法腐蚀均匀性的相关因素,通过引入摇床工艺使腐蚀液浓度均匀,并向腐蚀液中加入无水乙醇来解决氢气泡的吸附影响,从而改善了腐蚀的均匀性。为了精确测量出硅光栅的高度,利用HMDS辅助PDMS脱模间接测量出硅光栅的高度。通过优化湿法腐蚀工艺成功制作出周期40μm、占空比1:1、高度37 μm的中子相位光栅,并为7.92 μm周期的相位光栅摸索出了相关工艺条件。2.研究讨论了颗粒填充法制作吸收光栅时存在的填充率不高的问题,引入加压填充法来提高光栅槽内的填充率。为了探究加压填充方法的可行性,利用COMSOL软件分析了加压过程中颗粒填充率的变化情况。模拟结果表明加压填充法可以有效地增加颗粒填充率,显著降低光栅的制作难度。分析讨论了影响填充率的相关因素,并通过仿真得到:施加的力越大,光栅槽宽越大,可实现的填充率越大。分析了影响吸收光栅均匀性的相关因素,并研究了不同填充率、不同占空比、不同光栅槽深的情况下槽内填充情况,结果表明加压填充方法其自适应性非常好,可以在大尺寸光栅里实现均匀填充。针对多次加压填充方法制作吸收光栅效率低的问题,进行了工艺探索,给出了相应的工艺优化方案。利用加压填充法成功制作出周期40 μm、占空比1:1、槽深70μm的吸收光栅,并为4μm周期的吸收光栅的研制提供了一个有效的解决方案。

关键词： FBG重叠谱解调   超弱光纤布拉格光栅   加权差分进化算法   双向长短期记忆网络   桥墩冲刷监测   管道泄漏监测  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)以其高精度、小巧、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点,已被广泛用于土木工程、航空航天工程、机械工程等领域的结构健康监测中。然而,传统光纤布拉格光栅波分复用系统单纤复用容量有限,仅局限用于小型结构或大型结构局部监测。在对大型、超长结构进行全尺度分布式监测时,其性能明显不足。因此,开展光纤布拉格光栅重叠谱解调方法研究有利于进一步提升光纤布拉格光栅波分复用系统中光栅单纤复用容量,对于光纤布拉格光栅在大型、长距离结构健康监测中的应用具有重要意义。 本文旨在研究光纤布拉格光栅重叠谱解调新策略和新方法,以提升相同或相近波长光纤布拉格光栅单纤复用容量,使得光纤布拉格光栅传感技术在监测距离与密度上得到进一步提升。在此基础上,研究基于光纤光栅重叠谱解调技术的基础设施监测新方法。论文主要研究内容如下: (1)针对现有串联光栅重叠谱解调模型较少,且解调精度低等问题,研究串联光栅重叠谱波长解调方法。为此,通过理论分析建立了新的串联光栅重叠谱解调模型。通过数值仿真与理论分析方法,研究了光谱衰减、阴影串扰及多次反射串扰对解调精度影响。此外,提出了基于FBGA解调模块的用于光栅重叠谱及独立谱采集的高速解调系统。确定了合适的光栅独立反射谱波长提取算法,验证了解调系统用于常用结构参数,如温度、应变及振动监测的可行性。最后,通过试验验证了模型及系统用于串联光栅重叠谱解调的可行性。 (2)针对现有串联光纤布拉格光栅重叠谱解调方法解调精度低、解调速度慢等问题,提出了串联光栅重叠谱优化求解方法。改进的差分进化算法(加权差分进化算法)被用于提高模型解调速度与解调精度,进一步提升了可解调光栅数量。通过试验验证了提出方法可行性,并将提出方法用于串、并联超弱光纤布拉格光栅重叠谱解调。 (3)针对光纤布拉格光栅重叠谱解调速度较慢的问题,提出了基于双向长短期记忆网络的光纤布拉格光栅重叠谱高速解调方法。给出了基于双向长短期记忆网络的光纤布拉格光栅重叠谱解调方法原理与训练数据集获取方法;通过数值仿真分析,研究了训练数据量及网络隐藏单元数量对模型解调精度、训练时间的影响,并对模型解调时间进行了分析。最后,将模型用于试验数据解调,解调结果验证了所提出方法可行性。 (4)针对现有桥墩冲刷监测方法不足与缺陷,提出了基于超弱光纤布拉格重叠谱的新型桥墩冲刷监测方法。阐述了提出方法监测原理,设计了适用于桥墩冲刷监测的新型分布式传感器阵列。进行了实验室模拟试验,验证了提出方法可行性,并分析了传感器在冲刷发生前后信号差异,给出了冲刷监测阈值。最后,对方法适用范围、优势与局限性进行了分析。 (5)针对现有光纤布拉格光栅传感技术在长距离结构异常监测中测点稀疏、易发生漏检等问题,提出了基于光栅重叠谱的异常信号监测方法,并将其用于管道泄漏监测。阐述了传感系统及异常信号监测原理,提出了分布式异常信号监测方法。给出了管道泄漏监测方法原理,设计了泄漏监测专用传感光缆。通过模拟管道泄漏试验,验证了提出方法可行性,并探究了温差、监测单元中受温度影响光栅数量对监测信号的影响,拟合得到了不同温差下泄漏监测预警值计算公式。此外,针对提出方法泄漏定位精度低的问题,采用提出的串联光栅重叠谱优化求解方法实现了小流量泄漏精确定位。

关键词： 多视图子空间聚类   子空间表示   张量表征学习   低秩表示   交替方向乘子法  

摘要： 随着互联网和传感器技术的发展，多媒体数据已经由单一特征描述演变成多种特征描述的多视图数据。例如，人脸图像在小区安防应用中被自然图像和红外图像同步描述;现场图像、视频直播画面和文字报告被用来详细地报道新闻事件。由于多视图数据的流行和标签信息获取困难，多视图聚类被广泛应用于无监督知识发掘中以发现数据底层相关性从而提升多媒体数据的应用潜力与前景。多视图数据包含了视图间的异构特性和潜在的关联性，因此如何获取多个视图间的互补和共识信息是多视图聚类的核心问题。近年来，基于图论的多视图聚类因其理论保证和性能表现成为多视图聚类的主流方法之一。最具代表性的是基于低秩表征学习的多视图子空间聚类方法，它通过低秩约束学习自表示系数，然后采用绝对对称化算子获取相似度矩阵，最终将其输入谱聚类算法中得到聚类结果。在实际应用中，相似度矩阵直接决定了聚类的性能。然而，相似度矩阵的质量受多视图数据中复杂噪声、非线性结构和高维等因素的影响。针对以上问题本文探索了低秩张量表征学习方法以获取视图的高阶相关性，从损失函数和正则项设置两个方面围绕如何提升模型的噪声鲁棒性，如何保留视图的局部结构信息以及如何提升模型的聚类效率三个问题进行研究。本文的主要贡献如下:　　(1)围绕如何提升模型的噪声鲁棒性，本文从马尔科夫链和熵度量的角度设置损失函数，分别提出了误差鲁棒的低秩张量近似多视图子空间聚类方法(Error-robust Low-rank Tensor Approximation for Multi-view Subspace Clustering,ELRTA)和加权误差熵与低秩张量学习多视图子空间聚类方法(Weighted Error Entropy and Low-rank Tensor Learning for Multi-view Subspace Clustering,WETMSC)。ELRTA首先通过马尔科夫链与谱聚类的联系计算转移概率矩阵，然后构造转移概率张量并将其分解为具有张量核范数约束的干净张量和误差张量。此外，ELRTA通过组稀疏范数对误差张量进行噪声编码，以清楚地表征和处理多种类型的噪声。不同于ELRTA仅简单地假设噪声服从独立同分布(independent and identically distributed,i.i.d.),WETMSC 假设噪声服从独立分段同分布(independent and piecewise identically distributed,i.p.i.d.)并采用加权误差熵表征潜在的复杂噪声。WETMSC从视图维度将所有自表示矩阵构造为自表示张量，并通过张量核范数约束保留视图间的高阶相关性。优化模型ELRTA和WETMSC的求解由交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)实现。真实数据集上的对比实验结果表明ELRTA和WETMSC与先进的聚类方法相比很大程度上克服了弱鲁棒性问题。　　(2)围绕如何保留视图的局部结构信息，本文从超图和非凸优化的角度设置正则项，提出了超拉普拉斯正则的非凸低秩张量表示多视图子空间聚类方法(Hyper-Laplacian Regularized Nonconvex Low-rank Tensor Representation for Multi-view Subspace Clustering,HNLR)。不同于利用拉普拉斯正则度量局部样本成对相关性的方法，HNLR构建超图并利用超拉普拉斯正则度量局部多个样本间的相关性，以捕获每个视图的高阶局部几何结构。此外，考虑到核范数带来的有偏估计问题，HNLR利用非凸拉普拉斯函数代替核范数以提高模型对视图的全局低秩结构的近似性能。本文设计了一种有效的交替迭代策略求解HNLR模型。真实数据集上的实验结果验证了 HNLR的聚类优势,尤其是面对具有非线性结构的多视图数据时，HNLR的聚类优势更加明显。　　(3)围绕如何提升模型的聚类效率，本文从非凸优化和张量分解的角度设置正则项，提出了双核张量Schatten-p范数最小化多视图子空间聚类方法(Bi-Nuclear Tensor Schatten-p Norm Minimization for Multi-view Subspace Clustering,BTMSC)。BTMSC通过非凸Schatten-p范数及其等价分解形式学习低维的低秩表示张量，以高效探索视图间的高阶相关性及全局结构信息。具体地，BTMSC将自表示矩阵张量化并利用非凸Schatten- p范数的等价分解形式将其分解为两个小维度张量，使得自表示张量的非凸低秩约束被分解为两个核范数之和。最后，本文设计了一种高效的交替迭代策略求解BTMSC模型。真实数据集上的广泛实验验证了 BT

关键词： 调强放射治疗   L-BFGS   列生成   权重自适应调整   正交双层MLC   混合整数规划   Sliding Window  

摘要： 调强放疗(intensity modulated radiation therapy,IMRT)即调强适形放射治疗是三维适形放疗的一种,简称放疗。放疗的目的包括:(a)集中照射放疗靶区,有效控制肿瘤;(b)减少危及器官照射,降低并发症概率。调强放疗通过多叶准直器(MLC)形成不同形状的子野,每个子野有对应的照射剂量。MLC形成的子野集中照射放疗靶区的位置,对危及器官进行遮挡保护。虽然不同子野产生的照射剂量是不均匀的,但叠加后的照射剂量是均匀的,其中靶区剂量大于处方剂量,危及器官剂量低于耐受剂量。子野分割是IMRT计划制定过程中重要的一个环节,现有的单层MLC或平行双层MLC只能生成在某一维方向上连续的子野,而正交双层MLC通过双层MLC的相互遮挡能形成在二维方向上不连续的子野。对于靶区和危及器官相对位置复杂的病例,正交双层MLC能用较少个数的子野集中照射靶区,在保证靶区照射足量的基础上遮挡保护危及器官,提高放疗效果。但现在并没有能发挥正交双层MLC性能的子野分割方法,所以本文对正交双层MLC子野分割算法展开了研究,提出了基于正交双层MLC的优化模型,并使用合适的算法求解,主要工作如下: (1)单层MLC静态子野分割面对靶区和危及器官相对位置复杂的病例,在控制子野个数的前提下,无法同时保证靶区照射足量和危及器官照射少量;针对以上问题本文提出一种基于列生成的正交双层MLC下的静态子野分割方法。并为了解决在计划过程中,物理师需要频繁修改约束条件的问题,提出了一种优化前子目标函数权重自适应调整和优化中子目标函数权重自适应调整相结合的方法。列生成的求解分为主问题和子问题,所提方法的主问题求解子野权重,采用L-BFGS算法,以提高优化速度。子问题的求解采用混合整数规划的方法,得到正交双层MLC可以形成的复杂子野。通过在5例食管癌和5例直肠癌病例上的对比实验验证了所提方法的有效性和可行性。在实验中,和单层多叶光栅静态子野分割法相比,基于列生成的正交双层MLC下的静态子野分割方法在保护危及器官上有明显优势,即危及器官分段剂量的体积占比下降;在靶区的指标上如均匀性指数(HI)、适形指数(CI)和近似最小剂量,和单层MLC下的子野分割方法相比无明显差别。在保证计划质量的同时,减少子野个数。 (2)静态子野分割方法在照射时MLC叶片保持静止,而动态子野分割方法在照射过程中MLC叶片持续运动,治疗效率更高。单层MLC下的Sliding Window方法是经典动态子野分割方法,但生成的子野开口小,照射利用率较低。针对上述问题,本文提出了一种分四个象限的、基于Sliding Window的、正交双层MLC下的动态子野分割方法。该方法目的在于更好地保护危及器官并且降低计划实施时的总MU(机器跳数,即总出束量),达到计划质量的提高和计划实施速度的提升。通过5例食管癌和5例宫颈癌病例上的对比实验验证了所提方法的有效性和可行性。在实验中,基于正交双层多叶光栅的动态子野分割方法和单层多叶光栅Sliding Window法相比能降低计划15%的机器跳数(MU),显著提升计划的实施效率。

关键词： 平面度   三维测量   相机标定   投影仪标定   相位展开   相位误差补偿  

摘要： 由于数字光栅投影三维测量技术具有精度高、速度快以及成本较低的特点,所以其在工业检测领域的应用十分广泛。为了完成在锯盘生产过程中的平面度检测工序,本文将基于数字光栅投影三维测量技术构建一个平面度测量系统,主要进行了以下工作:(1)分析了数字光栅投影三维测量技术的原理,根据相关原理进行硬件选型,包括相机、投影仪、镜头等核心部件。使用选型后的部件搭建了一个测量系统,依据该系统的几何参数给出系统的技术参数;(2)详细介绍了测量系统中相位提取的技术,使用相移法与互补格雷码编码法相结合的方式求取绝对相位。针对相位求取过程中会遇到的非线性相位误差的问题,提出了两种补偿方案。第一种是自校正相位误差查找表(LUT)法,这是经典LUT法的一种优化方案,可以将非线性相位误差降低76.4%;第二种是基于最小灰度误差的补偿方法,通过构建评价函数的方式直接求取实际相位,这种方法能够将非线性相位误差降低81%;(3)基于张氏标定法对相机与投影仪进行了标定,标定后相机X和Y方向的重投影误差分别为0.1314像素和0.1168像素,投影仪X和Y方向的重投影误差分别为0.0572像素和0.082像素;根据镜头畸变的原理公式使用牛顿迭代法对相机进行了畸变校正,使用双次极线约束法对投影仪进行了畸变校正;(4)对大理石平板和锯盘进行了实际测量,使用三坐标型测量机的结果作为实际值;对于实际平面度为0.0047mm的大理石平板本文搭建的系统的测量结果为0.045mm;对于平面度在标准内与标准外的锯盘都能够使用本文搭建的测量系统准确地进行区分,并且本文搭建的测量系统得到的测量数据与三坐标型测量机测得的数据偏差在4%以内。

关键词： 张量鲁棒主成分分析   高维数据   低秩张量补全   核范数   Schatten p-范数   图像恢复   图像降噪  

摘要： 作为人们获取信息的重要途径,数字图像在军事、医学和农业等领域扮演者重要角色。在实际应用中,图像传输和转换常常面临外界环境和设备问题导致部分像素缺失或产生噪声的挑战,这会影响图像在后续的使用。因此,如何解决图像像素缺失和噪声干扰已成为图像恢复领域的研究热点。本文旨在通过研究张量鲁棒主成分分析和低秩张量补全方法来解决图像恢复问题。本文的工作可以分为以下两个部分: (1)利用张量鲁棒主成分分析方法解决图像降噪问题。鲁棒主成分分析(RPCA)旨在从被噪声污染的张量中准确地恢复张量的低秩成分和稀疏成分。迄今为止,许多张量核范数作为张量秩的凸松弛已被提出并被用来近似张量的秩,然而对于现实数据,这些松弛可能会使得近似解产生较严重偏离。本文基于张量TT秩定义了张量Schatten p-范数,并提出一种新的张量鲁棒主成分分析模型(TTSp),同时使用ADMM算法迭代求解。此外,为了更好的探索张量的体制结构,一种被称为Ket Augmentation(KA)的张量增强方法被引入,它可以将低阶张量转换为高阶张量。最后将提出的模型应用于图像和视频张量数据的降噪,实验的数值结果和可视化结果均证明了提出的模型较同类的方法有更好的恢复性能。 (2)利用张量补全方法解决图像修复问题。低阶张量补全(LRTC)旨在从不完全观测数据中恢复低秩张量,在计算机视觉中有许多应用。与RPCA类似,大多数LRT C方法都使用核范数最小化作为秩的凸松弛最小化,然而在实际应用中,不同的奇异值包含的图像信息是显著不同的,并且图像中更重要的部分通常与较大的奇异值相关,因此不应平等对待每一个奇异值。受此启发,本文基于张量TT秩定义了加权的张量S chatten p-范数,进一步构建了一个新的LRTC模型(WTSNM)来分别考虑张量的不同的奇异值,并利用块坐标下降法求解所提出的模型。最后通过对彩色图像、多光谱图像和视频的数值实验定性且定量地表明了该方法在视觉效果方面优于多数方法。

关键词： 抑郁症   童年创伤   弥散张量成像  

摘要： 目的:本研究主要通过弥散张量成像(Diffusion Tensor Imaging,DTI)技术进行影像学数据采集,对所采集到的数据再利用基于纤维束示踪的空间统计学(tract-based spatial statistics,TBSS)分析脑白质的各向异性分数(Fractional Anisotropy,FA),探讨童年创伤(childhood trauma)对抑郁症(Major Depressive Disorder,MDD)患者脑白质的影响,识别伴童年创伤抑郁症患者脑白质异常的脑区,深入了解该种疾病发病的潜在神经影像学机制,提高对其的认识,为临床对该病的诊断、治疗及预防提供科学依据。方法:样本选自在遵义医科大学附属医院就诊的青少年患者,总数为30例,且都满足精神障碍诊断与统计手册(第5版)(The Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders,Fifth Edition,DSM-5)抑郁症诊断标准。同时,随机入组15例青少年作为健康对照。使用自编的一般情况问卷开展一般资料的采集工作,使用汉密尔顿抑郁量表(Hamilton Depression Rating Scale,HAMD)评估抑郁症状的严重程度,使用童年创伤问卷(Childhood Trauma Questionnaire,CTQ)评估研究对象是否伴有童年创伤,根据诊断及量表评估的结果,将研究对象分为伴童年创伤抑郁症组(A组)、不伴童年创伤抑郁症组(B组)及健康对照组(C组)。应用DTI技术对所有入组对象进行磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)扫描,利用TBSS的方法对FA进行对比分析,总结出三组研究对象的FA差异。结果:A、B、C三组间的性别、年龄、受教育年限没有差异,A、B两组间的HAMD分值没有差异(P>0.05)。与B组相比,A组FA值减低的脑区包括:胼胝体体部、胼胝体压部、右侧辐射冠上部以及右侧上纵束(P<0.05)。与C组相比,A组FA值减低的脑区包括:右侧海马、右侧放射冠后部、左侧放射冠上部、右侧放射冠上部、右侧上纵束(P<0.05)。与C组相比,B组FA值减低的脑区包括:左侧内囊后肢前部、右侧内囊后肢前部、胼胝体体部、左侧海马、左侧小脑下脚、右侧放射冠后部、左侧辐射冠后部、右侧后丘脑辐射以及左侧辐射冠上部(P<0.05)。结论:与对照组相比,伴童年创伤抑郁症患者的部分脑区存在白质微观结构的差异(表现为较低的FA值),未来需要更全面深入的研究,以更好地揭示抑郁症患者合并童年创伤的脑白质微观结构的影像学标志。