微秒精度高时空分辨计算成像技术研究

Microsecond precision high speed imaging systems play an important role in experimental physics researches. Due to the monopolization of high performance image sensors and technology, in China, the high resolution microsecond precision high speed imaging systems and technology with independent intellectual property rights are in the blank. A new high speed imaging method is proposed based on coded exposure theory from computational photography. With this method, coded exposure theory is applied to high speed imaging. By taking full advantage of the high transferring speed of photoelectron, high resolution microsecond precision imaging performance can be achieved with ordinary CCD image sensors. Basic theory and key technique of implementation with this new method will be studied, such as implementation technique of microsecond precision coded exposure, acquisition of high speed key frame images and precise estimation of point spread function, design and optimization of exposure coding for complex scenarioes, decoding and reconstruction of coded images, etc. A high resolution microsecond precision imaging system with independent intellectrual property rights will be built. The new coded exposure high speed imaging method is generic and could be applied to many other systems. The research results have important meaning in theory and great value in applications.

微秒级高速成像技术在高速物理过程科学实验研究中发挥着重要作用，但由于国外对高性能特种图像传感器的垄断和技术封锁，国内自主知识产权的高分辨率微秒级高速连续成像系统一直处于空白。本项目提出一种基于计算成像的微秒精度高时空分辨连续成像方法，该方法将曝光编码理论应用于高速成像，充分利用CCD图像传感器片内电荷极高的转移速度，基于普通CCD图像传感器实现高分辨率微秒级连续成像。项目主要研究解决曝光编码应用于高速成像的关键基础理论和实现技术问题，突破微秒级曝光编码的实现、高速关键帧图像的获取与点扩散函数估算、复杂场景的编码优化设计与图像解码等关键问题，实现具有自主知识产权的高分辨率微秒级高速连续成像系统。项目提出的高时空分辨计算成像方法具有普适性和通用性，研究成果将解决曝光编码在高速成像应用中的基础理论和实现方法问题，具有重要的理论意义和实际应用价值。

本项目面向高速科学成像应用，研究解决计算成像技术在高速成像实际应用中的关键基础性问题，主要针对高速物理过程的微秒精度高分辨率成像问题，寻求基于计算成像技术的解决方案。项目探索采用普通图像传感器，通过设计特殊的驱动时序，结合图像处理技术的实现路径，以极低的硬件成本，突破普通图像传感器的物理性能限制，获得特种高性能图像传感器才具备的成像性能。项目主要研究了普通图像传感器的时序驱动方法，分别基于CCD图像传感器和CMOS图像传感器，研制成功两款高速相机；研究了针对CCD和CMOS图像传感器的曝光编码驱动时序设计，在CCD图像传感器上实现了3us时间分辨的成像性能，在CMOS传感器上实现了最小600ns的时间分辨性能；针对曝光编码成像对成像系统动态范围要求极高的问题，提出了多种提高成像系统动态范围的方法和技术，在同时采用多色滤镜和Binning技术时，将成像系统的动态范围从约560倍提升至约10000倍，满足了曝光编码成像对系统动态范围的要求；采用CMOS高速相机，研制了九通道的高速高分辨率成像系统，采用基于解析计算的图像处理方法获得了多帧高速过程图像，针对解析计算的求解条件对目标场景和编码图像有特殊要求的问题，探索了基于机器学习的压缩感知图像求逆方法。本项目研制成果从硬件驱动到系统优化、从曝光时序到图像处理进行了较全面的探索研究，研制成功多套原型系统，并着手探索基于压缩感知的高质量图像生成技术，相关项目研究成果已经成功应用于科学实验，项目研究提出的新方法和新技术为计算成像技术在高速成像领域的应用打下了坚实的基础。