高速光测力学图像的压缩感知及变形场超时间分辨测量系统

Because of the performance deficiency of the high-speed cameras, the current high-speed photomechanical system has some problems that the sampling frame rate is limited when the spatial resolution is required, and the measurement accuracy is poor in the low-light environment. These problems result in the photomechanical methods cannot be used in some important cases. The present project tries to draw on the advanced concept of computing imaging and compression sensing, and tries to develop a high-speed photomechanical system with super-temporal-resolution ability based on the new perspective of improving image acquisition performance through transforming the imaging process. The main research contents include: to develop the temporal compression sensing coding and exposure method for the photomechanical image sequences; to develop an integrated solution model of spatial/temporal fields of mechanical variables through combining the compression sensing image decoding and the photomechanical image processing; to build up super-temporal-resolution photomechanical system based on digital micro-mirror device and rotating coding schemes. After the completion of this project, a scheme of the high-speed photomechanical system breaking the limit of the physical acquisition speed of digital cameras will be established. The scheme can be used to solve the low-precision issue of the current photomechanical system due to the limited sampling speed and the low-light environment. With the development of technology, the advantages of the scheme in this study will become increasingly pronounced.

由于高速相机的性能缺陷，高速光测力学系统目前存在高分辨率要求时采样速度受限，以及弱光环境下测量精度差的问题，导致高速光测力学方法在一些重要实验中无法应用。本项目借鉴计算成像和压缩感知领域的先进理念，从“改造成像过程，提升图像采集性能”的新视角切入，发展具有超时间分辨能力的高速光测力学系统，具体研究内容包括：针对典型光测力学图像种类发展适用的时域压缩感知编码、曝光方法；将压缩感知的图像解码和光测力学的力学量分析过程融合，发展直接从压缩感图像中求解力学量时/空场的一体化求解方法；在此基础上，利用数字微镜器件和旋转编码方案搭建超时间分辨光测力学系统。本研究完成后，将实现一种可突破相机物理采集速度限制的高速光测力学系统实现方案，本方案可以解决高速光测力学中高分辨率要求时采样速度受限及弱光环境下测量精度差的共性难题，而且随着技术发展，本研究中方案的优势会越来越明显。

由于高速相机的性能缺陷，高速光测力学系统目前存在高分辨率要求时采样速度受限，以及弱光环境下测量精度差的问题，导致高速光测力学方法在一些重要实验中无法应用。本项目借鉴计算成像和压缩感知领域的先进理念，从“改造成像过程，提升图像采集性能”的新视角切入，发展具有超时间分辨能力的高速光测力学系统。.项目首先发展了时间域重叠和空间域随机两种压缩感知编码方法，利用更新高斯混合模型算法（GMM_ONLINE）重建了质量更好的图像序列。刚体位移、均匀变形和非均匀变形三种位移形式下的误差评价结果表明本研究提出的编码方案能够达到很好的效果；之后，发展了基于编码压缩图像的力学量时/空场一体化求解方法，利用未加载前采集的参考图像、掩码版及加载过程中采集的压缩感知变形图像直接求解出力学量时/空场。三种位移形式下的误差评价结果表明一体化算法的绝对误差均值及均方根误差均小于传统DIC方法，证明本方法可以在测量精度不降低的情况下提升时间分辨率至少一个量级；最后，研制了以数字微镜（Digital Micromirror Device，简称DMD）为核心的压缩感知高时/空分辨变形观测系统，可实现最高4000FPS的压缩感知重建，成像质量和重构图像质量的评价结果证明了系统的有效性，基于鼓泡的高速变形测量应用实验进一步验证了系统的实用性。.本项目的研究成果为高速光测力学系统的性能提升提供新的思路，建立了一种可突破相机物理采集速度限制的高速光测力学系统实现方案，能够解决高速光测力学中高分辨率要求时采样速度受限及弱光环境下测量精度差的共性难题。项目所研制的具有超时间分辨能力的光测力学系统可使中低速相机获得更高的时间分辨能力，对于实验研究复杂环境下的力学测试问题也具有重要意义，在先进成像装备方面也具有一定的应用前景。