超分辨率彩色数字全息三维变形实时测量方法研究

Color digital holography can realize real-time 3D deformation measurement with the resolution close to the laser wavelength. However, due to the inaccurate reconstruction algorithm, system noise and the limitation of color camera, the approach has lower accuracy and higher expense which limit its application in accurate 3D deformation measurement. In this project, the accurate 3D deformation measurement using color digital holography will be studied based on holographic diffraction theory and up-to-date signal processing methods. The robust de-noising and recovery approach of phase data will be proposed based on the determination of the accurate reconstruction length which is the same for different channels and image processing with sparse representation. The accurate measurement for the 3D deformation of nonplanar object will be studied based on the theories about local reconstruction, focal depth and surface transformation reconstruction of the hologram. The low-cost, accurate and super-resolution 3D deformation measurement approach using color digital holography will be studied based on the super-resolution extraction of monochrome hologram from Bayer color camera’s channels using sparse representation based algorithm. This project will provide theoretical fundamentals for the application of color digital holography in 3D deformation measurement.

彩色数字全息可实现物体表面三维变形场的实时测量，其测量灵敏度可达激光波长量级。但由于当前三维变形测量的全息重建模型还不够精确，以及系统噪声和图像采集传感器自身缺陷的影响，导致该方法的测量精度偏低、成本较高，影响了该方法在三维变形精确测量领域的应用。本项目通过深入研究彩色数字全息衍射计算理论，结合现代信号处理领域前沿研究成果，开展彩色数字全息三维变形精确测量方法研究。提出基于相位图相关因子的多通道重建距离精确确定方法，结合基于稀疏表示的图像处理理论，建立强健的相位噪声抑制及恢复方法；基于全息局部重建与焦深理论、曲面光源变换理论，建立非平面物体三维变形场的精确测量方法；提出基于稀疏表示理论的Bayer彩色相机单色全息图超分辨率提取方法，建立低成本、高精度、超分辨率的彩色数字全息三维变形测量方法。为彩色数字全息在三维变形测量领域的应用和推广奠定理论基础。

随着现代科学技术的发展，对物体表面的微小变形的实时三维测量需求日趋强烈。彩色数字全息可应用于物体表面三维变形场的实时测量，其测量灵敏度可达激光波长量级。本项目通过深入研究彩色数字全息衍射计算理论，结合现代信号处理领域前沿研究成果，开展彩色数字全息三维变形精确测量方法研究，主要开展了以下几个方面的研究工作： 1）针对数字全息包裹相位图被散斑噪音干扰的问题，提出了恢复强去相关噪声和位错破坏相位数据的优化处理算法，实现了高散斑噪音环境下包裹图像的相位恢复算法； 2）基于对抗神经网络，提出了一种基于深度学习的散斑噪音降噪算法，实现了高散斑噪音环境下包裹图像的降噪和解包裹算法； 3）基于非平面物体表面三维变形场的彩色数字全息精确测量方法研究，提出了一种彩色数字全息检测系统，并应用于不同酸蚀条件下的牙齿侵蚀状态检测，该系统可重建样品的三维变形场，具有精度高、全场检测、无损、快速、稳定等优点； 4）针对数字全息技术测量物体表面三维微小变形时，检测光路都比较复杂的问题，提出了一种基于多相机多传感器的数字全息三维变形检测方法； 5）在相干光成像理论方面，将传递函数的物理意义定义为几何光学像经过特定距离进行菲涅耳衍射的空间滤波器,相较于传统的近似计算,定义了更加精确的传递函数； 6）基于激光二极管的低成本数字全息方法研究，建立了低成本激光二极管的波长实时标定与校正方法，构建了低成本数字全息图高精度提取方法。本项目完成了计划书规定的主要研究任务，实现了预期目标，对彩色数字全息在三维变形测量领域的应用和推广奠定理论基础。