基于改进Transformer网络的水下散射介质鬼成像研究

《Optics and Lasers in Engineering》：Improved transformer-based ghost imaging in underwater scattering medium

本文提出了一种基于改进Transformer（依赖解耦机制DDM）的端到端监督学习鬼成像（GI）方法，通过离散余弦变换（DCT）图案和单像素探测，在低采样率（1.56%）和中等散射（50 g/L）条件下，实现了峰值信噪比（PSNR）平均提升3–4 dB、结构相似性（SSIM）提升约10%的高质量图像重建，显著增强了水下复杂光学环境中的成像鲁棒性。

　　

理论方法

计算鬼成像通常在清晰大气或高能见度真空环境下进行。单像素（或称桶）探测器的测量值B_i可表示为：

B_i = ∫_-∞^+∞∫_-∞^+∞ f(x,y) φ_i(x,y) dx dy

其中f(x,y)是待成像物体，φ_i(x,y)是第i个投影图案（通常是随机散斑或其他特定结构图案），即照射到物体上的光强分布。

在纯净水下环境中，公式（1）可以...

实验装置

图1示意性地展示了水下散射介质中的鬼成像实验装置。在该系统中，采用数字微镜器件（DMD, ViALUX V-7001）来投影图案。波长为532 nm的激光束照射加载有离散余弦变换（DCT）图案的DMD进行空间调制。调制后的光束随后穿过散射介质，与目标物体相互作用。最后，光被汇聚到单像素探测器（SPD, Thorlabs）中。

结论

本研究提出了一种新颖的端到端监督学习鬼成像网络，用于低采样条件下的水下散射介质成像。它集成了离散余弦变换（DCT）图案，能够以更少的测量次数重建高质量图像。与以往的端到端鬼成像方法相比，该方法展现出显著增强的抗散射能力。在准静态水下环境中，它在更高浊度条件下实现了清晰的成像性能。