基于深度学习的扩展双光子成像视场研究
这是一篇关于荧光显微,深度学习,自适应光学,大视场,点扩散函数的论文, 主要内容为双光子成像技术已被广泛应用于活体肿瘤成像、神经功能成像以及大脑疾病研究等众多领域,但是双光子成像视场较小(一般为1 mm以内)限制了其在多脑区甚至全脑成像方面的研究与其进一步应用。增大双光子显微成像视场的常见途径是通过特殊的光学设计增大扫描振镜的扫描角度或者利用自适应光学技术分块补偿有效视场,以达到增大视场的效果。然而,通过硬件方式扩展双光子成像视场往往会引入大量的离轴像差,而离轴像差会降低系统的成像性能;同时,复杂的光路设计和高昂的器件成本以及繁琐的操作过程限制了这些技术的推广。针对此问题,本文从图像后处理的角度出发,提出了一种利用深度学习技术替代自适应光学技术扩展双光子成像视场的新思路,在低成本(无需特殊物镜,无需相位补偿装置)、易操作的前提下实现大视场双光子成像,减少了人力和时间成本。本文的主要工作包括以下几点:1.开展了基于U型网络的卷积神经网络研究以及光学像差影响分析。基于泽尼克多项式建立了像差理论模型,分析了光学系统前15项泽尼克多项式及其对应点扩散函数(Point Spread Function,PSF)的关系。研究了AO(adaptive optics)系统成像模型,利用一次快速傅里叶变换,构建了系统的仿真PSF。根据光学退化公式,将所收集到的清晰图像与仿真PSF卷积后添加高斯噪声得到仿真图像。利用所生成的仿真数据集进行仿真实验,实验结果证实了深度学习用于扩展双光子成像视场的可行性。比较了不同的U型网络的性能优劣,确定适合扩展双光子成像视场的最佳网络模型。2.设计了一种适用于光学显微系统中扩展双光子成像视场的nBRAnet(no BN structure of attention activated residual U-Net)网络框架。在该框架中引入残差模块和空间注意力机制提取图像的有效特征信息,去除数据归一化处理加强图像对比度信息。同时,对双光子成像系统采集的实验数据集通过提高信噪比和配准图像的三维位置等方法进行了数据增强及优化。实验结果表明,提出的n BRAnet可以有效地代替自适应光学技术,增强扩展视场中的精细结构特征,恢复扩展视场成像分辨率和信噪比,其中峰值信噪比可达27 d B。综上所述,深度学习方法为扩展双光子成像视场开辟了新的途径,图像增强效果显著,成本低,操作简单,具有重要的科研价值与研究意义,为跨区域脑成像或全脑成像提供了一种经济实用的方案。
基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统设计
这是一篇关于大视场,高分辨率,阵列相机,FPGA,图像采集存储的论文, 主要内容为随着图像采集设备与图像处理技术的发展,国防安全、航空航天、安防监控等应用领域对获取的图像提出了更高的要求,需要图像拥有较大视场的同时具有较高的分辨率。受限于传统成像系统中大视场和高分辨率相互制约的矛盾,一般的相机系统随着视场角的增大,采集到的图像分辨率会下降,无法保证图像细节。因此,研究一种能够同时获取大视场高分辨的成像系统具有重要的研究意义。近年来使用多个相机组成阵列相机系统采集图像成为其中一种研究方向,在保证图像具有大视场的同时也兼顾了图像的高分辨率。目前该类系统存在系统成本高、开发难度大、不利于后期升级维护、系统扩展性低等问题。针对这些问题,本文结合上位机软件和硬件电路系统的特点,设计了一套图像采集系统,硬件部分具体包括1路全局相机和55路子相机。全局相机用于获取大视场的图像,显示分辨率为4000×3000@20fps;子相机覆盖全局相机视场,获取图像细节,显示分辨率为1920×1080@10fps。系统采用上位机和Xilinx公司的FPGA控制,实现图像数据的采集传输、显示、存储下载等功能。本文的主要研究工作如下。(1)分析了阵列相机系统的实现功能,确定本文系统的整体架构和设计方案。方案将整个系统分5级硬件子系统,并将图像采集、传输、存储、缓存等功能划分至不同的子系统。数据交互系统完成指令接收转发以及数据缓存;全局相机处理系统完成指令转发、全局相机数据缓存;全局相机系统完成全局相机数据采集传输;子相机处理系统完成子相机数据采集传输,根据指令实现不同功能;存储系统完成子相机数据的存储下载。(2)完成了各级硬件子系统的电路设计。包括确定各子系统间的接口协议,完成器件选型、原理图和PCB设计等主要工作,最终得到数据交互电路板、相机数据处理板、全局相机CMOS电路板、子相机CMOS电路板、全局相机处理板、存储电路板6类硬件电路板。(3)完成了硬件系统中FPGA逻辑设计实现。使用Verilog HDL语言进行FPGA开发,主要逻辑设计包括PCIe通信、指令的接收转发机制、GTP传输、DDR3缓存管理、AXI4读写协议、SERDES高速传输、同步串口收发、相机CMOS配置、相机数据接收、存储下载实现、e MMC初始化和数据传输等。(4)完成了各级硬件子系统的测试以及系统整体测试。包括硬件电路板上电测试、验证逻辑功能、对系统整体功能进行测试。通过对测试结果、FPGA消耗的资源进行分析,总结系统存在的问题,提出系统的改进优化方案。本文设计的广域高分辨率系统能够实现1路全局相机和4路子相机显示,同时支持对55路子相机的图像数据存储,具有优秀的图像处理性能、良好的扩展性、硬件成本低、便于升级维护等特点,能够实际应用在对大视场、高分辨率有迫切需求的场景下,例如公共安防、广域监控等。本文系统在大视场的基础上进行分区域管理,能够对不同区域进行图像细节放大处理,在原理上为阵列相机的研发提供了参考,具有实际的理论意义。
基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统设计
这是一篇关于大视场,高分辨率,阵列相机,FPGA,图像采集存储的论文, 主要内容为随着图像采集设备与图像处理技术的发展,国防安全、航空航天、安防监控等应用领域对获取的图像提出了更高的要求,需要图像拥有较大视场的同时具有较高的分辨率。受限于传统成像系统中大视场和高分辨率相互制约的矛盾,一般的相机系统随着视场角的增大,采集到的图像分辨率会下降,无法保证图像细节。因此,研究一种能够同时获取大视场高分辨的成像系统具有重要的研究意义。近年来使用多个相机组成阵列相机系统采集图像成为其中一种研究方向,在保证图像具有大视场的同时也兼顾了图像的高分辨率。目前该类系统存在系统成本高、开发难度大、不利于后期升级维护、系统扩展性低等问题。针对这些问题,本文结合上位机软件和硬件电路系统的特点,设计了一套图像采集系统,硬件部分具体包括1路全局相机和55路子相机。全局相机用于获取大视场的图像,显示分辨率为4000×3000@20fps;子相机覆盖全局相机视场,获取图像细节,显示分辨率为1920×1080@10fps。系统采用上位机和Xilinx公司的FPGA控制,实现图像数据的采集传输、显示、存储下载等功能。本文的主要研究工作如下。(1)分析了阵列相机系统的实现功能,确定本文系统的整体架构和设计方案。方案将整个系统分5级硬件子系统,并将图像采集、传输、存储、缓存等功能划分至不同的子系统。数据交互系统完成指令接收转发以及数据缓存;全局相机处理系统完成指令转发、全局相机数据缓存;全局相机系统完成全局相机数据采集传输;子相机处理系统完成子相机数据采集传输,根据指令实现不同功能;存储系统完成子相机数据的存储下载。(2)完成了各级硬件子系统的电路设计。包括确定各子系统间的接口协议,完成器件选型、原理图和PCB设计等主要工作,最终得到数据交互电路板、相机数据处理板、全局相机CMOS电路板、子相机CMOS电路板、全局相机处理板、存储电路板6类硬件电路板。(3)完成了硬件系统中FPGA逻辑设计实现。使用Verilog HDL语言进行FPGA开发,主要逻辑设计包括PCIe通信、指令的接收转发机制、GTP传输、DDR3缓存管理、AXI4读写协议、SERDES高速传输、同步串口收发、相机CMOS配置、相机数据接收、存储下载实现、e MMC初始化和数据传输等。(4)完成了各级硬件子系统的测试以及系统整体测试。包括硬件电路板上电测试、验证逻辑功能、对系统整体功能进行测试。通过对测试结果、FPGA消耗的资源进行分析,总结系统存在的问题,提出系统的改进优化方案。本文设计的广域高分辨率系统能够实现1路全局相机和4路子相机显示,同时支持对55路子相机的图像数据存储,具有优秀的图像处理性能、良好的扩展性、硬件成本低、便于升级维护等特点,能够实际应用在对大视场、高分辨率有迫切需求的场景下,例如公共安防、广域监控等。本文系统在大视场的基础上进行分区域管理,能够对不同区域进行图像细节放大处理,在原理上为阵列相机的研发提供了参考,具有实际的理论意义。
基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统设计
这是一篇关于大视场,高分辨率,阵列相机,FPGA,图像采集存储的论文, 主要内容为随着图像采集设备与图像处理技术的发展,国防安全、航空航天、安防监控等应用领域对获取的图像提出了更高的要求,需要图像拥有较大视场的同时具有较高的分辨率。受限于传统成像系统中大视场和高分辨率相互制约的矛盾,一般的相机系统随着视场角的增大,采集到的图像分辨率会下降,无法保证图像细节。因此,研究一种能够同时获取大视场高分辨的成像系统具有重要的研究意义。近年来使用多个相机组成阵列相机系统采集图像成为其中一种研究方向,在保证图像具有大视场的同时也兼顾了图像的高分辨率。目前该类系统存在系统成本高、开发难度大、不利于后期升级维护、系统扩展性低等问题。针对这些问题,本文结合上位机软件和硬件电路系统的特点,设计了一套图像采集系统,硬件部分具体包括1路全局相机和55路子相机。全局相机用于获取大视场的图像,显示分辨率为4000×3000@20fps;子相机覆盖全局相机视场,获取图像细节,显示分辨率为1920×1080@10fps。系统采用上位机和Xilinx公司的FPGA控制,实现图像数据的采集传输、显示、存储下载等功能。本文的主要研究工作如下。(1)分析了阵列相机系统的实现功能,确定本文系统的整体架构和设计方案。方案将整个系统分5级硬件子系统,并将图像采集、传输、存储、缓存等功能划分至不同的子系统。数据交互系统完成指令接收转发以及数据缓存;全局相机处理系统完成指令转发、全局相机数据缓存;全局相机系统完成全局相机数据采集传输;子相机处理系统完成子相机数据采集传输,根据指令实现不同功能;存储系统完成子相机数据的存储下载。(2)完成了各级硬件子系统的电路设计。包括确定各子系统间的接口协议,完成器件选型、原理图和PCB设计等主要工作,最终得到数据交互电路板、相机数据处理板、全局相机CMOS电路板、子相机CMOS电路板、全局相机处理板、存储电路板6类硬件电路板。(3)完成了硬件系统中FPGA逻辑设计实现。使用Verilog HDL语言进行FPGA开发,主要逻辑设计包括PCIe通信、指令的接收转发机制、GTP传输、DDR3缓存管理、AXI4读写协议、SERDES高速传输、同步串口收发、相机CMOS配置、相机数据接收、存储下载实现、e MMC初始化和数据传输等。(4)完成了各级硬件子系统的测试以及系统整体测试。包括硬件电路板上电测试、验证逻辑功能、对系统整体功能进行测试。通过对测试结果、FPGA消耗的资源进行分析,总结系统存在的问题,提出系统的改进优化方案。本文设计的广域高分辨率系统能够实现1路全局相机和4路子相机显示,同时支持对55路子相机的图像数据存储,具有优秀的图像处理性能、良好的扩展性、硬件成本低、便于升级维护等特点,能够实际应用在对大视场、高分辨率有迫切需求的场景下,例如公共安防、广域监控等。本文系统在大视场的基础上进行分区域管理,能够对不同区域进行图像细节放大处理,在原理上为阵列相机的研发提供了参考,具有实际的理论意义。
基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统设计
这是一篇关于大视场,高分辨率,阵列相机,FPGA,图像采集存储的论文, 主要内容为随着图像采集设备与图像处理技术的发展,国防安全、航空航天、安防监控等应用领域对获取的图像提出了更高的要求,需要图像拥有较大视场的同时具有较高的分辨率。受限于传统成像系统中大视场和高分辨率相互制约的矛盾,一般的相机系统随着视场角的增大,采集到的图像分辨率会下降,无法保证图像细节。因此,研究一种能够同时获取大视场高分辨的成像系统具有重要的研究意义。近年来使用多个相机组成阵列相机系统采集图像成为其中一种研究方向,在保证图像具有大视场的同时也兼顾了图像的高分辨率。目前该类系统存在系统成本高、开发难度大、不利于后期升级维护、系统扩展性低等问题。针对这些问题,本文结合上位机软件和硬件电路系统的特点,设计了一套图像采集系统,硬件部分具体包括1路全局相机和55路子相机。全局相机用于获取大视场的图像,显示分辨率为4000×3000@20fps;子相机覆盖全局相机视场,获取图像细节,显示分辨率为1920×1080@10fps。系统采用上位机和Xilinx公司的FPGA控制,实现图像数据的采集传输、显示、存储下载等功能。本文的主要研究工作如下。(1)分析了阵列相机系统的实现功能,确定本文系统的整体架构和设计方案。方案将整个系统分5级硬件子系统,并将图像采集、传输、存储、缓存等功能划分至不同的子系统。数据交互系统完成指令接收转发以及数据缓存;全局相机处理系统完成指令转发、全局相机数据缓存;全局相机系统完成全局相机数据采集传输;子相机处理系统完成子相机数据采集传输,根据指令实现不同功能;存储系统完成子相机数据的存储下载。(2)完成了各级硬件子系统的电路设计。包括确定各子系统间的接口协议,完成器件选型、原理图和PCB设计等主要工作,最终得到数据交互电路板、相机数据处理板、全局相机CMOS电路板、子相机CMOS电路板、全局相机处理板、存储电路板6类硬件电路板。(3)完成了硬件系统中FPGA逻辑设计实现。使用Verilog HDL语言进行FPGA开发,主要逻辑设计包括PCIe通信、指令的接收转发机制、GTP传输、DDR3缓存管理、AXI4读写协议、SERDES高速传输、同步串口收发、相机CMOS配置、相机数据接收、存储下载实现、e MMC初始化和数据传输等。(4)完成了各级硬件子系统的测试以及系统整体测试。包括硬件电路板上电测试、验证逻辑功能、对系统整体功能进行测试。通过对测试结果、FPGA消耗的资源进行分析,总结系统存在的问题,提出系统的改进优化方案。本文设计的广域高分辨率系统能够实现1路全局相机和4路子相机显示,同时支持对55路子相机的图像数据存储,具有优秀的图像处理性能、良好的扩展性、硬件成本低、便于升级维护等特点,能够实际应用在对大视场、高分辨率有迫切需求的场景下,例如公共安防、广域监控等。本文系统在大视场的基础上进行分区域管理,能够对不同区域进行图像细节放大处理,在原理上为阵列相机的研发提供了参考,具有实际的理论意义。
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