基于GPU的快速夏克-哈特曼波前重构方法研究

文章编号： （ ）基于哈特曼夏克波前探测的图像解卷积：室内结果!饶长辉张学军姜文汉（中国科学院光电技术研究所，成都）摘要：在简要介绍哈特曼夏克波前传感器原理和基于波前传感的目标图像解卷积恢复技术的基础上，分别给出了室内模拟点源和扩展源情况时畸变目标光斑图像解卷积处理的实验结果。

结果表明，基于波前探测的图像解卷积事后处理能够有效地对畸变目标图像进行恢复。

关键词：哈特曼夏克波前传感器；事后处理；图像恢复；扩展目标中图分类号：文献标识码：引言自适应光学技术能够实时测量并且校正受到大气湍流扰动的光学相位波前，从而在天文观测、激光传输等领域得到广泛应用［ ，］。

一个典型的自适应光学系统主要由波前探测、波前重构和波前校正三部分组成。

为了取得接近衍射极限的光学性能，系统的技术要求非常高，因而系统比较复杂，成本昂贵。

另外在一定的条件下，自适应光学系统中不可避免地存在波前校正残余误差而使系统校正后的像质受到一定影响。

为了简化系统和降低成本以及进一步提高自适应光学系统校正后的图像像质，通常采用“事后处理”的办法，对畸变光斑图像进行恢复［ ］。

“事后处理”的方法有很多种，其中基于波前探测的图像解卷积就是一种非常有效的办法。

哈特曼夏克波前探测器［］是一种常见的波前探测器，并在自适应光学系统中广泛采用。

本文基于哈特曼夏克波前传感器的图像恢复技术，针对室内模拟点源和模拟扩展源两种信标，分别对畸变光斑图像进行了图像解卷积处理。

哈特曼夏克波前传感器原理哈特曼夏克波前传感器［］主要由微透镜阵列、匹配透镜和 相机组成，如图 所示。

一般情况下，通常采用重心算法测量阵列透镜焦面上畸变波前所成像斑的质心坐标位置与参考波前质心位置之差，再根据简单的几何关系就可以求出畸变波前上被各阵列透镜分割的子孔径范围内波前的平均斜率，进而可求得全孔径波前的相位分布。

!国家自然科学基金（ ）资助课题。

收稿日期： ；收到修改稿日期：泽尼克模式波前复原在自适应光学系统中，通常根据哈特曼夏克波前传感器测量光波前在各个子孔径两个正交方向上的波前斜率来间接测量波前相位，用矩阵形式表示为! "#，（ ）其中! ［ ， ， ， ，…， ， ］是波前斜率向量，"是维数为 的泽尼克模式斜率第 卷第 期 年 月光学学报，，响应矩阵，［a，a，…，aN］为N阶泽尼克模式系数矩阵。

目次1 范围 (1)2 规范性引用文件 (1)3 术语和定义 (1)4 原理 (2)夏克-哈特曼光电测量法 (2)光学系统波前像差测量 (3)光学零件的面形偏差的测量 (4)5 测量条件 (6)测量环境 (6)样品 (6)6 设备及装置 (6)夏克-哈特曼波前像差测量仪 (6)辅助镜头 (7)7 测量步骤 (7)测量前准备 (7)选择波前复原方法 (7)对准 (8)测量与数据的判定 (8)8 测量数据处理 (8)9 精密度 (8)10 测量报告 (9)附录A（资料性）波前复原方法 (10)附录B（资料性）Zernike多项式序列 (13)光学系统波前像差的测定夏克-哈特曼光电测量法1 范围本文件描述了采用夏克-哈特曼光电测量法测量光学系统波前像差的原理、测量条件、设备及装置、测量步骤、测量数据处理、精密度和测量报告。

本文件适用于采用夏克-哈特曼光电测量法测量光学系统波前像差的测试，也适用于采用夏克-哈特曼光电测量法测量光学零件面形偏差的测试。

2 规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。

3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

波前wavefront又称波面。

光波传播时的等相位面。

[来源:GB/T 13962—2009，2.28,有修改]3.2波前像差wavefront aberration又称波像差。

通过光学系统后的实际波前相对于理想波前的偏差。

[来源:GB/T 13962—2009，5.2，有修改]3.3面形偏差surface form deviation被测光学表面相对于参考光学表面的偏差。

[来源：GB/T 2831—2009，3.1]3.4波前重构wavefront reconstruction通过子孔径的斜率计算得到入射波前的相位分布的过程。

3.5口径diameter仪器能够检测的光学零件或系统的通光孔径。

3.6自准直法autocollimation method使平行光管发出的平行光照射在试样上，再由试样反射回平行光管，根据焦点附近像的情况测定试样的倾斜等的方法。

哈特曼-夏克波前传感器的最优模式复原童桂;廖文和;梁春【摘要】为了减少波前探测斜率噪声对于基于哈特曼-夏克波前传感器的Zernike 复原模式的影响,采用对波前复原矩阵斜率噪声影响的相关分析和线性解耦变换的方法,得到一组基于哈特曼-夏克传感器斜率探测噪声的Zernike最优复原模式,通过合理剔除波前模式复原中易受噪声影响的模式组合,减少了波前测量噪声引起的波前模式复原误差;采用蒙特卡罗随机试验法,验证了一子孔径成方形排布的波前传感器对于波前斜率噪声的受影响程度,仿真结果显示,复原模式系数误差由0.0212λ下降为0.0048λ.结果表明,在剔除部分模式项后,最优复原模式统计优化对于滤除波前斜率探测噪声有一定的作用,提高了波前探测器的探测精度和复原能力.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2008(032)004【总页数】4页(P387-389,392)【关键词】测量与计量;最优模式;相关分析;探测噪声【作者】童桂;廖文和;梁春【作者单位】南京航空航天大学,机电学院,南京,210016;南京航空航天大学,机电学院,南京,210016;南京航空航天大学,机电学院,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TP212.14引言哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器常作为自适应光学系统的核心器件之一，用于探测入射孔径内的畸变波前[1-2]。

波前复原算法通常采用区域法、直接斜率法和模式法[3-4]，入射畸变波前的模式法复原有助于对自适应光学的理解，在一些特殊应用场合(例如人眼波前像差测量)模式法与传统的离焦、像差等相对应，其中模式法经常采用以Zernike多项式为基底函数进行波前模式复原[5-6]。

由于H-S波前传感器的空间分辨率是有限的,其理论上的空间分辨率不会好于1/d(d为传感器子孔径直径),所以基于Zernike模式法可准确复原模式阶数也有范围。

YANG等人[7]分析了不同子孔径分布的模式正交化原理，得出了模式耦合是影响模式复原精度的主要原因。

稀疏表示的夏克-哈特曼波前传感器信号提取张艳艳;许文涛;陈苏婷【摘要】由于背景噪声及探测器噪声的存在，夏克-哈特曼波前传感器质心探测误差较大，本文提出了一种在稀疏域去除背景噪声及探测器噪声的方法。

首先采用二维高斯模型生成光斑信号样本图像，构造超完备目标字典，依次对测试图像分块计算其在超完备字典中的表示系数，利用噪声、背景和目标表示系数的不同，通过认为设定阈值来判别该图像块是否为光斑信号。

结果表明，本文处理方法能够较好的提取出光斑信号，且与减阈值算法相比，其处理后质心偏差、RMS及PV值都较小。

%Due to the background noise and the detector noise, the centroid error of Shack-Hartmann wavefront sensor is relatively large. A method to filter the noise in sparse region is proposed. First, the sample image is generated by using the two-dimension Gauss model and the over-complete target dictionary is constructed. Then, the sub-image blocks of the test image are extracted successively and the corresponding coefficients are calculated with the constructed over-complete target dictionary. Since the coefficients between the noise and the target are large different, the difference by setting a threshold is used to subtract the target. Experimental results show that, the target can be well subtracted, while the centroid deviation and the RMS and PV of the centroid are smaller than using the method of subtracting threshold.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2016(043)004【总页数】7页(P48-54)【关键词】自适应光学;夏克-哈特曼波前传感器;稀疏表示;质心偏差【作者】张艳艳;许文涛;陈苏婷【作者单位】南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京210044;南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京 210044;南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京 210044【正文语种】中文【中图分类】TN919.80 引言夏克-哈特曼波前传感器(Shack-Hartmann wavefront sensor，S-H WFS)由于其光能利用率高、结构简单等优点，在自适应光学系统中(Adaptive Optics，AO)得到广泛的应用[1]，由于S-H WFS是通过探测子孔径的会聚光斑的强度分布来计算光斑的质心位置，而背景噪声及系统所产生的噪声对光斑的强度影响较大，导致质心误差较大，严重影响了AO系统对波前误差的校正能力[1-2]。

基于累加器的哈特曼-夏克波前斜率处理器樊志华;王春鸿;姜文汉【摘要】在硬件资源有限的情况下,为了支持尽可能多的子孔径进行实时波前斜率处理,提出了一种基于累加器的波前斜率处理器.该处理器的运算核心是子光斑质心计算模块,根据二维图像矩计算的可分解性以及一维矩的递推累加求解方法,用加法运算代替子孔径坐标与像素灰度的乘法运算,获得灰度重心法所需的所有二维低阶矩.该模块仅由5个累加器组成,硬件实现时避免了乘法器的使用,降低了资源消耗.仿真实验结果表明:对于22×22方形排布的哈特曼-夏克波前传感器图像,本文的结构可在FPGA内实现;在100 MHz的工作频率下,完成一帧所有子孔径斜率计算的延迟时间为0.33 μs,计算误差<0.002 pixel;与传统的波前斜率处理器相比,其逻辑资源消耗减小了40%左右.所提出的结构能够在不增加额外资源的情况下,通过对原波前斜率处理器进行升级来完成,其支持的子孔径数目增加1倍左右,实现了波前斜率的高速、高精度提取.%In order to accommodate as many subapertures as possible in the high-speed wavefront slope calculation when hardware resources were limited, an accumulator-based wavefront slope processor was proposed. The computational core of the processor is an array of subaperture spot centroid calculating element. According to the decomposition of 2D moment calculation and the recursive procedure of 1D moment calculation,it can substitute the multiplications between the pixel grayvalues and its coordinates with several sum operations to obtain the low order 2D geometric moments required in centroiding. The calculating element simply consists of five accumulators, and the cost has been decreased because no multipliers are needed. Experimental resultsindicate that when it is implemented in a Field Programmable GateArray(FPGA) at a clock frequency of 100 MHz, the proposed architecture ca n obtain gradients of all subapertures in 22×22 Shack-Hartmann with the latency no more than 0.33 μs and the error less than 0.002 pixel. The new design has reduced the hardware resource by 40％ as compared to that of the multiplier-based architecture. Furthermore, the original multiplierbased processor can be updated for Shack-Hartmann sensors and can obtain the subapertures twice as much as that of original one without additional hardware resources. It realizes the high speed measurement of wavefront with a high accuracy.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)003【总页数】7页(P501-507)【关键词】自适应光学;Shack-Hartmann传感器;灰度重心法;几何矩;波前斜率处理【作者】樊志华;王春鸿;姜文汉【作者单位】中国科学院,光电技术研究所,自适应光学研究室,四川,成都610209;中国科学院,自适应光学重点实验室,四川,成都610209;中国科学院,研究生院,北京100039;中国科学院,光电技术研究所,自适应光学研究室,四川,成都610209;中国科学院,自适应光学重点实验室,四川,成都610209;中国科学院,光电技术研究所,自适应光学研究室,四川,成都610209;中国科学院,自适应光学重点实验室,四川,成都610209【正文语种】中文【中图分类】TP212.14;O439哈特曼-夏克传感器是目前应用最广泛的波前传感器[1-2],通常由微透镜阵列与CCD相机组成。

基于Shark-Hartmann理论的波前探测技术研究郭广妍;樊仲维;余锦;葛文琦;康治军;唐熊忻;貊泽强;王昊成;石朝辉【摘要】精确的波前探测是反射镜面型检测及光束波前畸变测量的重要依据，论文根据Shark-Hartmann理论对波前探测技术进行了模拟和实验研究。

将平行光经过球面透镜/柱面透镜后形成的球面波/柱面波作为探测波前。

实验采用商用的微透镜阵列和CCD搭建Shark-Hart-mann传感器，利用实际光束作为参考光，避免了参考光的不准直性对实验的影响。

模拟计算结果表明平均曲率误差为13．423mm，实验结果实现了对球面/柱面/倾斜波的探测及复原。

%Precise wavefront detection is an important basis for reflection mirror figure test and wavefront distortion measurement .According to the theory of Shark-Hartmann ,the wavefront detecting technique was studied by simulation and experiments .The spherical wave/cylindrical wave ,formated by the parallel lights transmitting through the spherical lens/cylindrical lens , were detected as the wavefronts .In experiment the commercial microlens array and charge coupled de-vice (CCD) were utilized to build the Shark-Hartmann sensor ,and the actual light beam was used as a reference to avoid the influence of the optical alignment error on system .The simulated calculation results show that the mean curvature error is 13 .423 mm ,and the experimental results indicate that the spherical/cylindrical/tilt w ave detection and recovery can be realized .【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】7页(P823-829)【关键词】自适应光学;Shark-Hartmann传感器;波前重构;Zernike多项式【作者】郭广妍;樊仲维;余锦;葛文琦;康治军;唐熊忻;貊泽强;王昊成;石朝辉【作者单位】中国科学院光电研究院，北京100094; 中国科学院大学，北京100049; 中国国科世纪激光技术有限公司，北京102211;中国科学院光电研究院，北京100094;中国科学院光电研究院，北京100094;中国科学院光电研究院，北京100094;中国科学院光电研究院，北京100094; 中国科学院大学，北京100049;中国科学院光电研究院，北京100094;中国科学院光电研究院，北京100094;中国科学院光电研究院，北京100094; 中国科学院大学，北京100049;中国科学院光电研究院，北京100094; 中国国科世纪激光技术有限公司，北京102211【正文语种】中文【中图分类】TN247引言波前探测技术一直伴随着光学及光电子学同步发展，具有悠久的历史。

基于GPU加速的高效数据压缩算法研究随着现代计算机在数据处理和分析方面的应用越来越广泛，数据的压缩技术也变得越来越重要。

这是因为数据压缩可以极大地减少数据存储和传输所需的带宽，从而降低成本，提高效率。

目前，许多传统的压缩算法已经不能满足大规模数据处理的需求，因为它们运行速度较慢，效率较低。

因此，基于GPU加速的高效数据压缩算法成为研发的热点。

1. GPU加速技术GPU加速技术是建立在图形处理器（GPU）上的一种计算模型。

它利用GPU并行处理普通计算机的数据，提高计算机的运算速度和效率。

GPU的并行计算能力比CPU强大得多，因此，GPU加速技术可以在数据压缩中大大提高算法的执行速度和效率。

2. 基于GPU的数据压缩算法（1）基于哈夫曼编码的合并码算法哈夫曼编码是一种常用的数据压缩算法。

它通过统计字符出现的频率来生成一棵哈夫曼树，然后将二进制代码分配给每个字符。

合并码算法是哈夫曼码的一种改进，它将相邻的字符直接合并成一个符号，以达到更高的压缩比。

这种算法的运行速度在CPU上比较慢，但在GPU上可以被加速实现。

（2）基于移动平均无损压缩算法移动平均无损压缩算法是一种基于数据平滑和差分计算的数据压缩算法。

它通过计算数据的平均值来实现数据平滑，然后将数据与平均值进行差分计算，从而抑制了数据的高频成分。

这种算法的实现比较简单且效果显著，特别适合GPU加速。

（3）基于离散小波变换的无损压缩算法离散小波变换（DWT）是一种将信号进行尺度和位置分析的数学方法。

它将原始信号分解成多个频率子带，从而可以实现对信号的局部分析和特征提取。

基于DWT的数据压缩算法可以在GPU上被加速实现，它的压缩效果比较好，适用于许多不同类型的数据。

3. GPU加速的数据压缩技术优缺点（1）优点：提高压缩算法的执行速度和效率，降低数据存储和传输的成本。

因为GPU的并行计算能力比CPU强大得多，所以压缩率很高，压缩效果比CPU实现的算法好。