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Real-Time Dense Field Phase-to-Space Simulation of Imaging Through Atmospheric Turbulence

泽尼克多项式 算法 网格 计算机科学 像素 数学 人工智能 几何学 物理 光学 波前
作者
Nicholas Chimitt,Xingguang Zhang,Zhiyuan Mao,Stanley H. Chan
出处
期刊:IEEE transactions on computational imaging 卷期号:8: 1159-1169 被引量:15
标识
DOI:10.1109/tci.2022.3226293
摘要

Numerical simulation of atmospheric turbulence is one of the biggest bottlenecks in developing computational techniques for solving the inverse problem in long-range imaging. The classical split-step method is based upon numerical wave propagation which splits the propagation path into many segments and propagates every pixel in each segment individually via the Fresnel integral. This repeated evaluation becomes increasingly time-consuming for larger images. As a result, the split-step simulation is often done only on a sparse grid of points followed by an interpolation to the other pixels. Even so, the computation is expensive for real-time applications. In this paper, we present a new simulation method that enables real-time processing over a dense grid of points. Building upon the recently developed multi-aperture model and the phase-to-space transform, we overcome the memory bottleneck in drawing random samples from the Zernike correlation tensor. We show that the cross-correlation of the Zernike modes has an insignificant contribution to the statistics of the random samples. By approximating these cross-correlation blocks in the Zernike tensor, we restore the homogeneity of the tensor which then enables Fourier-based random sampling. On a $512\times 512$ image, the new simulator achieves 0.025 seconds per frame over a dense field. On a $3840 \times 2160$ image which would have taken 13 hours to simulate using the split-step method, the new simulator can run at approximately 60 seconds per frame.

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