一种可抑制重采样误差的频域光场数字重聚焦算法制造技术

本发明专利技术的一种可抑制重采样误差的频域光场数字重聚焦算法属于光场图像计算领域，解决了现有频域数字重聚焦技术在频域数据重采样时会引起重采样误差，在重建图像中生成伪影的问题，具体步骤为：首先根据重聚焦深度对4D光场先进行空域坐标变换，然后在其傅里叶频谱中取水平方向中心切片，最后将中心切片进行2D傅里叶逆变换得到重聚焦图像，该算法通过对原始4D光场进行空域坐标变换，有效地避免了频域坐标变换引起的离散数据重采样所产生的误差。和传统的基于傅里叶投影切片定理的光场数字重聚焦方法相比，本发明专利技术所提算法所需的运算步骤更少、计算复杂度更低。同时可以获得与公认的鲁棒性最强的空域投影积分数字重聚焦算法等同的重聚焦效果。

【技术实现步骤摘要】
一种可抑制重采样误差的频域光场数字重聚焦算法
本专利技术属于光场图像计算领域，特别是涉及一种可抑制重采样误差的频域光场数字重聚焦算法。
技术介绍
随着光场渲染理论及全光函数的不断发展，光场成像技术成为现代计算摄影学的一个热点话题，凭借先拍照后聚焦的显著优点，光场相机在过去十年里引领了数码界的一次革命。根据光场的双平面参数化模型，Ng在传统相机的传感器前放置微透镜阵列来获取4D光场，并将这种光场相机模型称为全光相机。微透镜阵列的设计起到了相机内部分光的作用，使得光场相机不仅记录光线的位置信息，同时还记录光线的方向信息。光场相机有两个重要的应用，即获取高质量的场景纹理信息和计算高精度的场景深度信息，而微透镜中心坐标标定和数字重聚焦技术是纹理获取和深度计算技术的基础。例如，只有完成了微透镜中心坐标标定，才能从光场原图中解码4D光场；利用4D光场，可以得到存在微小视差的子孔径图像；针对不同位置的重聚焦图像，可以采用图像融合算法得到全聚焦图像；基于重聚焦图像或子孔径图像，采用散焦或立体匹配理论可得到深度图。另外，受微透镜阵列光场相机模型限制，目前光场相机的重聚焦图像及子孔径图像的分辨率有限，因此光场图像的超分辨率重构技术也受到了人们的深入研究。数字重聚焦技术是是光场相机得以普遍应用的基础，传统的数字重聚焦技术采用空域投影积分方法，在光场投影前需先根据聚焦深度对光场进行坐标变换，该坐标变换矩阵由Ng给出。为了在不同深度处获得像素大小相近的重聚焦图像，Tao对Ng提出的坐标变换阵进行了改进。为了进一步降低空间投影的计算复杂度，Ng提出了基于傅里叶投影切片定理频域数字重聚焦技术，该技术与傅里叶体积渲染理论和基于傅里叶分析的医学CT、MR图像一样，需要解决频域数字重采样带来的重建图像伪影。基于此，Ng将传统医学CT、MR图像重建中的零填充、预乘、过采样等伪影抑制方法应用于频域数字重聚焦技术中，同时频域重采样过程中采用了性能更好的凯赛贝塞尔滤波器。所有的预处理和后处理过程都是为了尽可能的让频域数字重聚焦结果接近空域数字重聚焦，实现起来并不容易。
技术实现思路
本专利技术针对现有频域数字重聚焦技术在频域数据重采样时会引起重建误差，在重建图像中生成伪影的问题，旨在提供一种可抑制重采样误差的频域光场数字重聚焦算法，本算法通过对原始4D光场进行空域坐标变换，有效地避免了频域坐标变换引起的离散数据重采样所产生的误差。和传统的基于傅里叶投影切片定理的光场数字重聚焦方法相比，本专利技术所提算法所需的运算步骤更少、计算复杂度更低。同时本算法还可以获得与公认的鲁棒性最强的空域投影积分数字重聚焦算法等同的重聚焦效果。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种可抑制重采样误差的频域光场数字重聚焦算法，按照以下步骤实现：步骤1)根据聚焦深度给定α的值，对原始4D光场进行空域坐标变换；步骤2)计算空域坐标变换后新光场的离散4D傅里叶变换，根据公式取傅里叶频谱切片；步骤3)计算切片的2D离散傅里叶逆变换；步骤4)将逆变换的结果乘以系数1/α2F2即可得到重聚焦图像；上述整个过程可用公式表示为：其中，表示切片操作符，表示2D傅里叶逆变换，表示4D傅里叶变换，表示空域坐标变换操作符。具体地，步骤1)中空域坐标变换的公式为：其中，表示的转置逆矩阵，[x,y,u,v]表示行向量，坐标变换矩阵可表示为：本专利技术。附图说明下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。图1为现有空域、频域数字重聚焦的算法流程图。图2为空域投影与频域切片比较。图3为本专利技术所提算法与Ng提出的频域数字重聚焦算法的数据处理流程，其中(a)为本专利技术算法，(b)为Ng所提算法。图4为本专利技术算法和空域数字重聚焦算法的效果对比图，其中(a)为光场原图，(b)为α＝1时本专利技术算法计算的重聚焦图像，(c)为α＝2时本专利技术算法计算的重聚焦图像，(d)为α＝1时空域数字重聚焦算法计算得到的重聚焦图像，(e)为α＝2时空域数字重聚焦算法计算得到的重聚焦图像。图5为α＝0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0时采用本专利方法对Forest图像的数字重聚焦效果。具体实施方式为使本专利技术的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。为了更好理解本专利技术算法的推导过程，下面先对现有的光场数字重聚焦原理及Ng提出的基于频域切片的光场数字重聚焦算法进行简单介绍。根据光场4D参数模型，由微透镜光场相机记录的4D光场可表示为根据光辐射公式，相机像平面获得的图像强度可表示为：其中F表示主透镜平面和像平面间的距离，φ表示光线(x,y,u,v)与焦平面的夹角。定义公式(1)可简化为：在全光相机中，如果将像平面由F移动到α·F，且α取正数，在新的像平面处得到的重聚焦图像可表示为：公式(3)称为基于空间投影积分的数字重聚焦技术，该过程可看作是先将4D光场LF(x,y,u,v)作一次坐标变换得到新的光场Lα·F(x′,y′,u′,v′)，再将新的4D光场投影到(x′,y′)平面。该投影过程与基于傅里叶体积渲染的X射线图像重建过程相似，其计算复杂度可表示为O(n4)。公式(3)虽然可以求得高质量的重聚焦图像，但积分过程需要遍历所有数据，耗时较长。受傅里叶体积渲染理论及医学图像拉东变换的启发，Ng将空域投影积分转换为傅里叶频域切片计算，并提出基于频域切片的光场数字重聚焦算法，以提高光场重聚焦的速度。公式(3)描述的空域投影积分过程可简单表示为：其中表示空域重聚焦运算符；表示坐标变换操作符，表示投影积分操作符，将4D光场投影到2D图像。坐标变换和投影操作符定义如下：其中表示的转置逆矩阵，[x,y,u,v]表示行向量，坐标变换矩阵可表示为：Ng根据广义傅里叶切片定理，将公式(4)由空域投影积分转换为为频域切片计算来提高运算速度，其提出的基于频域切片的光场数字重聚焦算法表示为：其中表示4D傅里叶变换；表示2D傅里叶逆变换；表示切片操作符，其定义如下：Ng定义了4D数据非正交方向上取切面的操符并令其在频域可表示为：因此，频域数字重聚焦算法可简单表示为：空域、频域数字重聚焦的算法流程图如图1所示，与空域投影相比，频域切片使计算复杂度下降到O(n2)。以上推导过程不难看出，公式(11)是相对连续函数而言的，所涉及的投影过程均用积分表示，但实际光场相机采集到的光场信息是离散信号，如直接利用公式(10)计算“切片”将会导致重建图像出现伪影。针对这一问题，Ng指出：对于重聚焦过程中数据离散化、离散傅里叶变换、频域数据重采样等引入的误差，需要增加图像预处理和后处理来抑制重建图像中的伪影。该问题也是傅里叶体积渲染和基于傅里叶分析的医学CT和MR需要解决的问题。综上，空域投影积分数字重聚焦算法精度高，但运算时间长；Ng提出的频域切片计算数字重聚焦运算速度快，但重建图像存在伪影，需要一些预处理和后处理的办法抑制伪影，且只能得到与空域重聚焦算法相近的重聚焦效果。考虑到光场相机采集到的图像是离散信号，下面我们将重点分析如何在数字重聚焦算法中采用离散的傅里叶投影切片定理。经典2D图像的傅里叶投影切片定理指出：2D函数f(x,y)沿某一角度θ投影的傅里叶变换等于在该函数的2D傅里叶频谱沿着与投影方向垂直的方向取过原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可抑制重采样误差的频域光场数字重聚焦算法，其特征在于，按照以下步骤实现：步骤1)根据聚焦深度给定α的值，对原始4D光场进行空域坐标变换；步骤2)计算空域坐标变换后新光场的离散4D傅里叶变换，根据公式

【技术特征摘要】
1.一种可抑制重采样误差的频域光场数字重聚焦算法，其特征在于，按照以下步骤实现：步骤1)根据聚焦深度给定α的值，对原始4D光场进行空域坐标变换；步骤2)计算空域坐标变换后新光场的离散4D傅里叶变换，根据公式取傅里叶频谱切片；步骤3)计算切片的2D离散傅里叶逆变换；步骤4)将逆变换的结果乘以系数1/α2F2即可得到重...

【专利技术属性】
技术研发人员：武迎春，张雄，王玉杰，倪进，王安红，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：山西,14