基于傅里叶光学建模的编码光圈相机图像恢复方法技术

本发明专利技术属于数字图像处理技术领域，为解决对实际拍摄的依赖，减少人工拍摄引入的噪声也误差，定量分析编码掩模光学成像系统成像方式，最终得到编码光圈相机点扩散函数，以此为先验数据还原图像。本发明专利技术采用的技术方案是，基于傅里叶光学建模的编码光圈相机图像恢复方法，包括以下步骤：(1)定量分析编码掩模成像系统，编码掩模成像系统生成任意深度下的编码光圈相机仿真点扩散函数；(2)将步骤(1)中各深度下点扩散函数作为模糊核，对同一编码光圈相机拍摄的场景成像进行反卷积，依据最大后验概率MAP原则，最优化仿真结果，获得对原始场景的成像。本发明专利技术主要应用于数字图像处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数字图像处理，具体涉及一种通过傅里叶光学建模获取编码光圈衍射点扩散函数以及基于点扩散函数获取清晰成像的方法。
技术介绍
编码掩模成像技术最早起源于X射线等重粒子射线的探测和成像过程中，用具有一定码型结构的编码掩模对到达探测系统的重粒子射线进行调制，并需要对探测到结果配合相应的图像解码技术来对原始重粒子的辐射源场景进行还原和成像(E.E.Fenimore,and T.M.Cannon,\Coded aperture imaging with uniformly redundant arrays,\Appl Optics 17,337-347(1978))。如今，编码掩模成像技术已被广泛应用于可见光成像、红外成像等领域。编码掩模成像系统的根本目的是通过设计编码掩模码型，控制光学系统点扩散函数，利用前期获得的先验信息(该种码型结构理想条件下对应深度的点扩散数)，最终还原出清晰图像，提高原有成像系统的图像分辨率，例如，QinetiQ公司在光路中加入可调制编码掩模，通过对同一场景使用不同码型的编码掩模，得到不同点扩散函数下的光学探测结果，进而通过多帧处理的方法，实现对原始场景的高分辨率成像(C.Slinger,M.Eismann,N.Gordon,K.Lewis,G.McDonald,M.McNie,D.Payne,K.Ridley,M.Strens,G.De Villiers,and R.Wilson,\An investigation of the potential for the use of a high resolution adaptive coded aperture system in the mid-wave infrared,\in Adaptive Coded Aperture Imaging and Non-Imaging Sensors(San Diego,CA,2007),p.671408)。编码掩模成像系统不仅可以对原始场景进行高分辨成像，同时可以获得丰富景深信息，比如，MIT在可见光相机的光阑处放置编码掩模挡光板，来调整成像系统点扩散函数对场景景深的敏感程度，从而以单幅图像成功还原出原始场景的景深信息(A.Levin,R.Fergus,Fr,D.Durand,and W.T.Freeman,\Image and depth from a conventional camera with a coded aperture,\in ACM SIGGRAPH 2007papers(ACM,San Diego,California,2007),p.70)。编码掩模成像系统中，先验信息的获取及其准确性对图像还原效果至关重要，不正确或低信噪比的点扩散函数将引起还原图像明显的振铃效应，影响成像。目前，对于编码掩模成像系统的点扩散函数基本上是以实际测量为主要的获取方式，如QinetiQ公司及MIT的方法。该方法直观易得，但是实际测量中引入了噪声降低点扩散函数信噪比，同时该方法受困于测量器材的实际条件，不能获得连续景深域内的点扩散函数。天津大学基于一定数量的拍摄点扩散函数，利用Bicubic插值方法获得连续景深域内的点扩散函数(Yang Jingyu,Jiang Bin,and Ma Jinlong,“Accurate Point Spread Function(PSF)Estimation for Coded Aperture Cameras,”in Conference on Optoelectronic Imaging and Multimedia Technology(Beijing,PEOPLES R CHINA,2014)。可见，现今获得点扩散函数可通过实际拍摄测量以及插值等方法获得，这些方法或多或少的基于真实拍摄结果，都会引入环境噪声，将会对先验点扩散函数的准确性以及还原图像的分辨率产生影响。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在解决对实际拍摄的依赖，减少人工拍摄引入的噪声也误差，定量分析编码掩模光学成像系统成像方式，最终得到编码光圈相机点扩散函数，以此为先验数据还原图像。本专利技术采用的技术方案是，基于傅里叶光学建模的编码光圈相机图像恢复方法，包括以下步骤：(1)定量分析编码掩模成像系统，编码掩模成像系统生成任意深度下的编码光圈相机仿真点扩散函数；(2)将步骤(1)中各深度下点扩散函数作为模糊核，对同一编码光圈相机拍摄的场景成像进行反卷积，依据最大后验概率MAP原则，最优化仿真结果，获得对原始场景的成像。步骤(1)是根据编码掩模的结构和透镜组的传输函数，按照傅立叶光学的成像方式，来描述整个系统的成像过程，并给出最终成像结果的表达，具体步骤是：1)根据编码掩模成像系统的结构，按照编码掩模成像系统的成像原理得到整个编码掩模成像系统基本模型：g(x,y)＝h(x,y)*go(x,y)+n(x,y)，式中，h(x,y)为整个编码掩模成像系统的系统函数空域表达或点扩散函数，go(x,y)为原始场景，即待还原的原始场景清晰图像，n(x,y)为背景噪声， g(x,y)为成像结果，即编码光圈相机拍摄景深为do处的模糊成像图像，*为卷积运算， x、y是位于探测器平面上的、原点位于探测器平面中心的平面直角坐标系的横坐标和纵坐标；2)编码掩模成像系统的点扩散函数分为编码掩模结构对点光源发出光的衍射作用h1(x,y)以及实际相机透镜组对入射光的调制作用h2(x,y)，根据波动光学成像原理，将整个编码掩模成像系统基本模型中的点扩散函数h(x,y)表示为：h(x,y)＝h1(x,y)*h2(x,y)；编码掩模结构对点光源的作用h1(x,y)于编码掩模结构码型相关，是光线在掩模结构中衍射的结果，所以有：h1(x,y)＝PSF(t(x0,y0))，式中，(x,y)是接收平面的空间坐标；(x0,y0)是掩模孔径在掩模平面的空间坐标；t(x0,y0)是掩模结构的码型；由于从点光源发出的光通过空间经行传播，依据菲涅尔衍射规律，到达编码光圈前的复振幅分布为：式中，U0(x0,y0)到达编码掩模结构时的入射光复振幅分布，j是虚数单位， a0是入射光单位距离处振幅，k是入射光波数，L是光源即入射平面到掩模平面距离；而在其经过编码掩模结构后，其复振幅分布就变化为：U∑(x0,y0)＝U0(x0,y0)t(x0,y0)，式中，由菲涅耳衍射规律，得到像平面的复振幅分布公式：其中，Z是掩模平面到成像平面的距离，λ是光波长，由于exp(jkL)和exp(jkZ)是常位相因子，在考虑衍射效应的情况下推导点扩散函数的表达式：实际透镜组的非理想聚焦成像可以用其点扩散函数fl(x,y)来表示，通过实际测量或是产品手册来得到，所述的实际透镜组的非理想聚焦成像部分h2(x,y)是根据实际测量或是产品手册得到：h2(x,y)＝fl(x,y)，式中，fl(x,y)是实际透镜组的非理想聚焦成像的点扩散函数；3)将h1(x,y)和h2(x,y)代入整个编码掩模成像系统模型，最终得到整个编码掩模成像系统模型：g(x,y)＝PSF(t(x0,y0))*fl(x,y)*go(x,y)+n(x,y)。步骤(2)具体是，编码相机拍摄一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于傅里叶光学建模的编码光圈相机图像恢复方法，其特征是，步骤如下：(1)定量分析编码掩模成像系统，编码掩模成像系统生成任意深度下的编码光圈相机仿真点扩散函数；(2)将步骤(1)中各深度下点扩散函数作为模糊核，对同一编码光圈相机拍摄的场景成像进行反卷积，依据最大后验概率MAP原则，最优化仿真结果，获得对原始场景的成像。

【技术特征摘要】
1.一种基于傅里叶光学建模的编码光圈相机图像恢复方法，其特征是，步骤如下：(1)定量分析编码掩模成像系统，编码掩模成像系统生成任意深度下的编码光圈相机仿真点扩散函数；(2)将步骤(1)中各深度下点扩散函数作为模糊核，对同一编码光圈相机拍摄的场景成像进行反卷积，依据最大后验概率MAP原则，最优化仿真结果，获得对原始场景的成像。2.如权利要求1所述的基于傅里叶光学建模的编码光圈相机图像恢复方法，其特征是，步骤(1)是根据编码掩模的结构和透镜组的传输函数，按照傅立叶光学的成像方式，来描述整个系统的成像过程，并给出最终成像结果的表达，具体步骤是：1)根据编码掩模成像系统的结构，按照编码掩模成像系统的成像原理得到整个编码掩模成像系统基本模型：g(x,y)＝h(x,y)*go(x,y)+n(x,y)，式中，h(x,y)为整个编码掩模成像系统的系统函数空域表达或点扩散函数，go(x,y)为原始场景，即待还原的原始场景清晰图像，n(x,y)为背景噪声，g(x,y)为成像结果，即编码光圈相机拍摄景深为do处的模糊成像图像，*为卷积运算，x、y是位于探测器平面上的、原点位于探测器平面中心的平面直角坐标系的横坐标和纵坐标；2)编码掩模成像系统的点扩散函数分为编码掩模结构对点光源发出光的衍射作用h1(x,y)以及实际相机透镜组对入射光的调制作用h2(x,y)，根据波动光学成像原理，将整个编码掩模成像系统基本模型中的点扩散函数h(x,y)表示为：h(x,y)＝h1(x,y)*h2(x,y)；编码掩模结构对点光源的作用h1(x,y)于编码掩模结构码型相关，是光线在掩模结构中衍射的结果，所以有：h1(x,y)＝PSF(t(x0,y0))，式中，(x,y)是接收平面的空间坐标；(x0,y0)是掩模孔径在掩模平面的空间坐标；t(x0,y0)是掩模结构的码型；由于从点光源发出的光通过空间经行传播，依据菲涅尔衍射规律，到达编码光圈前的复振幅分布为：式中，U0(x0,y0)到达编码掩模结构时的入射光复振幅分布，j是虚数单位，a0是入射光单位距离处振幅，k是入射光波数，L是光源即入射平面到掩模平面距离；而在其经过编码掩模结构后，其复振幅分布就变化为：U∑(x0,y0)＝U0(x0,y0)t(x0,y0)，式中，由菲涅耳衍射规律，得到像平面的复振幅分布公式： U ( x , y ) = exp ( j k Z ) j λ Z ∫ &I...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪清，方浩宇，杨敬钰，张傲，姜斌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12