一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数PSF(Point Spread Function)测量方法，可以在实现全视场空间变化的点扩散函数PSF测量的同时，有效提高PSF测量的信噪比。测量前，先将在液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)沿着相机光轴垂直放置。测量时，首先，在液晶显示屏上显示单像素成像所需的基图像模式，采用相机进行拍摄得到图像；其次，根据单像素成像原理，计算液晶显示屏上每个点到相机图像上单个像素的光传输系数；对相机图像上所有像素执行单像素成像，获得液晶显示屏上所有点到相机图像上所有像素的光传输系数；最后，根据相机图像上所有像素点的光传输系数，计算得到液晶显示屏上任意一点到相机图像上的点扩散函数。该方法能够在相同的相机曝光时间下，获取比传统星点法更高信噪比的相机镜头点扩散函数PSF测量结果。

A Method for Measuring Point Spread Function of Camera Lens Based on Single Pixel Imaging

The present invention relates to a method for measuring PSF (Point Spread Function) of camera lens based on single pixel imaging, which can effectively improve the signal-to-noise ratio of PSF measurement while realizing the PSF measurement of full field of view spatial variation. Before measurement, the liquid crystal display (LCD) is placed vertically along the optical axis of the camera. When measuring, firstly, the basic image mode needed for single-pixel imaging is displayed on the LCD screen, and the image is captured by the camera; secondly, according to the principle of single-pixel imaging, the optical transmission coefficient of each point on the LCD screen to a single pixel on the camera image is calculated; then, the single-pixel imaging is performed on all the pixels on the camera image, and the point on the LCD screen to the camera is obtained. The optical transmission coefficients of all the pixels in the image; finally, according to the optical transmission coefficients of all the pixels in the camera image, the point spread function from any point on the LCD screen to the camera image is calculated. This method can obtain PSF measurement results of camera lens with higher signal-to-noise ratio than traditional star method under the same exposure time.

【技术实现步骤摘要】
一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数测量方法
本专利技术涉及一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数测量方法，提高点扩散函数PSF测量的信噪比，并实现空间变化的PSF测量。本专利技术属于计算成像领域。
技术介绍
点扩散函数PSF主要表征的是点光源经光学系统后所形成的亮度分布，它是描述成像过程中由于光学系统像差和散焦等因素造成图像模糊的重要参数。它能够较好的反映相机镜头的性能，同时也是进行图像复原的基础。现有的PSF测量方法大多将PSF模型视为对称且空间不变的模型，因此具有一定程度的局限性，仅适用于部分成像系统。直接使用点状光源测量PSF的方法，虽然理论上能够通过改变点光源的空间位置，从而获取全视场的点扩散函数，但是普通的点状光源由于信噪比较低，无法精确测量PSF，而利用激光产生点状光源的方法又较难改变点光源的成像位置，无法进行空间变化的PSF测量。因此，如何解决高信噪比与空间变化测量无法兼顾的问题已经成为了空间变化PSF测量的关键。近年来发展的单像素成像技术，由于其成像信噪比高、可进行高分辨率成像的特点，为解决空间变化PSF测量提供了新的思路。如果能够将单像素成像技术应用于相机的每个像素中，并使用这一技术对PSF进行测量，则能够获得针对于每个像素的空间图像模糊核，也即空间变化的PSF，同时，还能有效提高测量过程中的信噪比，从而实现高信噪比的空间变化PSF测量。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数PSF测量方法，能够提高空间变化点扩散函数测量时的信噪比。本专利技术的方法基本原理是通过将空间变化的点扩散函数视为物空间点与像平面点之间的光传输系数，通过使用单像素成像技术获取整个相机图像平面点与物平面(液晶显示屏幕)点的光传输系数，再经过转换重组，形成液晶显示屏上点到相机图像上的点扩散函数。在考虑到镜头的点扩散函数PSF时，相机成像系统，图像可以被建模为其中，O表示清晰图像，I表示退化以后的模糊图像，(x,y)表示物平面坐标系，(u,v)表示像平面坐标系，Ω表示输入的清晰图像被观测到的区域，h(u,v；x,y)表示物平面(液晶显示屏幕)上点(x,y)到相机图像平面点(u,v)的光传输系数。如果我们能够将相机的每个像素(u,v)均视为一个单像素探测器，通过调制输入场景O(x,y)，将其作为某种变换的基函数或基图像，那么等式(1)也可以理解为单像素探测器(u,v)在某一次测量中获取到的光传输系数h(u,v；x,y)在变换域中的系数H(u,v；m,n)，这可以表示为：H(u,v；m,n)是对应于相机像素(u,v)的光传输系数(图像)在变换域中的一个系数，r(u,v；x,y,m,n)表示的是由被调制的输入场景生成的正变换基函数或基图像，Ω′表示的是输入场景被调制的对应区域。当获取了在变换域中的所有系数以后，对其做逆变换有：s(u,v；x,y,m,n)表示的是对应的逆变换基函数或基图像，Φ表示的是变换域中的对应区域。等式(2)和等式(3)表明相机全视场中图像任意一个像素的光传输系数h(x,y；u,v)可以通过单像素成像技术获得。最后，根据相机图像上所有像素点的光传输系数，经过转换重组，得到液晶显示屏上点到相机图像上的点扩散函数。在本专利技术中，任意一种单像素成像技术都能够用于点扩散函数的测量，考虑到近年来基于正交基的单像素成像方法具有较高的信噪比，且能够重建出高质量的图像，因此，我们在实施中，具体采用基于傅里叶变换的单像素成像方法进行点扩散函数的测量。本专利技术的技术解决方案为：首先利用液晶显示屏显示一系列单像素成像所需的基图像模式，利用相机拍摄获取图像并对每个相机像素进行单像素成像，最后对成像结果进行转换获得相机镜头点扩散函数PSF。其测量过程主要包含以下步骤：(1)先将在液晶显示屏沿着相机光轴垂直放置；(2)在液晶显示屏上显示单像素成像所需的基图像模式，采用相机进行拍摄得到图像；(3)再根据单像素成像原理，计算相机图像上单个像素所对应的一幅图像，从而得到液晶显示屏上每个点到相机图像上单个像素的光传输系数；(4)对相机图像上所有像素执行单像素成像，获得液晶显示屏上所有点到相机图像上所有像素点的光传输系数；(5)根据相机图像上所有像素点的光传输系数，取出这些光传输系数中对于液晶显示屏同一点的值，重组形成液晶显示屏上该点到相机图像上的点扩散函数。所述步骤(1)中的液晶显示屏应能够完全位于相机视场中，且液晶显示屏分辨率应该高于相机视场分辨率，屏幕显示区域应该与相机待测PSF区域相对应。所述步骤(2)中的基图像模式为二维傅里叶变换的不同频率正弦条纹图像模式，每个频率包含四步相移图像模式。并通过相机拍摄采集对应的图像。所述步骤(3)中的单像素成像技术为，根据相机拍摄不同频率的四步相移条纹图像，计算获得相机镜头点扩散函数PSF的二维傅里叶变换域系数；当获取了在二维傅里叶变换域图像的所有系数之后，对变换域图像做傅里叶逆变换，计算得到液晶显示屏上任意一点到相机像素的光传输系数。所述步骤(5)中的重组形成液晶显示屏上该点到相机图像上的点扩散函数为：对于相机每个像素(ui,vj)单像素成像所获取的光传输系数h(ui,vi；x,y)(i＝1,2,…,w×h；w和h分别为相机图像u轴和v轴的分辨率)，提取其中与液晶显示屏幕上同一坐标点(x0,y0)对应的光传输系数值h(ui,vi；x0,y0)。通过将各幅图像中与屏幕上坐标点(x0,y0)有关的h(ui,vi；x0,y0)全部组合起来，即可获得屏幕上点(x0,y0)作为光点时，其在相机像素平面上形成的亮度分布，即传统方法所获得的相机镜头点扩散函数h′(x0,y0；u,v)。液晶显示屏幕上点(x0,y0)的相机镜头点扩散函数h′(x0,y0；u,v)上任意一点(ui,vj)数值的具体计算公式为：h′(x0,y0；ui,vj)＝h(ui,vj；x0,y0).(4)本专利技术的优点在于：(1)测量信噪比高。通过将单像素成像应用于PSF测量当中，有效提高了PSF测量的信噪比，相比于传统星点法能够在相同的曝光时间下获取信噪比更高的测量结果。(2)可以实现空间变化点扩散函数PSF的测量。本专利技术通过对相机的每个像素均进行单像素成像，从而获取了相机每个像素的图像模糊核(即点扩散函数)，能够更好的贴合相机镜头的模糊模型。(3)实施方便，本专利技术相比于基于激光光源的星点法，测量系统结构简单，测量设备成本较低，测量过程简易便捷。总之，本专利技术通过提出的基于单像素成像的点扩散函数PSF测量方法，有效提高了点扩散函数PSF的测量信噪比，同时能够实现相机镜头空间变化的点扩散函数PSF测量。同时，本专利技术所需硬件设备成本较低，测量实施方便。附图说明图1为本专利技术具体实施的点扩散函数PSF测量流程图。图2为本专利技术实施时的系统结构图。该图中1为显示正弦条纹图的液晶显示屏，2为相机，3为计算机。图3为本专利技术利用傅里叶单像素成像进行光传输系数(图像)测量的原理示意图。该图中，4为液晶显示屏，5为傅里叶单像素成像中所用到的部分正弦条纹图，6为被测相机镜头及相机，7为相机像素平面示意图，8为对相机单个像素进行四步相移计算后所得光传输系数(图像)的二维傅里叶变换域系数，9为对二维傅里叶变换域系数进行傅里叶逆变换后所得该相机图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数PSF测量方法，其特征在于包括以下步骤：(1)先将在液晶显示屏沿着相机光轴垂直放置；(2)在液晶显示屏上显示单像素成像所需的基图像模式，采用相机进行拍摄得到图像；(3)再根据单像素成像技术，计算相机图像上单个像素所对的一幅图像，从而得到液晶显示屏上每个点到相机图像上单个像素的光传输系数；(4)对相机图像上所有像素执行单像素成像，获得液晶显示屏上所有点到相机图像上所有像素点的光传输系数；(5)根据相机图像上所有像素点的光传输系数，取出这些光传输系数中对应于液晶显示屏同一点的值，重组形成液晶显示屏上该点到相机图像上的点扩散函数。

【技术特征摘要】
1.一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数PSF测量方法，其特征在于包括以下步骤：(1)先将在液晶显示屏沿着相机光轴垂直放置；(2)在液晶显示屏上显示单像素成像所需的基图像模式，采用相机进行拍摄得到图像；(3)再根据单像素成像技术，计算相机图像上单个像素所对的一幅图像，从而得到液晶显示屏上每个点到相机图像上单个像素的光传输系数；(4)对相机图像上所有像素执行单像素成像，获得液晶显示屏上所有点到相机图像上所有像素点的光传输系数；(5)根据相机图像上所有像素点的光传输系数，取出这些光传输系数中对应于液晶显示屏同一点的值，重组形成液晶显示屏上该点到相机图像上的点扩散函数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的液晶显示屏，应该能够完全位于相机视场中，且液晶显示屏分辨率应该高于相机视场分辨率，屏幕显示区域应该与相机待测PSF区域相对应。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的基图像模式为二维傅里叶变换的不同频率正弦条纹图像模式，每个频率包含四步相移图像模式。并通过相机拍摄采集对应的图像。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的单像素成像...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜宏志，刘阳晨旭，赵慧洁，李旭东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11