一种基于衍射的光场成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于衍射的光场成像方法及系统，包括：搭建包括具有轴向色差的透镜、衍射光栅和图像传感器的成像装置；使用成像装置对位于光轴上的点光源成像，移动点光源调整其到具有轴向色差的透镜的距离令点光源的成像结果在图像传感器平面上有最小的弥散圆，捕获点光源的聚焦成像图像并标定得到衍射光栅到图像传感器的距离；依据得到的衍射光栅到图像传感器的距离和衍射光栅的衍射效率计算得到每个波长对应聚焦平面图像的光学编码响应；使用成像装置在多波长环境下对满足条件的场景成像，将图像传感器的数据和光学编码响应代入优化模型计算重建得到所有聚焦平面图像；本发明专利技术可实现多聚焦平面光场的单曝光获取，完成动态场景的光场采集。动态场景的光场采集。动态场景的光场采集。

【技术实现步骤摘要】
一种基于衍射的光场成像方法及系统


[0001]本专利技术涉及计算机视觉与数字图像处理
，特别是涉及一种基于衍射的光场成像方法及系统。

技术介绍

[0002]光场是空间中光线分布的完备集合，传统相机将光场投影到二维传感器平面，丢失了光场中包含的丰富信息，因此传统相机的应用范围受到了限制。研究光场数据的采集方法，获取动态场景复杂多变的高维信息能够促进生命科学、全息显示等众多领域的发展。多聚焦平面光场由一系列聚焦于场景不同深度的图像组成，这类光场是通过改变成像装置聚焦平面位置获得的，它已经在深度估计、扩展景深、视角合成等任务中得到了应用。现有的多聚焦平面光场采集方法可分为两类，第一类基于机械控制的方法通常使用平移台沿光轴移动相机或手动旋转相机的变焦环，第二类基于电可调光学元件的方法则通常在成像装置中引入空间光调制器或液晶透镜。这两类方法均需要时序地扫描多个聚焦平面，导致它们不适用于动态场景的光场采集。
[0003]需要说明的是，在前文中提及的
技术介绍
部分所披露的信息仅作为理解本专利技术的相关背景的用途，因此可能涵盖了非本领域普通技术人员所已知的现有技术信息。因此，我们不应以上述
技术介绍
作为评价本专利技术新颖性及创造性的标准。

技术实现思路

[0004]为了解决现有多聚集平面光场成像方法无法在单次曝光下同时捕获多个聚焦平面图像，不适应动态场景光场获取的技术问题，本专利技术的首要目的在于提供一种基于衍射的光场成像方法。
[0005]本专利技术的另一目的是提供一种包括上述基于衍射的光场成像方法的系统。
[0006]本专利技术的再一目的是提供一种包括上述基于衍射的光场成像方法的计算机可读介质。
[0007]本专利技术通过如下技术方案加以实现：
[0008]一种基于衍射的光场成像方法，包括如下步骤：S1：搭建包括具有轴向色差的透镜、衍射光栅和图像传感器的成像装置；S2：使用所述成像装置对位于光轴上的点光源进行成像，移动点光源调整其到所述具有轴向色差的透镜的距离令点光源的成像结果在所述图像传感器平面上具有最小的弥散圆，捕获点光源的聚焦成像图像并标定得到所述衍射光栅到所述图像传感器的距离；S3：依据所述标定得到的所述衍射光栅到所述图像传感器的距离和所述衍射光栅的衍射效率计算得到每个波长对应聚焦平面图像的光学编码响应；S4：使用所述成像装置在多波长环境下对满足条件的场景成像，将所述图像传感器的数据和所述光学编码响应代入优化模型计算重建得到所有聚焦平面图像。
[0009]在本专利技术的一些实施例中，步骤S1中，所述具有轴向色差的透镜用于为所述成像装置提供随波长变化的焦距；所述衍射光栅用于为成像装置提供随波长变化的光学编码响
应；所述图像传感器用于记录经光学编码的多个聚焦平面图像；所述图像传感器选自CMOS传感器或CCD传感器；所述具有轴向色差的透镜、所述衍射光栅和所述图像传感器沿光轴依次平行放置。。
[0010]在本专利技术的一些实施例中，步骤S2中，所述标定得到所述衍射光栅到所述图像传感器的距离，包括如下步骤：
[0011]S2
‑
1、二值化所述聚焦成像图像；
[0012]S2
‑
2、获取二值化聚焦成像图像中连通域的质心位置；
[0013]S2
‑
3、分别计算相邻阶衍射像点之间的连通域在水平方向和垂直方向的质心间隔；
[0014]S2
‑
4、由所述质心间隔计算衍射光栅到图像传感器的距离，表达式如下：
[0015][0016]其中，z代表衍射光栅到图像传感器的距离，h代表水平方向，v代表竖直方向，λ
p
代表点光源的波长，d
h
代表衍射光栅沿水平方向的周期，d
v
代表衍射光栅沿垂直方向的周期，代表第i组相邻阶衍射像点之间的连通域在水平方向上的质心间隔，代表第j组相邻阶衍射像点之间的连通域在垂直方向上的质心间隔，K代表水平方向上质心间隔的数量，L代表垂直方向上质心间隔的数量。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，步骤S3中，所述计算得到每个波长对应聚焦平面图像的光学编码响应的表达式如下：
[0018][0019]其中，x代表水平方向上的坐标值，y代表垂直方向上的坐标值，λ
a
代表波长，h
G
(x,y；λ
a
)代表波长λ
a
对应的聚焦平面图像的光学编码响应，m代表衍射光栅在水平方向上的衍射级，n代表衍射光栅在垂直方向上的衍射级，|C
m,n
(λ
a
)|2代表衍射光栅在波长λ
a
下第(m,n)阶衍射级的衍射效率，δ(
·
)代表单位脉冲函数，x0＝λ
a
z/d
h
代表水平方向相邻脉冲函数之间的距离间隔，y0＝λ
a
z/d
v
代表垂直方向相邻脉冲函数之间的距离间隔，z、d
h
和d
v
分别是衍射光栅到图像传感器的距离、衍射光栅沿水平方向的周期和衍射光栅沿垂直方向的周期。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，步骤S4中，所述多波长环境使用滤波片组产生；所述图像传感器数据为由所述成像装置记录得到的场景数据。
[0021]在本专利技术的一些实施例中，步骤S4中，在环境包含的所有波长下待成像场景需满足的条件的表达式如下：
[0022][0023]其中，代表所述成像装置移除衍射光栅后在波长λ
a
下对待成像场景中任一物点成像所获得的点扩散函数，SP
h
(
·
)代表在水平方向上点扩散函数强度远大于0的值的
坐标范围大小，SP
v
(
·
)代表在垂直方向上点扩散函数强度远大于0的值的坐标范围大小，max[
·
]代表取最大值，x0和y0分别是水平方向相邻脉冲函数之间的距离间隔和垂直方向相邻脉冲函数之间的距离间隔。
[0024]在本专利技术的一些实施例中，步骤S4中，所述优化模型的表达式如下：
[0025][0026]其中，代表计算重建得到的所有聚焦平面图像，I代表图像传感器数据，λ是取值为从1到T的整数索引用以指代环境中的不同波长，O(λ)是λ所指代的波长下对应的聚焦平面图像，它是优化模型的待优化变量，h
G
(x,y；λ)是λ所指代的波长下对应聚焦平面图像的光学编码响应，代表卷积操作，Ψ代表水平方向和垂直方向上的一阶差分操作，τ代表用以控制正则项权重的系数。
[0027]在本专利技术的一些实施例中，所述优化模型通过并行近端FISTA算法求解。
[0028]本专利技术还提供一种基于衍射的光场成像系统，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现如上所述的方法。
[0029]本专利技术还提供一种计算机可读介质，存储有计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于衍射的光场成像方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：搭建包括具有轴向色差的透镜、衍射光栅和图像传感器的成像装置；S2：使用所述成像装置对位于光轴上的点光源进行成像，移动点光源调整其到所述具有轴向色差的透镜的距离令点光源的成像结果在所述图像传感器平面上具有最小的弥散圆，捕获点光源的聚焦成像图像并标定得到所述衍射光栅到所述图像传感器的距离；S3：依据所述标定得到的所述衍射光栅到所述图像传感器的距离和所述衍射光栅的衍射效率计算得到每个波长对应聚焦平面图像的光学编码响应；S4：使用所述成像装置在多波长环境下对满足条件的场景成像，将所述图像传感器的数据和所述光学编码响应代入优化模型计算重建得到所有聚焦平面图像。2.如权利要求1所述的基于衍射的光场成像方法，其特征在于，步骤S1中，所述具有轴向色差的透镜用于为所述成像装置提供随波长变化的焦距；所述衍射光栅用于为成像装置提供随波长变化的光学编码响应；所述图像传感器用于记录经光学编码的多个聚焦平面图像；所述图像传感器选自CMOS传感器或CCD传感器；所述具有轴向色差的透镜、所述衍射光栅和所述图像传感器沿光轴依次平行放置。3.如权利要求1所述的基于衍射的光场成像方法，其特征在于，步骤S2中，所述标定得到所述衍射光栅到所述图像传感器的距离，包括如下步骤：S2
‑
1、二值化所述聚焦成像图像；S2
‑
2、获取二值化聚焦成像图像中连通域的质心位置；S2
‑
3、分别计算相邻阶衍射像点之间的连通域在水平方向和垂直方向的质心间隔；S2
‑
4、由所述质心间隔计算衍射光栅到图像传感器的距离，表达式如下：其中，z代表衍射光栅到图像传感器的距离，h代表水平方向，v代表竖直方向，λ
p
代表点光源的波长，d
h
代表衍射光栅沿水平方向的周期，d
v
代表衍射光栅沿垂直方向的周期，代表第i组相邻阶衍射像点之间的连通域在水平方向上的质心间隔，代表第j组相邻阶衍射像点之间的连通域在垂直方向上的质心间隔，K代表水平方向上质心间隔的数量，L代表垂直方向上质心间隔的数量。4.如权利要求1所述的基于衍射的光场成像方法，其特征在于，步骤S3中，所述计算得到每个波长对应聚焦平面图像的光学编码响应的表达式如下：其中，x代表水平方向上的坐标值，y代表垂直方向上的坐标值，λ
a
代表波长，h
G
(x,y；λ
a
)代表波长λ
a
对应的聚焦平面图像的光学编码响应，m代表衍射光栅在水平方向上的衍射级，n代表衍...

【专利技术属性】
技术研发人员：金欣，王冬冬，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：