一種透射式數(shù)字成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種透射式數(shù)字成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)和材料工藝的飛速發(fā)展，透射式成像系統(tǒng)經(jīng)已經(jīng)由面化銀膠片成像 式發(fā)展為數(shù)字成像，現(xiàn)在傳統(tǒng)的數(shù)字成像系統(tǒng)主要由透射式光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器系統(tǒng)組成， 如圖1所示，目標(biāo)通過(guò)透射式光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD或C0MS探測(cè)器上形成數(shù)字圖像，人們?cè)?針對(duì)應(yīng)用需求利用圖像處理算法對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行或多或少的修正，而數(shù)字圖像處理對(duì)于傳 統(tǒng)的數(shù)字成像系統(tǒng)（特別是對(duì)于日常的消費(fèi)相機(jī)，如卡片式相機(jī)、單鏡頭反射式相機(jī)）來(lái)說(shuō) 并非是必要的組成部分，特別是在數(shù)字圖像處理軟硬件技術(shù)件日新月異的今天，如果不充 分使用數(shù)字處理技術(shù)，就一定意義上失去了所謂"數(shù)字"成像的特點(diǎn)，并沒(méi)有完全的挖掘出 數(shù)字成像的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。
[0003] 透射式數(shù)字成像系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)光線(xiàn)追跡理論來(lái)選擇 光學(xué)元件平衡像差（離焦、崎變、像散、慧差、場(chǎng)曲、球差、色差），由于各級(jí)次的像差數(shù)量繁 多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)量，且受加工裝調(diào)工藝和玻璃材料類(lèi)型的限制，使每種 像差都會(huì)有一定的殘留，影響成像結(jié)果的清晰度，數(shù)字處理僅作為一個(gè)成像效果修正的非 必要環(huán)節(jié)，即便需要對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行增強(qiáng)處理光學(xué)設(shè)計(jì)也并不考慮數(shù)字處理的設(shè)計(jì)要求； 而在設(shè)計(jì)數(shù)字處理算法時(shí)，僅從數(shù)字圖像字節(jié)信息出發(fā)，利用信號(hào)處理理論對(duì)圖像進(jìn)行清 晰度的增強(qiáng)使圖像盡可能的滿(mǎn)足應(yīng)用需求，也不考慮光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)算法設(shè)計(jì)的影 響。
[0004] 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣成為決定成像質(zhì)量的唯一環(huán)節(jié)，導(dǎo)致光學(xué)系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。為了 "完美"校正像差，光學(xué)系統(tǒng)通常需要復(fù)雜的十到Ξ十片透鏡構(gòu) 成，同時(shí)也使得成像系統(tǒng)體積重量大、研發(fā)周期漫長(zhǎng)、成本高昂。例如，我們?nèi)粘Ｊ褂玫膯畏?鏡頭通常由10-20片透鏡組成，每個(gè)鏡片的焦點(diǎn)都要在一條直線(xiàn)上，否則成像就會(huì)"差之毫 厘，失之千里"，大大提高了鏡頭加工和裝配的難度，并且鏡片數(shù)量越多光能利用率也越低。 另外，盡管可W通過(guò)銳化提高對(duì)比度和平滑提高信噪比的數(shù)字處理方式來(lái)提高圖像的清晰 度，但是提高信噪比和提高對(duì)比度相互制約、難W兼顧，圖像平滑使鄰域內(nèi)像素灰度值相加 取平均必然降低對(duì)比度，圖像銳化引入卷積算法必然會(huì)使噪聲放大或引入新的噪聲。 陽(yáng)〇化]因此，為了簡(jiǎn)化透射式的光學(xué)鏡頭，節(jié)省成本，就需要對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)， 發(fā)揮數(shù)字處理的優(yōu)勢(shì)，使數(shù)字處理能夠一定意義上替代光學(xué)鏡頭中的部分光學(xué)鏡片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題：提供一種透射式數(shù)字成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，使數(shù)字處理能夠 補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的遺留像差，從而放寬對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求，一定程度上簡(jiǎn)化透射式光學(xué) 系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種透射式數(shù)字成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下： 陽(yáng)00引 （1)建立成像目標(biāo)的先驗(yàn)?zāi)Ｐ?br>[0009] 成像目標(biāo)先驗(yàn)?zāi)Ｐ桶鈱W(xué)設(shè)計(jì)和數(shù)字處理設(shè)計(jì)所需的成像目標(biāo)先驗(yàn)信息，主要 包括噪聲先驗(yàn)信息、紋理先驗(yàn)信息、圖像統(tǒng)計(jì)先驗(yàn)信息。
[0010] (11)噪聲先驗(yàn)信息：噪聲是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，噪聲灰度值是一個(gè)隨機(jī)向量，按照 其統(tǒng)計(jì)特性可分為：高斯噪聲、Gamma噪聲等。具體可W參考現(xiàn)有技術(shù)得W理解，在此不 做^^述。（RafaelC.GonzalezandRichardE.Woods.DigitalimageProcessin邑.3rd Edition.PrenticeHallPTR, 2007.); W11](。）紋理先驗(yàn)信息：紋理是自然圖像的固有特征，它往往反映了目標(biāo)內(nèi)部的精細(xì) 結(jié)構(gòu)W及具有不規(guī)則性和相似性的振蕩行為。具體可W參考現(xiàn)有技術(shù)得W理解，在此不做 寶述。（D.MumfordandJ.Shah.Optimalapproximationsbypiecewisesmoothfunctions andassociatedvariationalproblems.Comm.PureAppl.Math. , 42:577-685, 1989.)；
[0012] (13)噪聲先驗(yàn)信息反應(yīng)了數(shù)字成像系統(tǒng)的噪聲成分與程度，紋理先驗(yàn)信息反應(yīng)了 圖像中自然景物紋理保持特性，運(yùn)兩方面先驗(yàn)信息都用來(lái)對(duì)數(shù)字處理校正像差時(shí)加W約束 提高求解的精確度，設(shè)計(jì)參數(shù)集合表示為Qhfgpt。
[0013] 似建立光學(xué)成像系統(tǒng)模型
[0014] 如圖5所示，光學(xué)成像系統(tǒng)包括光學(xué)子系統(tǒng)和探測(cè)器子系統(tǒng)，光學(xué)子系統(tǒng)由一系 列球面鏡片組成。
[0015] (21)各個(gè)單色像差對(duì)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)的影響如圖2所示，色差與入射波長(zhǎng)有 關(guān)，可W通過(guò)不同折射率和色散的材料組合成雙膠合透鏡在一段特定的波長(zhǎng)范圍對(duì)人眼不 敏感，用數(shù)字處理的方法補(bǔ)償像差的難W程度排序?yàn)椋?br>[0016] 崎變 < 慧差 < 像散=場(chǎng)曲 < 離焦《球差 < 色差
[0017] 可W需根據(jù)研發(fā)周期和設(shè)計(jì)成本等因素來(lái)選擇通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)校正哪些不易于數(shù) 字補(bǔ)償?shù)南癫?，選定像差后就可W建立目標(biāo)場(chǎng)景發(fā)出的光線(xiàn)與光學(xué)子系統(tǒng)的關(guān)系；
[001引 （2。目標(biāo)場(chǎng)景X經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制的結(jié)果y。。。?？蒞表示成空間變化的卷積積分：
[0019] y〇p"c= /X(t-τ，入）h〇p"c(t,τ，入）dτ(14)
[0020] 其中，t表示圖像的空間位置，τ為卷積松弛變量，λ表示入射光波長(zhǎng)，表示 由步驟（21)中選定的像差引起的光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；
[OOW (23)、ρ。?？蒞通過(guò)測(cè)量光程差函數(shù)0PD(p，t，λ)波前分布獲得，可就是說(shuō)光學(xué)系 統(tǒng)的像差可W表示為真實(shí)波前和理想波前的光程差： 陽(yáng)02引 h0p"c(t,τ,入）=I/A(p)expj[0PD(p,1:，λ)巧JIτp]dp|2 (巧）
[0023] 其中，p表示光學(xué)系統(tǒng)出瞳平面的二維坐標(biāo)，A(p)表示出瞳的幅值，光學(xué)子系統(tǒng)的 優(yōu)化就是改變光學(xué)參數(shù)使光學(xué)子系統(tǒng)出瞳oro函數(shù)平方均值最小。運(yùn)些參數(shù)包括入射光波 段范圍、光學(xué)鏡片數(shù)量、鏡片材質(zhì)、鏡片大小、鏡片曲率半徑、鏡片間的空氣間隔等，用Ω"ριι。 來(lái)表示運(yùn)些設(shè)計(jì)參數(shù)組成的集合；
[0024] (24)探測(cè)器子系統(tǒng)相當(dāng)于對(duì)光學(xué)子系統(tǒng)的調(diào)制結(jié)果進(jìn)行采樣的一個(gè)帶通濾波器， 通常探測(cè)器由矩形像元構(gòu)成，其傳遞函數(shù)可W表示為： 陽(yáng)0巧]
(峨
[00%] 其中，c〇s為探測(cè)器采樣頻率；w為探測(cè)器方形像元的相對(duì)寬度，與填充因子有關(guān)， 當(dāng)填充因子為100%時(shí)，W= 1;填充因子小于100%時(shí)，? < 1。探測(cè)器設(shè)計(jì)參數(shù)包括探測(cè)器 的像元數(shù)量、像元大小、像元形狀、填充因子、量子效率等，用來(lái)表示運(yùn)些設(shè)計(jì)參數(shù)組 成的集合；
[0027] (25)將光學(xué)子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和探測(cè)器子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)聯(lián)合起來(lái)，建立光學(xué)成 像系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型：
[0028]
(17)
[0029] 利用成像目標(biāo)先驗(yàn)信息獲得的系統(tǒng)噪聲即可建立光學(xué)成像系統(tǒng)成像模 型：
[0030]
(18)
[0031] (3)建立數(shù)字處理系統(tǒng)模型
[0032] 如圖6所示，數(shù)字處理系統(tǒng)由平滑濾波器和銳化濾波器構(gòu)成，用于補(bǔ)償光學(xué)成像 系統(tǒng)的遺留像差。
[003引 （31)平滑濾波器用于降低圖像的噪聲，一般來(lái)講，對(duì)大小為MiXMz的圖像f(x，y) 經(jīng)過(guò)一個(gè)大小為miXmz的掩模Φ(s，u)進(jìn)行平滑濾波后得到的圖像為：
[0034]
(19)
[0035] 平滑濾波器的基本構(gòu)成都由上式發(fā)展而來(lái)，在具體實(shí)現(xiàn)方法上有所不同，可W是 線(xiàn)性也可W是非線(xiàn)性的，可W在空域?qū)D像進(jìn)行操作也可W在頻域?qū)D像進(jìn)行操作，如中 值濾波器、阿爾法均值濾波器等；
[0036] (32)銳化濾波器用于提高圖像的對(duì)比度，通常來(lái)講，銳化濾波均與圖像的梯度有 關(guān)，對(duì)于圖像f(x，y)來(lái)說(shuō)，其梯度可W定義為一階微分：
[0040] 上式中，t、Gy分別表示圖像在水平方向X的梯度和豎直方向y的梯度，f(x，y)表 示在坐標(biāo)（X，y)處的灰度值；
[0041] 現(xiàn)代的銳化濾波器基本都由圖像梯度發(fā)展而來(lái)，在具體實(shí)現(xiàn)方法上有所不同，可 W是線(xiàn)性也可W是非線(xiàn)性的，可W在空域?qū)D像進(jìn)行操作也可W在頻域?qū)D像進(jìn)行操作， 如高頻提升濾波器、高斯型高通濾波器等；
[0042] (33)在數(shù)字圖像處理中平滑濾波和銳化濾波是相互矛盾的，平滑濾波必然會(huì)造成 圖像的對(duì)比度損失，銳化濾波必然會(huì)造成圖像的信噪比損失，因此，數(shù)字處理設(shè)計(jì)時(shí)必須同 時(shí)考慮運(yùn)兩種損失，W使像差修正效果達(dá)到最優(yōu)；
[0043] (34)用Qdww來(lái)表示平滑濾波器和銳化濾波器參數(shù)組成的集合，用1表示補(bǔ)償 像差后的數(shù)字圖像，用W(QDwt3i|QhfgJ表示結(jié)合目標(biāo)先驗(yàn)信息的數(shù)字處理系統(tǒng)傳遞函 數(shù)，則數(shù)字處理系統(tǒng)調(diào)制模型為：
[0044]
(22)