一種基于對稱性的單透鏡計算成像psf快速標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，特指一種基于對稱性的單透鏡計算成像PSF快速標定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，單反相機以其高清的成像質(zhì)量、豐富的鏡頭選擇、迅捷的響應(yīng)速度、卓越的手控能力等優(yōu)勢在人們的日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，為彌補單反鏡頭中鏡片的幾何畸變和像差，進一步提高成像質(zhì)量，單反鏡頭的設(shè)計日益復(fù)雜，甚至包含數(shù)十個獨立的光學器件。復(fù)雜的鏡頭在提高成像質(zhì)量的同時，無疑也會增加鏡頭的體積和重量，也導(dǎo)致鏡頭的成本大大提高。鏡頭體積和重量的增加給用戶的日常使用帶來了不便，成本的提高也不便單反向大面積用戶推廣使用。因此，在盡量消除鏡片像差，增加成像質(zhì)量的同時，如何降低鏡頭成本，使其更為輕便，也成為目前單反相機設(shè)計的重要需求之一。近年來，隨著圖像復(fù)原技術(shù)的快速發(fā)展，圖像去模糊等方法越來越成熟，鏡頭中某些消除像差和修正幾何畸變的鏡片可由去模糊等計算攝影技術(shù)代替，因此，單透鏡成像(如圖2所示)與圖像復(fù)原技術(shù)的結(jié)合也逐漸成為單反相機設(shè)計的一個新的研宄方向。
[0003]單透鏡成像的關(guān)鍵在于必須首先對單透鏡的模糊核進行標定，然后基于所得到的模糊核，采用一定的圖像復(fù)原算法得到清晰圖像。單透鏡的模糊核標定通常是在尺度空間中進行的，如圖3所示，在尺度空間中，一般取3X3的高斯函數(shù)或者delta函數(shù)作為模糊核的初始值，通過依次在不同層次尺度空間中的迭代逐步求得最終的理想模糊核。而且在每一層尺度空間，首先將上一層次尺度空間中所求得的模糊核作為初始值，結(jié)合模糊圖像求得潛在的清晰圖像，然后把潛在清晰圖像和模糊核作為已知項，再求出清晰圖像。這個過程也需要經(jīng)過多次迭代才能得到本層次尺度空間中較為理想的模糊核，如圖4所示。
[0004]目前單透鏡成像中模糊核標定所存在的問題是模糊核的初始值與最終理想的模糊核相差太遠，從而導(dǎo)致模糊核標定的過程耗時太長，不便在實際中應(yīng)用。因此，根據(jù)單透鏡計算成像的特性提出一個更加合理并且容易實現(xiàn)的單透鏡模糊核的初始值是單透鏡計算成像急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有單透鏡成像方法中模糊核初始值與最終理想值差別較大，迭代估計過程耗時太長，不便于實際操作等問題，本發(fā)明提出一種基于對稱性的單透鏡計算成像PSF標定方法。充分利用單透鏡模糊核的空間對稱性特點，首先估計出部分區(qū)域內(nèi)的圖像塊的模糊核，然后將這些模糊核經(jīng)過適當?shù)男D(zhuǎn)調(diào)整，作為其他區(qū)域內(nèi)圖像塊模糊核估計的初始值。相比于高斯函數(shù)和delta函數(shù)，利用對稱性所得到的模糊核更加接近最終的理想模糊核，所需的迭代次數(shù)會大大減少，從而在整體上加快模糊核的估計速度。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]一種基于對稱性的單透鏡計算成像PSF快速標定方法，其特征在于包括以下步驟:
[0008]S1:利用單透鏡相機獲取模糊圖像；
[0009]S2:將單透鏡計算成像中的PSF標定問題轉(zhuǎn)換為盲卷積圖像復(fù)原問題，即通過盲卷積圖像復(fù)原算法求出單透鏡的模糊核，具體步驟如下:
[0010]S21:為估計出模糊圖像空間變化的模糊核，將模糊圖像分成若干個小塊圖像；估計出左上角區(qū)域內(nèi)每個小塊圖像對應(yīng)的模糊核，估計每個小塊圖像的模糊核所用的算法為基于最大后驗概率MAP的盲卷積圖像復(fù)原算法，在最大后驗概率模型下，盲卷積圖像復(fù)原問題的統(tǒng)計學模型可以表述為:
[0011]argmaxP (K, 11 B) = arg maxP (B 11, K) P (I) P (K) (I)
[0012]其中，K表示單透鏡的模糊核，又稱點擴散函數(shù)PSF ;1表示清晰圖像出表示由單透鏡成像系統(tǒng)直接得到的模糊圖像；ρ(κ，I|B)表示在模糊圖像B已知條件下，與模糊圖像B對應(yīng)的模糊核和清晰圖像分別為K和I的概率；P (B 11, K)表示如果已知模糊核K和清晰圖像I，對應(yīng)的模糊圖像為B的概率表示對原始清晰圖像已知的先驗概率{⑷表示模糊核的先驗概率；
[0013]基于最大后驗概率MAP的盲卷積圖像復(fù)原算法，模糊核估計通常都是在尺度空間中進行的，如圖3所示，在尺度空間中，一般取3X3的高斯函數(shù)或者delta函數(shù)作為模糊核的初始值，通過依次在不同層次尺度空間中的迭代逐步求得最終的理想模糊核。而且在每一層尺度空間，首先將上一層次尺度空間中所求得的模糊核作為初始值，結(jié)合模糊圖像求得潛在的清晰圖像，然后把潛在清晰圖像和模糊核作為已知項，再求出清晰圖像。這個過程也需要經(jīng)過多次迭代才能得到本層次尺度空間中較為理想的模糊核，如圖4所示。
[0014]S22:充分利用單透鏡模糊核的空間對稱性，將步驟S21中已經(jīng)估計出的模糊核經(jīng)過適當角度的旋轉(zhuǎn)，作為剩余三個區(qū)域中各個小圖像塊的模糊核初始值。因為估計剩余三個區(qū)域的模糊核時，模糊核初始值與最終值比較接近，所需的估計時間會大大縮小。單透鏡模糊核的空間對稱性如圖1所示，圖1為已經(jīng)計算出的單透鏡不同區(qū)域部分的模糊核，從圖1可以看出，如果以圖1中間一列模糊核為中心，則不同的模糊核圖像塊是左右對稱的；如果以圖1中間一行模糊核為中心，則不同的模糊核圖像是上下對稱的。而且，左上角區(qū)域內(nèi)的模糊核與右下角區(qū)域內(nèi)的模糊核以圖1中心圖像塊為中心，呈180°旋轉(zhuǎn)對稱。
[0015]充分利用單透鏡模糊核的空間對稱性，利用步驟S21中的盲卷積圖像復(fù)原算法，首先求出左上角區(qū)域內(nèi)每個圖像塊對應(yīng)的模糊核，求右上角區(qū)域內(nèi)與之對稱的圖像塊的模糊核時，將已求出的左上角模糊核左右翻轉(zhuǎn)180°作為待求圖像塊的模糊核迭代優(yōu)化初始值；求左下角區(qū)域內(nèi)與之對稱的圖像塊的模糊核時，將已求出的左上角模糊核上下翻轉(zhuǎn)180°，作為待求圖像塊的模糊核迭代優(yōu)化初始值；求右下角區(qū)域內(nèi)與之對稱的圖像塊的模糊核時，將已求出的左上角模糊核先左右翻轉(zhuǎn)180°，再上下翻轉(zhuǎn)180°，作為待求圖像塊的模糊核迭代優(yōu)化初始值。
[0016]本發(fā)明中:
[0017]在步驟SI中的模糊圖像是在正常光圈大小下，由單透鏡相機得到的模糊圖像。
[0018]在步驟S22中所用到的迭代優(yōu)化方法為EM優(yōu)化算法，EM優(yōu)化算法分為兩個步驟，在E-step中，根據(jù)給定的當前模糊核求解非盲卷積圖像復(fù)原，求出潛在的平均圖像，并估計該平均圖像周圍的方差；在M-step中，根據(jù)E-step中求出的潛在平均圖像求出最佳的模糊核；
[0019]EM算法的具體步驟如下:
[0020](l)E-step:令0(1) = P (I I B，K)，并計算出 Q (I)的均值 u 和方差 C，其中 P (I | B，K)表示在已知模糊圖像B和模糊核K的條件下，對應(yīng)的清晰圖像為I的概率；均值u就代表給定當前模糊核時潛在的清晰圖像，C代表清晰圖像周圍的方差；
[0021](2) M-step:找到使K*I_B達到最小值的K值，即式⑵達到最小值；
[0022]EqI |K*1-B| I2 (2)
[0023]在M-st印中使用的是求導(dǎo)函數(shù)的方法，即找到式(2)的極值點，因為式(2)包含一個二次項，而在E-step中所求出的均值和方差足以滿足式(2)的求解條件，此時所求出的是局部最優(yōu)解，然后多次交替迭代E-step和M-step，直到得到最終的全局最優(yōu)解，即最佳的模糊核。
[0024]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:
[0025]本發(fā)明基于單透鏡計算成像系統(tǒng)，將單透鏡PSF的估計轉(zhuǎn)化為盲卷積圖像復(fù)原算法，針對PSF估計過程中模糊核初始值與最終理想值相差較遠，從而導(dǎo)致PSF標定耗時過長的問題，提出基于單透鏡模糊核空間對稱性的PSF快速標定方法，根據(jù)已求出的部分區(qū)域內(nèi)圖像塊的模糊核，將其經(jīng)過適當旋轉(zhuǎn)變換，作為其他區(qū)域內(nèi)圖像塊PSF估計的模糊核初始值，PSF估計過程所需的時間將會大大減少。這種方法在圖像處理和相機設(shè)計領(lǐng)域都具有非常重要的意義。
【附圖說明】
[0026]圖1為平凸透鏡對應(yīng)的空間變化的模糊核；
[0027]圖2為單透鏡成像示意圖；
[0028]圖3為尺度空間中估計PSF的迭代過程示意圖；
[0029]圖4為盲卷積圖像復(fù)原算法的迭代過程；
[0030]圖5為基于對稱性的單透鏡計算成