專利名稱：一種全焦距無(wú)像差圖像攝取方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)聚焦特性而實(shí)現(xiàn)影像攝取技術(shù)領(lǐng)域(如光學(xué)，紅 外成像等)，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)全焦距無(wú)像差圖像攝取方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)方面，非相干光照相都有著廣泛的應(yīng)用。圖像 (照片，錄像等)作為 一種重要的現(xiàn)代信息載體是這個(gè)時(shí)代最重要的 社會(huì)要素之一，其基本功能就是以圖像的形式記錄信息。傳統(tǒng)的相機(jī) 由于其原理的限制，使得光學(xué)成像在景深范圍內(nèi)是清晰的，而對(duì)景深 之外的圖像信息就失真降質(zhì)了。圖像的清晰度就意味著圖像承載的信 息量的多少，具有足夠信息量的圖像，也就是清晰精確的圖像一直是 各個(gè)領(lǐng)域的影像專業(yè)追求的目標(biāo)。在很多和光學(xué)有相似成像原理的領(lǐng)域，如紅外成像等，也有類似 的由于"透鏡"的特性而無(wú)法全焦距聚焦的問(wèn)題。圖l所示為光學(xué)成像原理示意圖，由圖l可見(jiàn)，來(lái)自某一個(gè)平行 于鏡頭1平面的，透過(guò)聚焦照相鏡頭的光線總能f聚焦在鏡頭后的共軛平面4內(nèi)。如果共軛平面和成像平面3重合，則圖像會(huì)非常清晰， 否則(成像于聚焦平面之前或之后)圖像會(huì)模糊， 一個(gè)點(diǎn)的物象會(huì)形 成一個(gè)光斑2，整個(gè)平面內(nèi)的圖像就是一幅模糊的圖像。以上的失焦模糊和像差就是光學(xué)照相發(fā)展到今天一直都無(wú)法解 決的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容為了解決失焦圖像模糊和消除像差的問(wèn)題，利用本發(fā)明提供一種 全焦距無(wú)像差圖像攝取系統(tǒng)及方法，使照相視野內(nèi)的所有圖像都能像 在焦平面內(nèi)的圖像一樣的清晰。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明釆用如下技術(shù)方案 一種全焦距無(wú)像差圖像攝取方法，包括步驟(a) 獲取待處理的模糊圖像，將其保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中；(b) 將所述模糊圖像進(jìn)行圖像分區(qū)，得到非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域及與分別與其對(duì)應(yīng)的物距；(c) 依據(jù)所述非交融單一物距區(qū)域的物距調(diào)用點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)，對(duì)所述非交融單 一物距區(qū)域進(jìn)行重建和校正，得到所述非交融單一物距區(qū)域重建分布的清晰像素值；(d) 依據(jù)所述交融區(qū)域的物距調(diào)用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)，對(duì)所述交融區(qū)域?qū)M(jìn)行重建和校正，得到交融區(qū)域重建分布的清晰像素值；(e) 將所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域的清晰像素值進(jìn)行疊加并校正，得到重建后的清晰圖像數(shù)據(jù)；(f) 將所述重建后的清晰圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并輸出顯示。 其中，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)有符合光學(xué)特性的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)，所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)存儲(chǔ)與物距對(duì)應(yīng) 的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)，所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)具有 與物空間坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)的特征分布，所述物空間坐標(biāo)包括物距，所述 特征分布包括彌散半徑。其中，所述鏡頭或鏡頭組包括具有特定透過(guò)率分布介質(zhì)的透鏡或 透鏡組，包括具有多焦點(diǎn)透鏡或透鏡組。其中，在步驟(a)中，獲取待處理的模糊圖像為之前獲取的后處理圖像，或?yàn)橥ㄟ^(guò)攝像裝置的鏡頭或鏡頭組獲取被攝場(chǎng)景的原始光 信號(hào)在圖像傳感器上成像時(shí)將所述原始光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)所述 電信號(hào)處理得到獲取待處理的模糊圖像。其中，在步驟(d)中，利用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)所述非交融單一物距區(qū)域圖像進(jìn)行重建和校正方法為，利用該區(qū)域模 糊圖像的分布像素值在空域?yàn)閬?lái)自某一物距平面的理想圖像中的分 布像素值與對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)的卷積關(guān)系，在頻域?yàn)閬?lái)自某一物距平 面的理想圖像頻譜與對(duì)應(yīng)的光學(xué)傳遞函數(shù)的乘積關(guān)系，得到對(duì)應(yīng)所述 非交融單一物距區(qū)域中重建分布的清晰像素值。其中，在步驟(e)中，對(duì)所述交融區(qū)域?qū)M(jìn)行重建和校正的方 法為依據(jù)為，利用所述交融區(qū)域的模糊圖像分布像素值在空域?yàn)閷?duì)應(yīng) 不同物距平面的理想圖像中的分布像素值與對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)卷積 后的疊加的關(guān)系，在頻域?yàn)閷?duì)應(yīng)不同物距平面的理想圖像頻譜與對(duì)應(yīng) 的光學(xué)傳遞函數(shù)的乘積后的疊加的關(guān)系，得到所述交融區(qū)域中對(duì)應(yīng)的 重建分布的清晰像素值。其中，在步驟(C)中，對(duì)所述模糊圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分區(qū)利用下述方法中的任一種或組合(c-l)測(cè)距法利用測(cè)距硬件輔助工具,對(duì)所述模糊圖像數(shù)據(jù)視 場(chǎng)內(nèi)的光源的每一點(diǎn)或主要點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，由所得物距確定所述非交融 單一物距區(qū)域的邊界從而推算出非交融單一物距區(qū)域及交融區(qū)域；(c-2)色差特性分區(qū)法利用同源異色傳輸存在位置差，通過(guò) 所述模糊圖像數(shù)據(jù)不同物距的不同顏色圖像間的位置差來(lái)判別物距， 由所述物距確定所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域，其中所述位置 差通過(guò)所述模糊圖像數(shù)據(jù)不同色位置突變的邊界差判定；(c-3)頻譜過(guò)零點(diǎn)分區(qū)法將所述模糊圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域得 到頻譜，依據(jù)所述頻譜的過(guò)零點(diǎn)間距得到點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù) 的特征值，依據(jù)所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)求出與點(diǎn)分布函數(shù) 或光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)的物距，確定非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域；(c-4 )利用小波分析法確定所述模糊圖像數(shù)據(jù)屬于同 一頻譜特 征的區(qū)域，確定所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域；(c-5)擬和求解分區(qū)法對(duì)所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)的特征量進(jìn)行假設(shè)后進(jìn)行圖像重建，根據(jù)重建后再模糊圖像的誤差進(jìn)行 判斷所述特征量的選擇正確性并重新選擇，直至找到滿足系統(tǒng)要求的 誤差，判斷得出正確的特征量及其對(duì)應(yīng)的物距，確定所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域；(c-6)人工分區(qū)法對(duì)所述模糊圖像數(shù)據(jù)利用視覺(jué)進(jìn)行劃分區(qū) 域，確定所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域；其中，在步驟(d)中，非交融單一物距區(qū)域圖像重建的方法為 下述任一種或其組合(d-l)頻域逆濾波圖像重建方法及校正在頻域通過(guò)逆濾波對(duì) 非交融單一物距區(qū)域的圖像進(jìn)行重建和校正；(d-2)非線性圖像重建法及校正在空域中應(yīng)用非線性的迭代 算法，對(duì)非交融單一物距區(qū)域的圖像進(jìn)行重建和校正；(d-3)反卷積法圖像重建及校正在空域應(yīng)用反卷積的算法對(duì) 非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域進(jìn)行圖像重建和校正；(d-4)擬合求解法重建及校正對(duì)點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù) 的特征值進(jìn)行假設(shè)后進(jìn)行圖像恢復(fù)求解，根據(jù)求解的后的誤差進(jìn)行判 斷特征值的選擇正確性并重新選擇，直至找到滿足系統(tǒng)要求的誤差， 判斷得出正確的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)及其對(duì)應(yīng)的物距，并完成 圖像重建和校正；(d-5)用小波分析的方法進(jìn)行圖像重建和校正通過(guò)對(duì)模糊圖 像的各頻段小波分析，結(jié)合點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)分頻段對(duì)圖 像進(jìn)行處理，結(jié)合能量守恒的關(guān)系，搬移頻譜各段的能量，得到重建 的圖像；(d-6)遞推迭代法進(jìn)行圖像重建及校正根據(jù)邊緣數(shù)據(jù)或者已 求出的數(shù)據(jù)，通過(guò)模糊圖像和清晰圖像的映射數(shù)學(xué)關(guān)系，用迭代遞推 的方式求解出相鄰的像素值，得到重建的圖像。(d-7)對(duì)于后處理圖像的人工參與重建及校正對(duì)于后處理圖像，對(duì)分區(qū)后的模糊圖像進(jìn)行彌散特征值判斷，根據(jù)(d-4)的方法 進(jìn)行圖像非交融單一物距區(qū)域的重建，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)該區(qū)域的圖 像進(jìn)行校正。其中，在步驟(e)中交融區(qū)域圖像重建及校正的方法為下述任一種或其組合(e-l)邊緣遞推法重建交融區(qū)域圖像重建及校正根據(jù)分區(qū)求 出的來(lái)自周邊非交融單一物距區(qū)域的各個(gè)傳遞函數(shù)和重建的圖像數(shù) 據(jù)，通過(guò)交融區(qū)域模糊圖像和清晰圖像的空域卷積和頻域乘積的數(shù)學(xué) 關(guān)系，用迭代遞推的方式求解出相鄰的像素值，得到交融區(qū)域的重建 后的清晰圖像數(shù)據(jù)。(e-2)小波分析復(fù)原法重建及校正通過(guò)對(duì)模糊圖像的各頻段 小波分析，結(jié)合點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)分頻段對(duì)圖像進(jìn)行處 理，結(jié)合能量守恒的關(guān)系，搬移頻譜各段的能量，得到交融區(qū)域重建 后的清晰圖像數(shù)據(jù)；(e-3)對(duì)于后處理圖像的人工參與重建及校正對(duì)于后處理圖 像，對(duì)分區(qū)后數(shù)字化的模糊圖像進(jìn)行彌散特征值判斷，根據(jù)(d-4) 的方法進(jìn)行圖像交融區(qū)域的重建，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)該區(qū)域的圖像進(jìn) 行校正。其中，所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)的建立方法包括步驟 (f-l)設(shè)計(jì)光源模型，對(duì)于攝像裝置內(nèi)系統(tǒng)的不同顏色、不同物 空間坐標(biāo)或典型坐標(biāo)，及不同光強(qiáng)度下的光源模型的點(diǎn)分布函數(shù)或光 學(xué)傳遞函數(shù)特性進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量數(shù)據(jù)；(f-2)用設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)或測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建和校正，用重建 和校正后的圖像與由光源模型的圖像數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，用該誤差的反 算值修正設(shè)計(jì)光源模型的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)，得到符合系統(tǒng) 誤差的物空間不同點(diǎn)的不同顏色對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)， 得到所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)。一種全焦距無(wú)像差圖像攝取系統(tǒng)，包括 圖像獲取模塊，用于獲取待處理的模糊圖像數(shù)據(jù)； 圖像處理模塊，包括圖像分區(qū)子模塊、非交融單一物距區(qū)域圖像重建及校正子模塊、交融區(qū)域圖像重建及校正子模塊和圖像融合及校正子模塊；所述模糊圖像分區(qū)子模塊，用于將所述模糊圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分 區(qū)，得到非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域，及與所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域分別對(duì)應(yīng)的物距；所述非交融單一物距區(qū)域圖像重建及校正子模塊，用于依據(jù)所述 非交融單一物距區(qū)域的物距調(diào)用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù) 中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)，利用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳 遞函數(shù)對(duì)所述非交融單一物距區(qū)域進(jìn)行重建和校正，得到所述非交融單一物距區(qū)域內(nèi)的清晰像素值；所述交融區(qū)域圖像重建及校正子模塊，用于依據(jù)交融區(qū)域的物距 調(diào)用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué) 傳遞函數(shù)，利用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)所述交融區(qū)域?qū)M(jìn)行重建和校正，得到交融區(qū)域內(nèi)的清晰像素值；圖像融合及校正子模塊，用于將重建和校正后的所述非交融單一 物距區(qū)域和交融區(qū)域進(jìn)行融合并校正，得到重建后的整幅的清晰圖像 數(shù)據(jù)， —圖像存儲(chǔ)、顯示輸出模塊，用于將所述重建后的清晰圖像數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)、輸出顯示。通過(guò)本發(fā)明，應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)完全有可能對(duì)實(shí)現(xiàn)全焦距無(wú)像差拍 攝，使得被拍攝的在整個(gè)視野內(nèi)的影像具有完全清晰的圖像，極大地 改善各個(gè)物距(景深)的光源的成像，整個(gè)圖像提供全視野，全焦距 無(wú)像差的清晰圖像，獲得最大的信息量。


圖l為光學(xué)成像原理示意圖； 圖2為光學(xué)系統(tǒng)成像有像差示意圖；圖3為光學(xué)系統(tǒng)理想成像無(wú)像差示意圖； 圖4為光學(xué)系統(tǒng)在遠(yuǎn)距模式成像示意圖； 圖5為本發(fā)明的全焦距無(wú)像差圖像重建原理圖； 圖6為本發(fā)明的方法流程示意圖。圖中1、鏡頭；2、光斑；3、成像面；4、共軛平面；5、 A點(diǎn) 理想成像；6、 B點(diǎn)理想成像；7、理想成像面；8、 A點(diǎn)的無(wú)像差聚焦 成像；9、 B點(diǎn)的有像差不聚焦成像；10、光源；11、有像差的光班； u、物距；v、像距；f、焦距；S、透鏡和感光面的距離。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。 1.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全焦距無(wú)像差的原理任何物距都可以成像于其共軛平面，其特點(diǎn)是完全聚焦。共軛平 面的圖像和其投影平面(感光平面)的圖像有著一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 理論上說(shuō)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是互逆的因果關(guān)系，因此就可以根據(jù)感光平面 的模糊的影像數(shù)據(jù)求出共軛平面的清晰的虛擬影像，進(jìn)一步可以將共 軛平面的虛擬聚焦清晰影像數(shù)據(jù)進(jìn)行理論上的延光心(消像差)投射 線的方向再次映射到感光平面內(nèi)，推導(dǎo)出感光平面內(nèi)的聚焦清晰的映 射的影像。從數(shù)學(xué)關(guān)系上看，光學(xué)圖像攝取系統(tǒng)是線性空變系統(tǒng)，其點(diǎn)分布 函數(shù)/點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)PSF/OTF是隨光源的位置(物距，離 軸的坐標(biāo)及光的顏色)變化的。這種變化是有規(guī)律的。這個(gè)線性空變 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述有連續(xù)表達(dá)方式和離散表達(dá)方式。下面給出其詳細(xì)描 述。1.1線性空變系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述的連續(xù)表達(dá)方式來(lái)自同一(系統(tǒng)誤差可接受的接近的)物距的光源的成像區(qū)域內(nèi)被預(yù)定為控制對(duì)象的被控制裝置的各規(guī)格進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)別的各個(gè)特定方式 的動(dòng)作即可?；氐綀D21的流程圖。當(dāng)在步驟S232中抽出特定移動(dòng)方式信息時(shí)， 接著，識(shí)別作為與通過(guò)系統(tǒng)控制器230的相應(yīng)功能部所實(shí)現(xiàn)的控制對(duì)象 識(shí)別單元所抽出的特定移動(dòng)方式相對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象的被控制裝置 (S233)，利用與該被控制裝置相適應(yīng)的方式的信號(hào)，通過(guò)信息傳輸單元 向該被控制裝置(本例中是液晶電視100)傳輸表示控制裝置(遙控器) 的位置和移動(dòng)軌跡的信息(S234)。如上所述，在本實(shí)施方式中，能夠利用與被識(shí)別為作為控制對(duì)象的 被控制裝置的裝置相適應(yīng)的方式的信號(hào)向該被控制裝置準(zhǔn)確地傳輸例如 遙控器的當(dāng)前位置的信息、用于進(jìn)行期望的操作的指令等信息。在作為 本例的該被控制裝置的液晶電視100側(cè)，接收在步驟S234中所傳輸?shù)男?息(S131)，與參照?qǐng)D17、圖18或圖20所說(shuō)明的相同，根據(jù)該所接收的 信息來(lái)執(zhí)行工作模式的選擇等(S132)。遙控器側(cè)的步驟S234的動(dòng)作之后與參照?qǐng)D17所說(shuō)明的步驟S203相 同，對(duì)與當(dāng)前位置計(jì)算單元的算出位置相關(guān)的累積誤差進(jìn)行復(fù)位(S235)， 結(jié)束處理。液晶電視側(cè)的動(dòng)作隨著上述步驟S132的執(zhí)行而結(jié)束。圖23是表示本發(fā)明的另一實(shí)施方式的流程圖。遙控器200在框圖上 的結(jié)構(gòu)與圖16相同，作為被控制裝置的液晶電視100也與圖15相同。 由用戶對(duì)遙控器200的操作部進(jìn)行用于選擇使用目的的類別的操作，由 系統(tǒng)控制器230的相應(yīng)功能部所實(shí)現(xiàn)的使用目的識(shí)別單元來(lái)識(shí)別其使用 目的(S241)。其使用目的例如指將該遙控器200用作指示設(shè)備，或者用于用戶的 判定。與在步驟S241中所識(shí)別的使用目的相對(duì)應(yīng)的設(shè)備有多個(gè)。例如， 即使是應(yīng)用于相同的指示對(duì)象的電視機(jī)，也既有適合于很多人觀看的大 型液晶電視的情況，也有與其相比為小型的電視機(jī)。因此，用戶如參照?qǐng)D22所說(shuō)明的那樣，例如對(duì)于意圖使用的液晶電 視100將遙控器200朝著屏幕102沿其對(duì)角線LD進(jìn)行描畫(huà)一個(gè)來(lái)回的特 定的舉動(dòng)，與圖21的步驟S231 步驟S233相同，使遙控器200確定實(shí)在該線性空變系統(tǒng)的模糊降質(zhì)模型中，對(duì)于在非交融單一物距區(qū) 域模糊圖像與理想圖像具有連續(xù)表達(dá)方式"0，力-"0，力=K 0,力* /za 0, x0, y0)與交融區(qū)域表達(dá)式中的含義相同，《；力為通過(guò)透鏡得到的原始 模糊圖像中某點(diǎn)的像素值，該點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x、縱坐標(biāo)為y; ^，力為 作用于原始模糊圖像中某點(diǎn)的加性噪聲值，該點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x、縱坐 標(biāo)為y; ^(x，少)為來(lái)自物距為a的平面的理想圖像中某點(diǎn)的像素值， 該點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x、縱坐標(biāo)為y; A。(^,y,;凡)來(lái)自物距為a的平面的 理想圖像對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)。1.2線性空變系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述的離散表達(dá)方式通過(guò)共軛平面的使用，C2B (清晰到模糊)錐形映射、B2C (模 糊到清晰)錐形逆映射方法的使用建立了失焦模糊(blurred)圖像和其 對(duì)應(yīng)的精確清晰(clear)圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系(B2C方程)j9二/一^《=y— / =/—力《=y—力 p二 '一c ^=該方程表示模糊圖像及其對(duì)應(yīng)的精確清晰圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中 z'"'為模糊圖像矩陣的 一 個(gè)元素點(diǎn)(u )的像素值，Z"， g， JT~"， .....分別為來(lái)自不同物距平面的、被處理后的、映射到成像平面的清晰圖像矩陣中的能映射到(i，j)點(diǎn)的一7點(diǎn)(p,q)的像素值， p，？ p，《 分別為JT卸，《，.....映射到模糊平面的(i,j)點(diǎn)的映射系數(shù)，a,b，c,...為來(lái)自不同物距平面的不同非交融單一物距平面的彌散半徑;在對(duì)離散的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，視野內(nèi)的影像透過(guò)鏡頭在成倡平面內(nèi)的投影的影像矩陣為Z，，該影像包括清晰聚焦的影像(焦點(diǎn)附 近)和模糊聚焦的影像(失焦)。<formula>formula see original document page 17</formula>
其中(—2n+2h+l), (2m+2h'+l)'分別為數(shù)4影A傳感到的縱橫點(diǎn)數(shù)，li 為正整數(shù)，為圖像Z，的最大的彌散半徑，2m+l,2n+l為要求的清晰矩 陣的縱橫像素點(diǎn)數(shù)。然后定義視野內(nèi)具有不同的物距的物體透過(guò)同一鏡頭在成像平 面內(nèi)的投影分別為矩陣Xa，， Xp，， XY，...。則Z，矩陣就是Xa，， Xp，， X/...的線性疊加。<formula>formula see original document page 17</formula><formula>formula see original document page 18</formula>其中Z，， Xa，， Xp，， X/…的所有元素都為正實(shí)數(shù)(像素值)，(2n+2h+l)， (2m+2h+l)分別為數(shù)碼相機(jī)影像傳感到的縱橫像素點(diǎn) 數(shù)，h為a, b, c...的最大值，正整數(shù)a， b, c...分別為Xa，， Xp，， X/...的彌散半徑。接著定義視野內(nèi)具有不同的物距的物體透過(guò)同一鏡頭在其各自的共軛平面內(nèi)的清晰成像的矩陣分別為Xae , X(A X/...。定義透過(guò) 光心O、映射矩陣X二 X/…到感光平面的映射矩陣分別為Xa,Xp， XY...，其線性疊加的和為z。即z = z + ^ +A +…具體表示為<formula>formula see original document page 18</formula><formula>formula see original document page 19</formula>并且 z = +j^+jt,+.m將任何矩陣都在物理上定義為一個(gè)平面。所以以上提到各個(gè)矩陣分別為Z，， Z， Xa，， X卩，，XY，...Xac， Xpc， XYc...Xa， Xp， Xy…平面，后面還有Xa"i,j, Xp"i,j, X/，i,j…平面。本文中每個(gè)平面或矩陣的坐標(biāo)都是統(tǒng)一的(0， 0)。1.2.1線性空變系統(tǒng)中圖像清晰點(diǎn)到其光斑的映射關(guān)系…(C2B 錐形映射)定義Xa, Xp， Xy…中任一元素Xai,j, XHJ, Xyy...(i的范圍是[-n， n], j的范圍是[-m, m])映射回Xae, Xpe， X/…平面然后再映射到Z，成像平面，則散發(fā)為一個(gè)光斑，該光斑矩陣定義為Xa"i,j, Xp"i,j,X7 i,j…'其中任—元素> 表不點(diǎn)Xai,j,xpi,j， Xw...在；r、，x"々，；r、,...平面上p,q點(diǎn)的投影(p,q 分別為投影點(diǎn)，投影為光斑，如果透鏡的物理性質(zhì)理想，投影光斑為圓(但實(shí)際的情況不一定是標(biāo)準(zhǔn)圓)，這里定義其為在正方矩陣，光斑外正方范圍內(nèi)的點(diǎn)的值定義為零。 該矩陣表示為<formula>formula see original document page 20</formula>基于以上分析，根據(jù)能量守恒定律，我們可以得到物理關(guān)系及清晰點(diǎn) 和其映射光斑的關(guān)系<formula>formula see original document page 21</formula>根據(jù)物理學(xué)原理，由于光學(xué)系統(tǒng)的特性，被映射點(diǎn)的能量和映射點(diǎn)的能量是成正比例關(guān)系的，其比例關(guān)系在這里定義為K.<formula>formula see original document page 21</formula>p，q的范圍分別為<formula>formula see original document page 21</formula>[j-b,j+c]}…W W W 是在以i.j點(diǎn)為中心，2a,2b，2c…為邊長(zhǎng)的正方矩陣。其物理意義表示點(diǎn)(i，j)的光能(光照強(qiáng)度即像素值)7， Z^， ；， X"'， ；，'在Z""5 1"""'平面上p，q點(diǎn)的投影能量分量的系數(shù)。投影為光斑，如果透鏡的物理性質(zhì)理想，投影光斑為圓，(但實(shí)際的 情況不 一定是標(biāo)準(zhǔn)圓)，這里將其在光斑外正方矩陣內(nèi)的點(diǎn)的像素值 定義為零。根據(jù)能量守恒原理，我們可以得出<formula>formula see original document page 22</formula>1.2.2可映射的清晰點(diǎn)和模糊點(diǎn)的映射關(guān)系一(B2C錐形逆映射) 根據(jù)分析，我們可以得到另一個(gè)物理關(guān)系<formula>formula see original document page 22</formula><formula>formula see original document page 23</formula>根據(jù)物理關(guān)系，p,q的范圍分別為([i-a，i+a]， [j-a，j+a]} , {[i-b,i+b], U-b，j+b]}， {[i-C,i+C]，[j-b,j+C]}...。這里的X"S, &^,&^。。。的值 在矩陣內(nèi)，在滿足(p-i) 2+(q-j)2^2的條件下為零。 所以 Z'= …即<formula>formula see original document page 23</formula>已知h二max[a，b,c,…],a，b,c，…是正常整數(shù)，這就是模糊/精確圖像的 像素間關(guān)系，本文中稱之為B2C方程1.3用連續(xù)表達(dá)式和離散表達(dá)式之間的關(guān)系上面式子中X^M和v。0,力表示同一個(gè)區(qū)域的清晰圖像；和/^(x，y;x。,y。)表示同一個(gè)區(qū)域的點(diǎn)分布函數(shù)或PSF。1.4近距模式、遠(yuǎn)距模式及其和特征量的關(guān)系其中，近距模式、遠(yuǎn)距模式及其和特征量的關(guān)系為 根據(jù)幾何光學(xué)原理，對(duì)于簡(jiǎn)單的對(duì)稱凸透鏡光學(xué)系統(tǒng)，如果透鏡 的焦距是透鏡中心到感光面的距離，圖4所示的在遠(yuǎn)距模式下，光源 10經(jīng)鏡頭1后在成像面3成像，其物距為u，相距為v,透鏡的焦距為f，透鏡和感光面間的距離為S,可以推導(dǎo)出:C對(duì)于一個(gè)相機(jī)系統(tǒng)是常量，其物理意義是最大彌散半徑，D為透鏡的孔徑，該公式中用U表示物距，R為在遠(yuǎn)距模式是光源在無(wú)窮遠(yuǎn)處時(shí)的彌散半徑?？梢?jiàn)彌散半徑或彌散特征值R和物距有如上的 一 一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 在近距模式，可以推導(dǎo)出同樣彌散半徑或彌散特征值R和物距有如上的一一對(duì)應(yīng)的解析關(guān)系。 1.5點(diǎn)分布函數(shù)PSF的特性在光學(xué)系統(tǒng)固定的前提下，點(diǎn)分布函數(shù)PSF具有以下特性1) 同形PSF的歸一性和不同尺度性在同一離軸坐標(biāo)不同物距 的位置的單色(或單頻)PSF是同一PSF,但具有不同的空頻尺度變 換(空間壓擴(kuò)/頻域壓擴(kuò))特性，壓擴(kuò)的同時(shí)具有歸一性，物距和圖 像模糊特征是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；2) 同物距不同離軸度(或方位)的性質(zhì)在同一物距下，不同 位置的單色PSF的變化是漸變的，漸變是符合像差規(guī)律的，是可以根 據(jù)規(guī)律修正的；3) 同一點(diǎn)的光源不同色(或頻)的PSF是同一PSF但在特征尺 度上有微弱的有規(guī)律的變化，物距大時(shí)變化大，物距小時(shí)變化小，近 軸時(shí)變化同心圓對(duì)稱，離軸時(shí)變化非同心，是可以根據(jù)規(guī)律修正的；4) 衰減性不同的光學(xué)系統(tǒng)的PSF具有不同的衰減性，如對(duì)特 點(diǎn)顏色的衰減，對(duì)某些強(qiáng)度范圍的衰減，對(duì)離軸光源表現(xiàn)為漸暈的衰 減，近軸一般強(qiáng)度無(wú)源弱衰減或無(wú)衰減特性等，這些衰減在數(shù)字圖像 中是有規(guī)律的是可以修正的，在一般的系統(tǒng)中是可以忽略的；5) 時(shí)不變性和先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)及圖像復(fù)原光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)不變 系統(tǒng)，可以針對(duì)不同顏色(頻率)的光，用事先測(cè)定并結(jié)合計(jì)算得到典型位置的PSF，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合理論計(jì)算得到在要求的精度下 的所在所需的各個(gè)坐標(biāo)物距位置的PSF,根據(jù)分區(qū)的結(jié)果，把模糊圖 像的各個(gè)點(diǎn)所在的坐標(biāo)物距等位置作為索引信息，調(diào)用對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)(該區(qū)域的)的各個(gè)顏色的PSF用于圖像復(fù)原；該數(shù)據(jù)庫(kù)包含PSF/OTF 隨物距、隨不同的方位位置、隨顏色(頻率)，如果需要還有隨入射 光強(qiáng)度的變化曲線、補(bǔ)償規(guī)律和插值規(guī)律，補(bǔ)償包括暗角、暗邊、漸 暈、雜光、偏色和強(qiáng)度傳輸非線性的修正補(bǔ)償。該數(shù)據(jù)庫(kù)命名為 Alf-Nabi庫(kù)。Alf是allfoucs的縮寫(xiě)，為全焦距之意； Nabi是No aberration Image的縮寫(xiě)，為無(wú)像差之意。 PSF/OTF是信息光學(xué)理論中的定義，點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù) 之意，PSF和OTF互為傅立葉變換對(duì)。Alf-Nabi庫(kù)就是全焦距無(wú)像差庫(kù)，也叫PSF/OTF庫(kù)。即點(diǎn)分布函數(shù)/u《y,;^)就是對(duì)于理想無(wú)像差成像點(diǎn)的分布函數(shù)并得以包括如下各種像差的修正彌散(不聚焦)，球差， 慧差，象散，場(chǎng)曲，畸變，色差，雜光，漸暈，光強(qiáng)度傳輸不線性 (成像系統(tǒng)傳輸特性對(duì)于強(qiáng)度的傳輸呈不線性)，實(shí)現(xiàn)無(wú)像差重建。 1.6全焦距無(wú)像差圖像的定義 通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，在成像面上，全焦距無(wú)像差的定義為A. 物空間的點(diǎn)成像為理想的點(diǎn)(消幾何像差)；B. 直線成像為理想的直線(消幾何像差)；C. 面成像為理想的面(消幾何像差)；D. 同一光源點(diǎn)發(fā)出的各顏色的光成像在同一點(diǎn)(消色差)；E. 等物距面上各點(diǎn)各色光源的成像，其各色各像點(diǎn)的強(qiáng)度是和光 源點(diǎn)的各色光源點(diǎn)強(qiáng)度成正比的，并符合同一個(gè)比例的；(同物 距下顏色的強(qiáng)度同一性，消暗角，消色偏，消不均勻)；F. 無(wú)雜光、無(wú)漸暈。圖2所示有像差的成像示意圖，圖2中上半部分為中遠(yuǎn)焦模式， 下半部分為近焦模式，圖2中可以看出，由于存在像差，在成像面3 得到的是有像差的成像。如圖3所示解釋一部分無(wú)像差的定義，在理想成像面7上可以得 到A點(diǎn)的理想成像5和B點(diǎn)的理想成像6,理想成像面7幾何對(duì)稱于 真實(shí)成像面3，在真實(shí)成像面3上，A點(diǎn)為無(wú)像差聚焦成像8, B點(diǎn) 為有像差不聚焦成像9。從理論上講，以下所有定義都是在等效薄透鏡鏡頭系統(tǒng)中，針對(duì) 單一頻率的光的定義，從技術(shù)上講，是根據(jù)系統(tǒng)精度定義的一個(gè)光的 頻段。理想成像面在理論上是以透鏡中心的主面為對(duì)稱中心面，對(duì)稱于 真實(shí)成像面的虛擬平面；理想成像點(diǎn)的位置是光心到光源點(diǎn)連線與理想成像面的交點(diǎn)， (這對(duì)于同 一點(diǎn)發(fā)出的各色光是一個(gè)理想成像點(diǎn))；理想成像點(diǎn)的光強(qiáng)定義為任何視野內(nèi)的光源點(diǎn)垂直照射到鏡頭 主面時(shí)的出瞳范圍內(nèi)的所有能量的集合，即在不考慮透鏡損耗的情況 下真實(shí)成像面的感光強(qiáng)度，這是校準(zhǔn)漸暈的理論方法和技術(shù)手段；1.7獲取無(wú)像差圖像的原理考慮到暗角效應(yīng)，邊界部分角度遮擋效應(yīng)；考慮到光學(xué)系統(tǒng)的對(duì) 各色(頻)的非線性傳輸和衰減(高精度下)，考慮到動(dòng)態(tài)范圍的限 制帶來(lái)的強(qiáng)度傳輸、感應(yīng)、記錄的非線性，考慮到雜光，漸暈等因素，數(shù)字圖像可以根據(jù)Alf-Nabi庫(kù)進(jìn)行一定的修正或校準(zhǔn)，以得到更加理 想的恢復(fù)圖像。2.本實(shí)施例獲取全焦距無(wú)像差圖像的方法本實(shí)施例獲取全焦距無(wú)像差圖像的方法包括以下步驟 (a)依據(jù)設(shè)計(jì)、測(cè)量、前面所述的PSF/OTF的特性及驗(yàn)算建立 alf-nabi庫(kù)，所述alf-nabi庫(kù)存儲(chǔ)與物距對(duì)應(yīng)的PSF/OTF,通過(guò)攝像裝置的鏡頭或鏡頭組獲取被攝圖像成像后的原始光信號(hào)；根據(jù)具體的應(yīng)用，攝像裝置可以釆用普通光學(xué)鏡頭或鏡頭組，或 組合特定透過(guò)率分布介質(zhì)的透鏡鏡頭或鏡頭組，或使用多焦距景深級(jí)聯(lián)或覆蓋的光學(xué)鏡頭或鏡頭組；(b) 通過(guò)圖像傳感器將所述原始光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，得到待處理的模糊圖像數(shù)據(jù)；(c) 將所述模糊圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分區(qū)，得到非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域，及與所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域分別對(duì)應(yīng)的物距；具體實(shí)施時(shí)，對(duì)所述模糊圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分區(qū)可以使用下述方 法中的任一種(c-l)硬件測(cè)距分區(qū)法通過(guò)測(cè)距硬件輔助工具，對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的光源的每 一 點(diǎn)或主要點(diǎn)進(jìn)行 測(cè)距，由測(cè)得的物距確定不同物距的非交融單一物距平面和交融平 面，由所述物距與傳函特征量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系這一特性確定PSF的特征量；(c-2)利用色散分區(qū)法利用同源異色傳輸存在位置差，紅綠藍(lán)RGB三基色的傳遞函數(shù)是 不一樣的，在成像上有位置差，RB即紅藍(lán)基色之間的位置差呈同心 圓但不重合，物距越大色間位置差越大，該差和物距/PSF的特征值差 別有關(guān)，所以可以通過(guò)不同物距的不同色差來(lái)判別物距和PSF，由所 述物距確定所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域，其中所述位置差可 以通過(guò)所述模糊圖像數(shù)據(jù)不同色如紅藍(lán)兩色的位置突變的邊界差判 定；(c-3)頻譜傳函過(guò)零點(diǎn)相對(duì)關(guān)系判斷物距分區(qū)法 將所述模糊圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域得到相位頻譜，求出相位頻譜的 過(guò)零點(diǎn)，在光線性傳輸系統(tǒng)，相位頻譜的過(guò)零點(diǎn)與傳函的特征有特定的關(guān)系，依據(jù)所述相位頻譜的過(guò)零點(diǎn)間距得到PSF/OTF的特征值，又因?yàn)閭骱卣髋c物距存在特定關(guān)系，因此依據(jù)所述alf-nabi庫(kù)求出與 PSF/OTF對(duì)應(yīng)的物距，確定非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域，典型的 傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)為抽樣函數(shù)就是一個(gè)例子，通過(guò)測(cè)量經(jīng)抽樣函數(shù)變換后 的輸出信號(hào)頻譜的過(guò)零點(diǎn)的間距，計(jì)算出抽樣函數(shù)的抽樣直徑(即點(diǎn) 分布函數(shù)PSF直徑)，從而求出物距和抽樣函數(shù)，利用該方法不僅可以 分區(qū)，也可以直接算出輸入函數(shù)； (c-4)小波分析分區(qū)法 根據(jù)小波分析的空頻聯(lián)合分析特性，沿縱橫兩個(gè)方向求解所述模 糊圖像數(shù)據(jù)各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻譜，對(duì)頻譜的帶寬和幅度進(jìn)行分析，找出 一定的精度范圍內(nèi)的共同特性，結(jié)合每一點(diǎn)即周?chē)c(diǎn)縱橫兩個(gè)方向 的分析結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，得到圖像的區(qū)域特性進(jìn)行區(qū)域劃分； (c-5)人工分區(qū)法對(duì)于后處理的圖像，根據(jù)所述模糊圖像數(shù)據(jù)根據(jù)視覺(jué)人工進(jìn)行手 工粗略區(qū)域劃分，再用算法進(jìn)行擬合求解，精確劃分；在攝像裝置具有組合特定透過(guò)率分布介質(zhì)的透鏡鏡頭或鏡頭組 情況下，可以使用遮擋法進(jìn)行圖像分區(qū)，具體為利用特定透光率分布介質(zhì)的透鏡鏡頭，通過(guò)對(duì)成像的透光調(diào)制， 利用透光特性的和物距相關(guān)的頻譜特征或者邊緣特征，根據(jù)先驗(yàn)的 PSF/OTF庫(kù)中包括了這些特征的信息，計(jì)算出傳函的特征量和對(duì)應(yīng)的 物距，確定圖像的交融區(qū)域和非交融單一物距區(qū)域；(d)依據(jù)所述非交融單一物距區(qū)域的物距調(diào)用所述alf-nabi庫(kù)中 對(duì)應(yīng)的PSF/OTF,利用所述PSF/OTF對(duì)所述非交融單 一物距區(qū)域進(jìn)行 重建和校正，得到所述非交融單一物距區(qū)域內(nèi)的清晰像素值；本實(shí)施例利用所述PSF/OTF對(duì)所述非交融單一物距區(qū)域進(jìn)行重 建和校正的方法可以釆用下面所述的任一種 (d-l)頻域逆濾波圖像重建方法及校正根據(jù)具體應(yīng)用條件，在頻域通過(guò)各類逆濾波的手段對(duì)非交融單一 物距區(qū)域的圖像進(jìn)行重建和校正，本例中用維納濾波重建； (d-2)非線性圖像重建法及校正 根據(jù)具體應(yīng)用條件，在空域中應(yīng)用非線性的迭代算法，對(duì)非交融 單 一物距區(qū)域的圖像進(jìn)行重建和校正，根據(jù)模糊圖像求出描述圖像棱 邊的權(quán)矩陣，根據(jù)受限制的自適應(yīng)復(fù)原算法，不斷迭代，重建圖像； (d-3)反卷積法圖像重建及校正 根據(jù)具體應(yīng)用條件，在空域應(yīng)用反卷積的算法對(duì)非交融單一物距和交融區(qū)域進(jìn)行圖像復(fù)原和校正；(d-4 )擬合求解法(非線性迭代)及校正 根據(jù)具體應(yīng)用，結(jié)合成像系統(tǒng)的PSF/OTF特點(diǎn)，對(duì)PSF/OTF進(jìn) 行假設(shè)后進(jìn)行圖像恢復(fù)求解，根據(jù)求解的后的誤差進(jìn)行判斷PSF/OTF 的選擇正確性并重新選擇，直至找到滿足系統(tǒng)要求的誤差，判斷得出 正確的PSF/OTF及其對(duì)應(yīng)的物距，并完成圖像恢復(fù)； (d-5)用小波分析的方法進(jìn)行圖像恢復(fù)和校正 通過(guò)對(duì)模糊圖像的各頻段小波分析，結(jié)合alf-nabi庫(kù)的PSF/OTF 特點(diǎn)，分頻段對(duì)圖像進(jìn)行處理，結(jié)合能量守恒的關(guān)系，搬移頻譜各段 的能量，得到恢復(fù)的圖像。(d-6)遞推迭代法及校正 根據(jù)邊緣數(shù)據(jù)或者已求出的數(shù)據(jù)，通過(guò)模糊圖像和清晰圖像的數(shù) 學(xué)關(guān)系，用迭代遞推的方式求解出相鄰的像素值，該方法可應(yīng)用于 非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域的求解。(e )依據(jù)所述交融區(qū)域的物距調(diào)用所述alf-nabi庫(kù)中對(duì)應(yīng)的 PSF/OTF,利用所述PSF/OTF對(duì)所述交融區(qū)域進(jìn)行遞推迭代法重建和 校正，得到交融區(qū)域內(nèi)的清晰像素值；該步驟中交融區(qū)域圖像重建及校正的方法為下述任一種或其組合(e-l)邊緣遞推法重建交融區(qū)域圖像重建及校正根據(jù)分區(qū)求 出的來(lái)自周邊非交融單一物距區(qū)域的各個(gè)傳遞函數(shù)和重建的圖像數(shù) 據(jù)，通過(guò)交融區(qū)域模糊圖像和清晰圖像的空域卷積和頻域乘積的數(shù)學(xué) 關(guān)系，用迭代遞推的方式求解出相鄰的像素值，得到交融區(qū)域的重建 后的清晰圖像數(shù)據(jù)。(e-2)小波分析復(fù)原法重建及校正通過(guò)對(duì)模糊圖像的各頻段 小波分析，結(jié)合alf-nabi庫(kù)分頻段對(duì)圖像進(jìn)行處理，結(jié)合能量守恒的關(guān) 系，搬移頻譜各段的能量，得到交融區(qū)域重建后的清晰圖像數(shù)據(jù)；(e-3)對(duì)于后處理圖像的人工參與重建及校正對(duì)于后處理圖 像，對(duì)分區(qū)后數(shù)字化的模糊圖像進(jìn)行彌散特征值判斷，根據(jù)(d-4) 的方法進(jìn)行圖像交融區(qū)域的重建，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)該區(qū)域的圖像進(jìn) 行校正。(f) 將重建和校正后的所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域進(jìn) 行融合并校正，得到重建后的清晰圖像數(shù)據(jù)；(g) 將所述重建后的清晰圖像數(shù)據(jù)傳送到攝像裝置的存儲(chǔ)、顯 示輸入輸出裝置。本實(shí)施例中可以用擬和求解法對(duì)所述模糊圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分 區(qū)，具體方法為在已知的成像平面內(nèi)，劃出幾個(gè)正方或長(zhǎng)方區(qū)域，區(qū)域的四周在 一定的范圍a內(nèi)和區(qū)域內(nèi)的像素特性沒(méi)有很大的變化(即亮度，色度 沒(méi)有明顯的變化)，區(qū)域的邊長(zhǎng)為預(yù)期的彌散半徑的三、四倍以上， 如下方程條件的區(qū)域邊長(zhǎng)2u、 2v是給定范圍a的三、四倍。假設(shè)該區(qū)域是在同 一個(gè)物距平面內(nèi)，即有一個(gè)統(tǒng)一的彌散半徑a，則可利用離散方程<formula>formula see original document page 30</formula>求解。其中i,j分別在[i-u,i+u]， [j-v,j+v]的范圍內(nèi),Z'"為模糊圖像數(shù)據(jù)矩陣的一個(gè)元素點(diǎn)(i，j)的像素值，為來(lái)自某一物 距平面的、被處理后的、映射到成像平面的清晰圖像矩陣中的能映射到(i，j)點(diǎn)的一點(diǎn)(p,q)的像素值，《"^分別為I"，《，映射到模糊圖像數(shù)據(jù)矩陣(i,j)點(diǎn)的映射系數(shù)求解時(shí)假設(shè)在a^ 某一個(gè)正整數(shù)的范圍內(nèi)循環(huán)作為一個(gè)條件去擬合和上面的方程。求解時(shí)假設(shè)區(qū)域精確矩陣外的點(diǎn)的像素值等于其邊界值或等于其邊界內(nèi)一定范圍內(nèi)的平均值，在此條件下擬合求解，求出[i-u，i+u]， [j-v,j+v]范圍內(nèi)的清晰像素值Zw ,而在[i-a，i+a][j-a,j+a]范圍內(nèi)的清晰像素值^^7'就是精確值。如果系數(shù)矩陣是一個(gè)高斯分布會(huì)很有效， 傳遞誤差會(huì)收斂。如果系數(shù)矩陣是一個(gè)均勻分布，則傳遞誤差會(huì)衰減 很慢。用如上的不同的彌散半徑a擬合，求出矩陣清晰像素值矩陣^"", 利用清晰矩陣與模糊矩陣之間的關(guān)系，在反推回到模糊圖像數(shù)據(jù)矩陣 Z'，在[i-a,i+a][j-a,j+a]范圍內(nèi)，如果在系統(tǒng)誤差內(nèi)相符，則a值求出，求出[i-a,i+a][j-a,j+a]范圍內(nèi)的7 ,就可以反推回周?chē)乃械?Xai，j,直至非單一的交融邊界。遞推迭代過(guò)程中遇見(jiàn)不能符合Z，的連 續(xù)像素點(diǎn)，則是遇見(jiàn)了交融邊界。由于交融區(qū)域具有特點(diǎn)交融區(qū)域是兩個(gè)或多個(gè)物距差別較大的 平面在模糊圖像數(shù)據(jù)矩陣Z，表示的平面上的投影，其特點(diǎn)是各個(gè)平 面投影有可能兩兩相交融，也可能多個(gè)同時(shí)互相交融，但其相互間 的交融半徑有較大的差別。因此本實(shí)施例為交融部分的求解提供了解 決方法。本實(shí)施例中迭代遞推求解法求解交融帶的像素值的過(guò)程如下 單一物距平面內(nèi)及單一物距平面的交融帶之外，包括延交融帶法線方向的Z'值和Xa的值符合z'" = ，二E/"長(zhǎng)丄M 關(guān)系，隨著接k，《"觸交融帶，像素的數(shù)值就有了來(lái)自另一個(gè)單 一物距平面的彌散因素(而且只能是來(lái)自另 一個(gè)而不是同時(shí)多個(gè)平面 的彌散因素)，因此該項(xiàng)素值就符合關(guān)系由于已知了所有的單一物距平面內(nèi)的像素值，則可迭代求出來(lái) 自另一個(gè)單一物距平面的交融帶最邊緣的一條線的像素彌散數(shù)值，進(jìn)而求出來(lái)自另一個(gè)單一物距平面的交融線最邊緣的一條線的像素值， 再進(jìn)一步迭代則求出自另一個(gè)單一物距平面的交融帶最邊緣的第二 條線的像素彌散數(shù)值，進(jìn)而求出來(lái)自另一個(gè)單一物距平面的交融線 最邊緣的第二條線的像素值。以此類推，求出整個(gè)的來(lái)自兩個(gè)單一物 距平面交融帶范圍內(nèi)的精確矩陣像素值。 用迭代遞推法對(duì)多個(gè)平面交融帶求解多個(gè)平面交融實(shí)際上是在兩個(gè)平面交融后再和這兩個(gè)平面之外 的其他平面的交融，交融帶內(nèi)的像素值符合關(guān)系每交融一個(gè)，則增加上述關(guān)系中的一項(xiàng)。其求解也是應(yīng)用交融帶邊緣的來(lái)自獨(dú)立新平面的像素彌散值的求解，進(jìn)而求出來(lái)自這個(gè)獨(dú)立新平面的交界點(diǎn)的像素值。對(duì)應(yīng)后處理的圖像，人可以作為 一個(gè)反饋決策環(huán)節(jié)參與到圖像恢 復(fù)中去，對(duì)與迭代類的圖像恢復(fù)，人在環(huán)內(nèi)的參與將提高收斂速度和 控制精度。雖然本發(fā)明是具體結(jié)合幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例示出和說(shuō)明的，但熟悉該技術(shù)領(lǐng)域的人員可以理解，其中無(wú)論在形式上還是在細(xì)節(jié)上都可以作 出各種改變，這并不背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種全焦距無(wú)像差圖像攝取方法，其特征在于，包括步驟(a)獲取待處理的模糊圖像，將其保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中；(b)將所述模糊圖像進(jìn)行圖像分區(qū)，得到非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域及與分別與其對(duì)應(yīng)的物距；(c)依據(jù)所述非交融單一物距區(qū)域的物距調(diào)用點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)，對(duì)所述非交融單一物距區(qū)域進(jìn)行重建和校正，得到所述非交融單一物距區(qū)域重建分布的清晰像素值；(d)依據(jù)所述交融區(qū)域的物距調(diào)用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)，對(duì)所述交融區(qū)域?qū)M(jìn)行重建和校正，得到交融區(qū)域重建分布的清晰像素值；(e)將所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域的清晰像素值進(jìn)行疊加并校正，得到重建后的清晰圖像數(shù)據(jù)；(f)將所述重建后的清晰圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并輸出顯示。
2、 如權(quán)利要求l所述的全焦距無(wú)像差圖像攝取方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)有符合光學(xué)特性的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞 函數(shù)庫(kù)，所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)存儲(chǔ)與物距對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布 函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)，所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)具有與物空間 坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)的特征分布，所述物空間坐標(biāo)包括物距，所述特征分布 包括彌散半徑。 '
3 、如權(quán)利要求1所述的全焦距無(wú)像差圖像攝取方法，其特征在于，所述鏡頭或鏡頭組包括具有特定透過(guò)率分布介質(zhì)的透鏡或透鏡組，包 括具有多焦點(diǎn)透鏡或透鏡組。
4、如權(quán)利要求1或2所述的全焦距無(wú)像差圖像攝取方法，其特征 在于，在步驟(a)中，獲取待處理的模糊圖像為之前獲取的后處理 圖像，或?yàn)橥ㄟ^(guò)攝像裝置的鏡頭或鏡頭組獲取被攝場(chǎng)景的原始光信號(hào)在圖像傳感器上成像時(shí)將所述原始光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)所述電信 號(hào)處理得到獲取待處理的模糊圖像。
5、 如權(quán)利要求1或2所述的全焦距無(wú)像差圖像攝取方法，其特征 在于，在步驟(d)中，利用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)所述 非交融單一物距區(qū)域圖像進(jìn)行重建和校正方法為，利用該區(qū)域模糊圖 像的分布像素值在空域?yàn)閬?lái)自某一物距平面的理想圖像中的分布像 素值與對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)的卷積關(guān)系，在頻域?yàn)閬?lái)自某一物距平面的 理想圖像頻譜與對(duì)應(yīng)的光學(xué)傳遞函數(shù)的乘積關(guān)系，得到對(duì)應(yīng)所述非交 融單一物距區(qū)域中重建分布的清晰像素值。
6、 如權(quán)利要求1或2所述的全焦距無(wú)像差圖像攝取方法，其特征 在于，在步驟(e)中，對(duì)所述交融區(qū)域?qū)M(jìn)行重建和校正的方法為 依據(jù)為，利用所述交融區(qū)域的模糊圖像分布像素值在空域?yàn)閷?duì)應(yīng)不同 物距平面的理想圖像中的分布像素值與對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)巻積后的 疊加的關(guān)系，在頻域?yàn)閷?duì)應(yīng)不同物距平面的理想圖像頻譜與對(duì)應(yīng)的光 學(xué)傳遞函數(shù)的乘積后的疊加的關(guān)系，得到所述交融區(qū)域中對(duì)應(yīng)的重建 分布的清晰像素值。
7、 如權(quán)利要求4所述的全焦距無(wú)像差圖像攝取方法，其特征在于，在步驟(c)中，對(duì)所述模糊圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分區(qū)利用下述方法中 的任一種或組合(c-l)測(cè)距法利用測(cè)距硬件輔助工具,對(duì)所述模糊圖像數(shù)據(jù)視 場(chǎng)內(nèi)的光源的每一點(diǎn)或主要點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，由所得物距確定所述非交融 單一物距區(qū)域的邊界從而推算出非交融單一物距區(qū)域及交融區(qū)域；(c-2)色差特性分區(qū)法利用同源異色傳輸存在位置差，通過(guò) 所述模糊圖像數(shù)據(jù)不同物距的不同顏色圖像間的位置差來(lái)判別物距， 由所述物距確定所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域，其中所述位置 差通過(guò)所述模糊圖像數(shù)據(jù)不同色位置突變的邊界差判定；(c-3)頻譜過(guò)零點(diǎn)分區(qū)法將所述模糊圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域得到頻譜，依據(jù)所述頻譜的過(guò)零點(diǎn)間距得到點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù) 的特征值，依據(jù)所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)求出與點(diǎn)分布函數(shù) 或光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)的物距，確定非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域； (C-4)利用小波分析法確定所述模糊圖像數(shù)據(jù)屬于同一頻譜特征的區(qū)域，確定所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域；(c-5)擬和求解分區(qū)法對(duì)所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)的特征量進(jìn)行假設(shè)后進(jìn)行圖像重建，根據(jù)重建后再模糊圖像的誤差進(jìn)行 判斷所述特征量的選擇正確性并重新選擇，直至找到滿足系統(tǒng)要求的 誤差，判斷得出正確的特征量及其對(duì)應(yīng)的物距，確定所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域；(c-6)人工分區(qū)法對(duì)所述模糊圖像數(shù)據(jù)利用視覺(jué)進(jìn)行劃分區(qū) 域，確定所述非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域；。
8 、如權(quán)利要求4所述的全焦距無(wú)像差圖像攝取方法，其特征在于， 在步驟(d)中，非交融單一物距區(qū)域圖像重建的方法為下述任一種 或其組合(d-l)頻域逆濾波圖像重建方法及校正在頻域通過(guò)逆濾波對(duì) 非交融單一物距區(qū)域的圖像進(jìn)行重建和校正；(d-2)非線性圖像重建法及校正在空域中應(yīng)用非線性的迭代 算法，對(duì)非交融單一物距區(qū)域的圖像進(jìn)行重建和校正；(d-3)反卷積法圖像重建及校正在空域應(yīng)用反卷積的算法對(duì) 非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域進(jìn)行圖像重建和校正；(d-4)擬合求解法重建及校正對(duì)點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù) 的特征值進(jìn)行假設(shè)后進(jìn)行圖像恢復(fù)求解，根據(jù)求解的后的誤差進(jìn)行判 斷特征值的選擇正確性并重新選擇，直至找到滿足系統(tǒng)要求的誤差， 判斷得出正確的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)及其對(duì)應(yīng)的物距，并完成 圖像重建和校正；(d-5)用小波分析的方法進(jìn)行圖像重建和校正通過(guò)對(duì)模糊圖像的各頻段小波分析，結(jié)合點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)分頻段對(duì)圖 像進(jìn)行處理，結(jié)合能量守恒的關(guān)系，搬移頻譜各段的能量，得到重建 的圖像；(d-6)遞推迭代法進(jìn)行圖像重建及校正根據(jù)邊緣數(shù)據(jù)或者已 求出的數(shù)據(jù)，通過(guò)模糊圖像和清晰圖像的映射數(shù)學(xué)關(guān)系，用迭代遞推 的方式求解出相鄰的像素值，得到重建的圖像。(d-7)對(duì)于后處理圖像的人工參與重建及校正對(duì)于后處理圖 像，對(duì)分區(qū)后的模糊圖像進(jìn)行彌散特征值判斷，根據(jù)(d-4)的方法 進(jìn)行圖像非交融單一物距區(qū)域的重建，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)該區(qū)域的圖 像進(jìn)行校正。在步驟(e)中交融區(qū)域圖像重建及校正的方法為下述任一種或 其組合(e-l)邊緣遞推法重建交融區(qū)域圖像重建及校正根據(jù)分區(qū)求 出的來(lái)自周邊非交融單一物距區(qū)域的各個(gè)傳遞函數(shù)和重建的圖像數(shù) 據(jù)，通過(guò)交融區(qū)域模糊圖像和清晰圖像的空域卷積和頻域乘積的數(shù)學(xué) 關(guān)系，用迭代遞推的方式求解出相鄰的像素值，得到交融區(qū)域的重建 后的清晰圖像數(shù)據(jù)。(e-2)小波分析復(fù)原法重建及校正通過(guò)對(duì)模糊圖像的各頻段 小波分析，結(jié)合點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)分頻段對(duì)圖像進(jìn)行處 理，結(jié)合能量守恒的關(guān)系，搬移頻譜各段的能量，得到交融區(qū)域重建 后的清晰圖像數(shù)據(jù)；(e-3)對(duì)于后處理圖像的人工參與重建及校正對(duì)于后處理圖 像，對(duì)分區(qū)后數(shù)字化的模糊圖像進(jìn)行彌散特征值判斷，根據(jù)(d-4) 的方法進(jìn)行圖像交融區(qū)域的重建，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)該區(qū)域的圖像進(jìn) 行校正。
9、如權(quán)利要求2所述的全焦距無(wú)像差圖像攝取方法，其特征在于, 所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)的建立方法包括步驟(f-l)設(shè)計(jì)光源模型，對(duì)于攝像裝置內(nèi)系統(tǒng)的不同顏色、不同物 空間坐標(biāo)或典型坐標(biāo)，及不同光強(qiáng)度下的光源模型的點(diǎn)分布函數(shù)或光 學(xué)傳遞函數(shù)特性進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量數(shù)據(jù)；(f-2 )用設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)或測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建和校正，用重建 和校正后的圖像與由光源模型的圖像數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，用該誤差的反 算值修正設(shè)計(jì)光源模型的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)，得到符合系統(tǒng) 誤差的物空間不同點(diǎn)的不同顏色對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)， 得到所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)。
10、 一種全焦距無(wú)像差圖像攝取系統(tǒng)，其特征在于，包括 圖像獲取模塊，用于獲取待處理的模糊圖像數(shù)據(jù)； 圖像處理模塊，包括圖像分區(qū)子模塊、非交融單一物距區(qū)域圖像重建及校正子模塊、交融區(qū)域圖像重建及校正子模塊和圖像融合及校正子模塊；所述模糊圖像分區(qū)子模塊，用于將所述模糊圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分 區(qū)，得到非交融單一物距區(qū)域和交融區(qū)域，及與所述非交融單一物距 區(qū)域和交融區(qū)域分別對(duì)應(yīng)的物距；所述非交融單一物距區(qū)域圖像重建及校正子模塊，用于依據(jù)所述 非交融單一物距區(qū)域的物距調(diào)用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù) 中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)，利用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳 遞函數(shù)對(duì)所述非交融單一物距區(qū)域進(jìn)行重建和校正，得到所述非交融 單一物距區(qū)域內(nèi)的清晰像素值；所述交融區(qū)域圖像重建及校正子模塊，用于依據(jù)交融區(qū)域的物距 調(diào)用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué) 傳遞函數(shù)，利用所述點(diǎn)分布函數(shù)或光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)所述交融區(qū)域?qū)M(jìn) 行重建和校正，得到交融區(qū)域內(nèi)的清晰像素值；圖像融合及校正子模塊，用于將重建和校正后的所述非交融單一 物距區(qū)域和交融區(qū)域進(jìn)行融合并校正，得到重建后的整幅的清晰圖像數(shù)據(jù)，圖像存儲(chǔ)、顯示輸出模塊，用于將所述重建后的清晰圖像數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)、輸出顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全焦距無(wú)像差圖像攝取方法及系統(tǒng)，利用該方法和系統(tǒng)依據(jù)線性空變的條件和成像原理，通過(guò)攝像裝置的鏡頭獲取被攝圖像的模糊圖像數(shù)據(jù)后，通過(guò)圖像分區(qū)按物距劃分出單一物距的非交融單一物距區(qū)域，混合多個(gè)物距的交融區(qū)域，并對(duì)非交融單一物距區(qū)域、交融區(qū)域帶進(jìn)行全焦距無(wú)像差重建、校正，并疊加到一個(gè)平面，得到全視野的清晰數(shù)字圖像，并可得到視野內(nèi)各點(diǎn)的物距。通過(guò)本發(fā)明，應(yīng)用實(shí)現(xiàn)全焦距無(wú)像差拍攝，使被拍攝的圖像理論上的清晰程度達(dá)到和在光學(xué)系統(tǒng)聚焦平面圖像的清晰程度完全一致的水平，整個(gè)圖像提供全視野，全焦距的無(wú)像差清晰圖像，獲得最大的信息量。
文檔編號(hào)G03B41/00GK101232578SQ200710301669
公開(kāi)日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月31日
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