專利名稱：一種用于光場成像的數(shù)字對焦方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像方法及裝置，尤其涉及一種用于光場成像的數(shù)字對 焦方法及裝置。
光場成像的概念由Marc Levoy和Ren Ng等人提出并發(fā)展。主要是指通過 在傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)中利用孔徑分割或加入調(diào)制掩模的方法來獲得目標(biāo)光輻 射的空間分布和輻射傳輸?shù)姆较蛐畔ⅲ聪鄼C(jī)內(nèi)的四維光場。通過對光場數(shù) 據(jù)進(jìn)行計算處理，得到重新對焦在指定深度目標(biāo)的合成圖像，實現(xiàn)數(shù)字對 焦。
相^L內(nèi)的光場分布可以用兩個平面間的光流來表示，如圖1所示，平面 (u,v)是成像系統(tǒng)的光瞳面，平面(x，y)是探測器面，兩平面間的距離為F,由 積分成像可得，探測器面成像公式為
其中，^G，力是探測器面上的輻照強(qiáng)度。LF(;c,3;,",v)代表成像系統(tǒng)內(nèi)的
光場，且與物空間的目標(biāo)光場存在對應(yīng)關(guān)系。
利用光場傳播的可追蹤性，對光場分布信息進(jìn)行重采樣和適當(dāng)計算處理 能夠合成獲得景象中某一深度目標(biāo)的清晰圖像，其效果等價于普通成像系統(tǒng) 準(zhǔn)確調(diào)焦后拍攝的圖像。這一合成圖像過程可以稱之為"數(shù)字對焦"。不同 的是這種技術(shù)可以達(dá)到先拍攝后對焦的目的，降低了實現(xiàn)精密對焦的難度和 復(fù)雜度。
背景技術(shù)：
空間域的源于積分成像的數(shù)字對焦公式
其中，(A _V,",v) = 4. (" (1 — + x/ , v(1 — 1/a) + y/a,",v)是重對焦圖像的光
場分布，且尸= ^,"是表征不同對焦深度的參數(shù)，改變其值就可以得到不 同對焦深度的圖像。
可以將傳統(tǒng)成像技術(shù)中用于自動對焦的圖像清晰度評價方法運用于數(shù)字
對焦當(dāng)中，下面以單目標(biāo)光場圖像為例進(jìn)行說明
圖2為模擬仿真的單目標(biāo)光場圖像，已知的目標(biāo)離焦參數(shù)為 "=0.97524。根據(jù)光場數(shù)據(jù)，取不同的"值進(jìn)行數(shù)字對焦，得到重構(gòu)圖像序 列。"值的范圍為0.935到1.015, 取值間隔為0.01。分別對每一幅重構(gòu)圖 像進(jìn)行清晰度評價值計算，得到圖3所示曲線，圖中橫坐標(biāo)為"值，縱坐標(biāo) 為重構(gòu)圖像的清晰度評價值。可以看出當(dāng)"=0.975時取得最值，和已知參數(shù) 基本一致。
對于圖像中具有多個目標(biāo)的情形，現(xiàn)有的直接應(yīng)用圖像清晰度評價方法 的數(shù)字對焦方法是首先將二維光場圖像轉(zhuǎn)化為四維光場數(shù)據(jù)，在一定的范 圍內(nèi)選取的對焦參數(shù)值，按照每個對焦參數(shù)值重構(gòu)二維圖像，得到重構(gòu)圖像 序列，對每個圖像中的選定目標(biāo)部分進(jìn)行圖像清晰度評價，找到圖像清晰度 評價值最高時的對焦參數(shù)值，從而得到選定目標(biāo)清晰度最佳的圖像。
現(xiàn)有的這種方法得到的重構(gòu)圖像序列，每幅圖像數(shù)據(jù)都是從整幅圖像的 四維光場數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像重構(gòu)轉(zhuǎn)化為二維光場數(shù)據(jù)得到的，使得轉(zhuǎn)化過程中計 算復(fù)雜、計算量大，計算時間長。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于光場成 像的數(shù)字對焦方法及成像設(shè)備，本方法減小參與數(shù)字對焦圖像重構(gòu)的數(shù)據(jù)量，更準(zhǔn)確覆蓋目標(biāo)區(qū)域，縮短計算時間。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種用于光場成像的數(shù)字對焦方法，包括以下步驟，
獲得圖像光場數(shù)據(jù)；
確定將要進(jìn)行數(shù)字對焦的圖像中目標(biāo)的窗口范圍；
從已獲得的圖像光場數(shù)據(jù)中得到所述窗口的光場數(shù)據(jù)；
根據(jù)已獲得的窗口的光場數(shù)據(jù)，按照不同的對焦參數(shù)進(jìn)行窗口圖像重
構(gòu)，得到圖像序列；
對所述圖像序列分別進(jìn)行圖像清晰度計算，得到使目標(biāo)圖像最佳的對焦
參數(shù)值；
根據(jù)最佳的對焦參數(shù)值，生成對焦于目標(biāo)的重構(gòu)圖像。 所述窗口范圍的確定方式包括使目標(biāo)占據(jù)所述窗口的中央?yún)^(qū)域。 一種用于光場成像的數(shù)字對焦裝置，包括圖像數(shù)據(jù)處理單元、圖像清 晰度計算單元和圖像生成單元，其中
圖像數(shù)據(jù)處理單元，用于獲得圖像光場數(shù)據(jù)，從已獲得的圖像光場數(shù)據(jù) 中得到選定窗口的光場數(shù)據(jù)，并且按照不同的對焦參數(shù)進(jìn)行窗口圖像重構(gòu)， 得到圖像序列；
圖像清晰度計算單元，用于對所述圖像數(shù)據(jù)處理單元得到的圖像序列分 別進(jìn)行圖像清晰度計算，得到圖像清晰度評價值最高的對焦參數(shù)值；
圖像生成單元，用于根據(jù)所述圖像清晰度計算單元得到的對焦參數(shù)值生 成對焦于目標(biāo)的重構(gòu)圖像。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的方法減小了參與 圖像重構(gòu)的數(shù)據(jù)量，從而節(jié)省了時間。


圖l為相機(jī)內(nèi)光場參數(shù)示意圖； 圖2為模擬仿真的單目標(biāo)光場圖像；圖3為圖2中所示圖像的清晰度評價值曲線；
圖4為 一幅利用微透鏡進(jìn)行孔徑分割的光場相機(jī)拍攝的實際圖像；
圖5為選定窗口的光場數(shù)據(jù)對應(yīng)不同對焦參數(shù)的評價函數(shù)值曲線圖6為對焦在人像雕塑的整幅重構(gòu)圖像；
圖7用于光場成像的數(shù)字對焦裝置示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的用于光場成像的數(shù)字對焦方法，首先獲得二維光場圖像，并將
其轉(zhuǎn)化為四維光場數(shù)據(jù)；在現(xiàn)有圖像中確定將要進(jìn)行數(shù)字對焦的目標(biāo)的窗口
范圍，使目標(biāo)占據(jù)所述窗口的大部分區(qū)域；從二維光場圖像數(shù)據(jù)中獲得所述 窗口的二維光場數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為四維光場數(shù)據(jù)；根據(jù)已獲得的窗口的四 維光場數(shù)據(jù)，按照不同的對焦參數(shù)進(jìn)行窗口圖像重構(gòu)，得到圖像序列；對所 述圖像序列分別進(jìn)行圖像清晰度評價，得到圖像清晰度評價值最高時的對焦 參數(shù)值，按照這個對焦參數(shù)值將現(xiàn)有圖像的四維光場數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字對焦圖像 重構(gòu)，得到對焦于選定目標(biāo)的整幅圖像。
進(jìn)行數(shù)字對焦時，在初始圖像中進(jìn)行窗口的選擇很重要，選取合適的窗 口主要有兩個目的(l)減少參加運算的像素數(shù)量；(2)排除非主要部分(背景) 對主要目標(biāo)評價結(jié)果的負(fù)面影響。當(dāng)圖像中含有多個目標(biāo)時，尤其需要進(jìn)行 目標(biāo)窗口的選才爭。
本發(fā)明較佳的具體實施方式
為參照圖4，圖4為一幅由美國斯坦福大學(xué) 利用微透鏡進(jìn)行孔徑分割的光場相機(jī)拍攝的實際圖像，二維圖像形式尺寸為 4096x4096，轉(zhuǎn)化成四維光場數(shù)據(jù)為256x256x16x16 。其中三個目標(biāo)分別位于 不同的深度，分別為門洞"=0.97、屋檐"=1.00和人像"=1.04，"為表征 不同對焦深度的參數(shù)，改變其值就可以得到不同對焦深度的圖像。對于如圖 4的多目標(biāo)情況，則應(yīng)當(dāng)充分利用光場成像的特點結(jié)合窗口選取進(jìn)行圖像清 晰度評價，從而實現(xiàn)快速準(zhǔn)確地數(shù)字對焦。
若我們以人像雕塑作為目標(biāo)，則應(yīng)當(dāng)選擇較準(zhǔn)確覆蓋目標(biāo)范圍的窗口作 為評價區(qū)域。通過觀察圖4，選定覆蓋人像部分的l00xl00的窗口 (如圖6中白 色方框)，此窗口的二維光場圖像部分尺寸為1600x1600，轉(zhuǎn)化為四維光場數(shù)據(jù)為100 x 100 x 16 x 16人像部分位于窗口的中央?yún)^(qū)域，最好將人像部分占據(jù)窗口
的大部分區(qū)域且盡量少覆蓋其它目標(biāo)，窗口最好為正方形。從獲得的光場圖 像數(shù)據(jù)中抽取選定窗口范圍的光場數(shù)據(jù)(100xl00x1^16)，按不同對焦參數(shù)"
進(jìn)行圖像對焦重構(gòu)，得到圖像序列，"值的范圍為0.92到1.07,取值間隔為
0.01。使用適當(dāng)?shù)脑u價函數(shù)對每個圖像進(jìn)行圖像清晰度評價值計算。圖5顯示
了選定窗口的光場數(shù)據(jù)對應(yīng)不同對焦參數(shù)的圖像清晰度評價值曲線，橫坐標(biāo)
為對焦參數(shù)，縱坐標(biāo)為重構(gòu)圖像的清晰度評價值?？梢?，在《=1.04處時取得
最值，與給定條件一致，結(jié)果準(zhǔn)確。將初始大小的光場圖像(4096x4096 )按 該"值進(jìn)行數(shù)字對焦圖像重構(gòu)就可以得到對焦于選定目標(biāo)的整幅圖像。圖6為 對焦在人像雕塑的整幅重構(gòu)圖像。從圖中可以看出人像部分非常清晰。
圖像清晰度評價方法是將評價清晰度函數(shù)運用于需要評價的圖像中。圖
像清晰度評價函數(shù)分為四類灰度梯度函數(shù)、圖像變換函數(shù)、信息學(xué)函數(shù)和 統(tǒng)計學(xué)函數(shù)。例如，我們選取灰度梯度函數(shù)中的Tenengrad函數(shù)作為評價函 數(shù)
其梯度幅度G々，力，A"力模板分別為
<formula>formula see original document page 7</formula>
Tenengrad函數(shù)作用時先加^5L平均然后再樣i分，并分別對水平和垂直方 向進(jìn)行模板運算，對噪聲有一定的抑制能力。
將現(xiàn)有的數(shù)字對焦方法和本發(fā)明的數(shù)字對焦方法編程實現(xiàn)進(jìn)行比較，實 驗平臺為CPU:intelP42.8G,內(nèi)存2G， matlab7.1,現(xiàn)有方法得到對焦圖像序 列及評價值曲線用時281s，改進(jìn)后的方法用時75s，得到的結(jié)果是一致的。 兩種方法重構(gòu)圖像的目標(biāo)是相同的，本發(fā)明由于參與數(shù)字對焦的數(shù)據(jù)量小從 而節(jié)省了時間。本發(fā)明實施例還提供了 一種用于光場成像的數(shù)字對焦裝置，如圖7所
示，包括圖像數(shù)據(jù)處理單元、圖像清晰度計算單元和圖像生成單元；圖像 數(shù)據(jù)處理單元用于獲得光場圖像數(shù)據(jù)，從已獲得的光場圖像數(shù)據(jù)中得到選定 窗口的光場數(shù)據(jù)，并且按照不同的對焦參數(shù)進(jìn)行窗口圖像重構(gòu)，得到圖像序 列；圖像清晰度計算單元用于對所述圖像數(shù)據(jù)處理單元得到的圖像序列分別 進(jìn)行圖像清晰度計算，得到圖像清晰度評價值最高的對焦參數(shù)值；圖像生成 單元根據(jù)圖像清晰度計算單元得到的對焦參數(shù)值生成目標(biāo)圖像。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局 限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕 易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的 保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種用于光場成像的數(shù)字對焦方法，其特征在于，包括獲得圖像光場數(shù)據(jù)；確定將要進(jìn)行數(shù)字對焦的圖像中目標(biāo)的窗口范圍；從已獲得的圖像光場數(shù)據(jù)中得到所述窗口的光場數(shù)據(jù)；根據(jù)已獲得的窗口的光場數(shù)據(jù)，按照不同的對焦參數(shù)進(jìn)行窗口圖像重構(gòu)，得到圖像序列；對所述圖像序列分別進(jìn)行圖像清晰度計算，得到使目標(biāo)圖像最佳的對焦參數(shù)值；根據(jù)最佳的對焦參數(shù)值，生成對焦于目標(biāo)的重構(gòu)圖像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述窗口范圍的確定方式 包括使目標(biāo)占據(jù)所述窗口的中央?yún)^(qū)域。
3、 一種用于光場成像的數(shù)字對焦裝置，其特征在于，包括圖像數(shù)據(jù) 處理單元、圖像清晰度計算單元和圖像生成單元，其中:圖像數(shù)據(jù)處理單元，用于獲得圖像光場數(shù)據(jù)，從已獲得的圖像光場數(shù)據(jù) 中得到選定窗口的光場數(shù)據(jù)，并且按照不同的對焦參數(shù)進(jìn)行窗口圖像重構(gòu)， 得到圖像序列；圖像清晰度計算單元，用于對所述圖像數(shù)據(jù)處理單元得到的圖像序列分 別進(jìn)行圖像清晰度計算，得到圖像清晰度評價值最高的對焦參數(shù)值；圖像生成單元，用于根據(jù)所述圖像清晰度計算單元得到的對焦參數(shù)值生 成對焦于目標(biāo)的重構(gòu)圖像。
全文摘要
本發(fā)明所述的一種用于光場成像的數(shù)字對焦方法及裝置。首先從二維光場圖像中選擇目標(biāo)的窗口范圍，抽取窗口范圍內(nèi)的光場數(shù)據(jù)，根據(jù)不同對焦參數(shù)，進(jìn)行目標(biāo)圖像重構(gòu)，得到圖像序列，對圖像序列進(jìn)行圖像清晰度評價，找到最佳對焦參數(shù)值，從而得到目標(biāo)清晰度最佳的重對焦圖像。本發(fā)明減小了參與圖像重構(gòu)的數(shù)據(jù)量，從而節(jié)省了數(shù)字對焦的時間。
文檔編號H04N5/232GK101562701SQ20091008090
公開日2009年10月21日 申請日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月25日
發(fā)明者宇 周, 周志良, 張修寶, 胡煌華, 艷 袁 申請人:北京航空航天大學(xué)