一種用於光場成像的數字對焦方法及裝置的製作方法

2023-05-04 10:57:41 2

專利名稱：一種用於光場成像的數字對焦方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種成像方法及裝置，尤其涉及一種用於光場成像的數字對 焦方法及裝置。
光場成像的概念由Marc Levoy和Ren Ng等人提出並發展。主要是指通過 在傳統光學成像系統中利用孔徑分割或加入調製掩模的方法來獲得目標光輻 射的空間分布和輻射傳輸的方向信息，即相機內的四維光場。通過對光場數 據進行計算處理，得到重新對焦在指定深度目標的合成圖像，實現數字對 焦。
相^L內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度。LF(;c,3;,",v)代表成像系統內的
光場，且與物空間的目標光場存在對應關係。
利用光場傳播的可追蹤性，對光場分布信息進行重採樣和適當計算處理 能夠合成獲得景象中某一深度目標的清晰圖像，其效果等價於普通成像系統 準確調焦後拍攝的圖像。這一合成圖像過程可以稱之為"數字對焦"。不同 的是這種技術可以達到先拍攝後對焦的目的，降低了實現精密對焦的難度和 複雜度。
背景技術：
空間域的源於積分成像的數字對焦公式
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，且屍= ^,"是表徵不同對焦深度的參數，改變其值就可以得到不 同對焦深度的圖像。
可以將傳統成像技術中用於自動對焦的圖像清晰度評價方法運用於數字
對焦當中，下面以單目標光場圖像為例進行說明
圖2為模擬仿真的單目標光場圖像，已知的目標離焦參數為 "=0.97524。根據光場數據，取不同的"值進行數字對焦，得到重構圖像序 列。"值的範圍為0.935到1.015, 取值間隔為0.01。分別對每一幅重構圖 像進行清晰度評價值計算，得到圖3所示曲線，圖中橫坐標為"值，縱坐標 為重構圖像的清晰度評價值。可以看出當"=0.975時取得最值，和已知參數 基本一致。
對於圖像中具有多個目標的情形，現有的直接應用圖像清晰度評價方法 的數字對焦方法是首先將二維光場圖像轉化為四維光場數據，在一定的範 圍內選取的對焦參數值，按照每個對焦參數值重構二維圖像，得到重構圖像 序列，對每個圖像中的選定目標部分進行圖像清晰度評價，找到圖像清晰度 評價值最高時的對焦參數值，從而得到選定目標清晰度最佳的圖像。
現有的這種方法得到的重構圖像序列，每幅圖像數據都是從整幅圖像的 四維光場數據經過圖像重構轉化為二維光場數據得到的，使得轉化過程中計 算複雜、計算量大，計算時間長。

發明內容
鑑於上述現有技術所存在的問題，本發明的目的是提供一種用於光場成 像的數字對焦方法及成像設備，本方法減小參與數字對焦圖像重構的數據量，更準確覆蓋目標區域，縮短計算時間。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的
一種用於光場成像的數字對焦方法，包括以下步驟，
獲得圖像光場數據；
確定將要進行數字對焦的圖像中目標的窗口範圍；
從已獲得的圖像光場數據中得到所述窗口的光場數據；
根據已獲得的窗口的光場數據，按照不同的對焦參數進行窗口圖像重
構，得到圖像序列；
對所述圖像序列分別進行圖像清晰度計算，得到使目標圖像最佳的對焦
參數值；
根據最佳的對焦參數值，生成對焦於目標的重構圖像。 所述窗口範圍的確定方式包括使目標佔據所述窗口的中央區域。 一種用於光場成像的數字對焦裝置，包括圖像數據處理單元、圖像清 晰度計算單元和圖像生成單元，其中
圖像數據處理單元，用於獲得圖像光場數據，從已獲得的圖像光場數據 中得到選定窗口的光場數據，並且按照不同的對焦參數進行窗口圖像重構， 得到圖像序列；
圖像清晰度計算單元，用於對所述圖像數據處理單元得到的圖像序列分 別進行圖像清晰度計算，得到圖像清晰度評價值最高的對焦參數值；
圖像生成單元，用於根據所述圖像清晰度計算單元得到的對焦參數值生 成對焦於目標的重構圖像。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所述的方法減小了參與 圖像重構的數據量，從而節省了時間。


圖l為相機內光場參數示意圖； 圖2為模擬仿真的單目標光場圖像；圖3為圖2中所示圖像的清晰度評價值曲線；
圖4為 一幅利用微透鏡進行孔徑分割的光場相機拍攝的實際圖像；
圖5為選定窗口的光場數據對應不同對焦參數的評價函數值曲線圖6為對焦在人像雕塑的整幅重構圖像；
圖7用於光場成像的數字對焦裝置示意圖。
具體實施例方式
本發明的用於光場成像的數字對焦方法，首先獲得二維光場圖像，並將
其轉化為四維光場數據；在現有圖像中確定將要進行數字對焦的目標的窗口
範圍，使目標佔據所述窗口的大部分區域；從二維光場圖像數據中獲得所述 窗口的二維光場數據，並將其轉化為四維光場數據；根據已獲得的窗口的四 維光場數據，按照不同的對焦參數進行窗口圖像重構，得到圖像序列；對所 述圖像序列分別進行圖像清晰度評價，得到圖像清晰度評價值最高時的對焦 參數值，按照這個對焦參數值將現有圖像的四維光場數據進行數字對焦圖像 重構，得到對焦於選定目標的整幅圖像。
進行數字對焦時，在初始圖像中進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量；(2)排除非主要部分(背景) 對主要目標評價結果的負面影響。當圖像中含有多個目標時，尤其需要進行 目標窗口的選才爭。
本發明較佳的具體實施方式
為參照圖4，圖4為一幅由美國史丹福大學 利用微透鏡進行孔徑分割的光場相機拍攝的實際圖像，二維圖像形式尺寸為 4096x4096，轉化成四維光場數據為256x256x16x16 。其中三個目標分別位於 不同的深度，分別為門洞"=0.97、屋簷"=1.00和人像"=1.04，"為表徵 不同對焦深度的參數，改變其值就可以得到不同對焦深度的圖像。對於如圖 4的多目標情況，則應當充分利用光場成像的特點結合窗口選取進行圖像清 晰度評價，從而實現快速準確地數字對焦。
若我們以人像雕塑作為目標，則應當選擇較準確覆蓋目標範圍的窗口作 為評價區域。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，轉化為四維光場數據為100 x 100 x 16 x 16人像部分位於窗口的中央區域，最好將人像部分佔據窗口
的大部分區域且儘量少覆蓋其它目標，窗口最好為正方形。從獲得的光場圖 像數據中抽取選定窗口範圍的光場數據(100xl00x1^16)，按不同對焦參數"
進行圖像對焦重構，得到圖像序列，"值的範圍為0.92到1.07,取值間隔為
0.01。使用適當的評價函數對每個圖像進行圖像清晰度評價值計算。圖5顯示
了選定窗口的光場數據對應不同對焦參數的圖像清晰度評價值曲線，橫坐標
為對焦參數，縱坐標為重構圖像的清晰度評價值。可見，在《=1.04處時取得
最值，與給定條件一致，結果準確。將初始大小的光場圖像(4096x4096 )按 該"值進行數字對焦圖像重構就可以得到對焦於選定目標的整幅圖像。圖6為 對焦在人像雕塑的整幅重構圖像。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運用於需要評價的圖像中。圖
像清晰度評價函數分為四類灰度梯度函數、圖像變換函數、信息學函數和 統計學函數。例如，我們選取灰度梯度函數中的Tenengrad函數作為評價函 數
其梯度幅度G々，力，A"力模板分別為
formula see original document page 7
Tenengrad函數作用時先加^5L平均然後再樣i分，並分別對水平和垂直方 向進行模板運算，對噪聲有一定的抑制能力。
將現有的數字對焦方法和本發明的數字對焦方法編程實現進行比較，實 驗平臺為CPU:intelP42.8G,內存2G， matlab7.1,現有方法得到對焦圖像序 列及評價值曲線用時281s，改進後的方法用時75s，得到的結果是一致的。 兩種方法重構圖像的目標是相同的，本發明由於參與數字對焦的數據量小從 而節省了時間。本發明實施例還提供了 一種用於光場成像的數字對焦裝置，如圖7所
示，包括圖像數據處理單元、圖像清晰度計算單元和圖像生成單元；圖像 數據處理單元用於獲得光場圖像數據，從已獲得的光場圖像數據中得到選定 窗口的光場數據，並且按照不同的對焦參數進行窗口圖像重構，得到圖像序 列；圖像清晰度計算單元用於對所述圖像數據處理單元得到的圖像序列分別 進行圖像清晰度計算，得到圖像清晰度評價值最高的對焦參數值；圖像生成 單元根據圖像清晰度計算單元得到的對焦參數值生成目標圖像。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局 限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕 易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的 保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1、一種用於光場成像的數字對焦方法，其特徵在於，包括獲得圖像光場數據；確定將要進行數字對焦的圖像中目標的窗口範圍；從已獲得的圖像光場數據中得到所述窗口的光場數據；根據已獲得的窗口的光場數據，按照不同的對焦參數進行窗口圖像重構，得到圖像序列；對所述圖像序列分別進行圖像清晰度計算，得到使目標圖像最佳的對焦參數值；根據最佳的對焦參數值，生成對焦於目標的重構圖像。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述窗口範圍的確定方式 包括使目標佔據所述窗口的中央區域。
3、 一種用於光場成像的數字對焦裝置，其特徵在於，包括圖像數據 處理單元、圖像清晰度計算單元和圖像生成單元，其中:圖像數據處理單元，用於獲得圖像光場數據，從已獲得的圖像光場數據 中得到選定窗口的光場數據，並且按照不同的對焦參數進行窗口圖像重構， 得到圖像序列；圖像清晰度計算單元，用於對所述圖像數據處理單元得到的圖像序列分 別進行圖像清晰度計算，得到圖像清晰度評價值最高的對焦參數值；圖像生成單元，用於根據所述圖像清晰度計算單元得到的對焦參數值生 成對焦於目標的重構圖像。
全文摘要
本發明所述的一種用於光場成像的數字對焦方法及裝置。首先從二維光場圖像中選擇目標的窗口範圍，抽取窗口範圍內的光場數據，根據不同對焦參數，進行目標圖像重構，得到圖像序列，對圖像序列進行圖像清晰度評價，找到最佳對焦參數值，從而得到目標清晰度最佳的重對焦圖像。本發明減小了參與圖像重構的數據量，從而節省了數字對焦的時間。
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 優先權日2009年3月25日
發明者宇 周, 周志良, 張修寶, 胡煌華, 豔 袁 申請人:北京航空航天大學