基于頻域的像素光場圖像重聚焦算法

《基于頻域的像素光場圖像重聚焦算法》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。

1、基于頻域的像素光場圖像重聚蕉算法王宇張旭屠大維摘要：提出一種基于像素光場的頻域重聚焦算法。首先建立四維光場與像素光場的關(guān)系模型，然后基于傅里葉變換，建立了像素光場的重聚焦方法，并分析了傅里葉切片的作用和重采樣的方法。在實(shí)驗(yàn)中，對比積分投影法，分析兩種不同方法對同一場景的重聚焦效果,評價(jià)了兩種方法的計(jì)算效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于頻域的傅里葉切片法在結(jié)杲上等效于積分投影法，但是計(jì)算負(fù)擔(dān)更小。關(guān)鍵詞：像素光場；重聚焦；傅里葉切片引言光場有別于傳統(tǒng)的二維圖像，是對場景空間中既包含位置信息、又包含方向信息的所有光線的四維光輻射場的參

2、數(shù)化的表示［1］。傳統(tǒng)相機(jī)對拍照的要求高，尤其是面対高速運(yùn)動(dòng)或是多目標(biāo)場景拍攝時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)離焦等現(xiàn)彖。如抓拍高速運(yùn)動(dòng)物體，要減少高速運(yùn)動(dòng)的物體造成的運(yùn)動(dòng)模糊，如果減少曝光時(shí)間，則圖像過暗；若增大孔徑，則景深過小，造成背景模糊［2］。當(dāng)面對多目標(biāo)場景，除聚焦點(diǎn)之外的物體則難以成像清晰。與Z相對的，光場成像技術(shù)通過先拍攝后聚焦的技術(shù)提供了解決這些問題的新途徑。它可以記錄場景中自由光線傳播的四維位置和方向信息，比傳統(tǒng)的相機(jī)記錄的內(nèi)容更加豐富，增加了兩維方向信息⑴；通過數(shù)字重聚焦技術(shù)，還可以在拍攝之后重新選擇焦點(diǎn)或是全景深融合，

3、解決離焦或背最模糊等問題［34］o光場圖像信息在存儲時(shí)有別于傳統(tǒng)的二維圖像：普通二維圖像存儲為RGB二維矩陣；光場圖像為了在保留位置信息的前提下，增加方向信息，用四維光場模型(其中位置坐標(biāo)兩維，方向坐標(biāo)兩維)來表示。如圖1所示，光線L(u,v,s,t)在空間中沿直線傳播［5］。根據(jù)Levoy的光場渲染理論［6］,空間中攜帶強(qiáng)度和方向信息的任意光線，都可以用兩個(gè)平行平面來進(jìn)行參數(shù)化表示。因此，光場中的每條光線都可以用L(u,v,s,t)表示，其中，［u,v］代表位置信息，［s,t］代表方向信息［7］。圖1中d為兩個(gè)平面間的

4、距離，模型化距離為1,而在實(shí)際進(jìn)行光場變換的過程中，d會(huì)隨著焦點(diǎn)的改變而改變。作為光場成像中的核心技術(shù)之一，數(shù)字重聚焦的方法有很多，主要可以分為基于空間域的積分投影［89］和基于傅里葉切片定理的信號處理的方法(以下簡稱傅里葉切片定理)［410］兩大類?；诳臻g域的投影積分法，主要是對光線沿光路的投影積分。鑒于光場數(shù)據(jù)是四維的，因此，計(jì)算相對比較繁瑣；相較于前者，基于頻域的信號處理的方法為我們提供了一個(gè)全新的關(guān)于光場圖像的處理視角［11］,使得關(guān)于光場重聚焦的推導(dǎo)過程更加嚴(yán)密，同時(shí)，這種完全不同的算法在數(shù)字重聚焦的計(jì)算方面

5、更加快捷［412］o無論是在計(jì)算性還是理論性，基于傅里葉切片定理的信號處理的方法，都是優(yōu)于空間域的計(jì)算方法。本文將頻域處理方法用在光場成像數(shù)字重聚焦算法屮，建立像素光場模型，提出一種基于像素光場的傅里葉切片方法，并給出推導(dǎo)過程。從計(jì)算簡便性和理論優(yōu)越性方面，與空間域積分投影法進(jìn)行比較分析，實(shí)驗(yàn)證明傅里葉切片法的優(yōu)勢。1傅里葉切片法無論是積分投影法還是傅里葉切片法，都是基于光場理論。光場理論基于光場渲染理論,即當(dāng)C知某平面位置的光場信息，則該光場在移動(dòng)一定距離后，光場信息發(fā)生轉(zhuǎn)變，聚焦點(diǎn)也隨之變化⑹。如圖2所示，A、B、C

6、三個(gè)物體具有不同的深度，傳統(tǒng)相機(jī)的聚焦面只能在一定深度，如圖2所示的物體理想位置。此吋，A清晰成像，B和C則模糊。同量，當(dāng)聚焦面移動(dòng)到其他位置，亦會(huì)導(dǎo)致其它物體離焦而不清晰。光場成像理論則不同，依靠在主透鏡和CCDZ間添加的微透鏡陣列，圖3所示，光線穿過微透鏡陣列到達(dá)CCD,與二者的交點(diǎn)分別為［Mpx,Mpy］,［Ipx,Ipy］,位置信息已經(jīng)記錄；對于同一條光線，將二者對應(yīng)坐標(biāo)相減，可得到偏移量，即光線的方向信息，這樣，不僅記錄了場景光線的位置信息，同時(shí)可以記錄其方向信息［13］。經(jīng)過數(shù)學(xué)變換，可以有效還原場景的三維信

7、息。式中：［u,v］表示透鏡陣列所在的平面位置；［s,t］表示光場的方向信息。3D場景中的光線通過空間和光學(xué)器件到達(dá)傳感器。這些光學(xué)器件需要經(jīng)過仔細(xì)挑選，并按照期望的光學(xué)流程布置，才能合理編碼可利用的視覺信息。光場能夠記錄光線，利用了微透鏡陣列空間復(fù)用原理［15］。一條光線與兩平面分別相交于0和Od,這兩個(gè)平面的距離d",直線00’與兩平面垂直。因此，第一個(gè)平面上的0點(diǎn)就表示位置信息［u,v］T,而向量O'Od表示方向信息［s,t］To由此可得，光線00d可以表示為［u,v,s,t］To在理想成像而處放置透鏡陣列，在透鏡

8、陣列1倍焦距（微透鏡陣列的焦距）處放置CCD感光器件，如圖3所示。根據(jù)高斯成像原理，1倍焦距處的成像是平行入射光線所致。CCD上對應(yīng)同一個(gè)小透鏡，不同的像素來源于不同方向的光線。因此CCD的像素位置光與其小透鏡中心位置的偏移量為［px,py］T,相當(dāng)于光線的方向。首先將相機(jī)獲得的光場信息轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的光場描述?？紤]到像