[发明专利]一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数测量方法

说明书

本发明涉及一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数PSF(Point Spread Function)测量方法，可以在实现全视场空间变化的点扩散函数PSF测量的同时，有效提高PSF测量的信噪比。测量前，先将在液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)沿着相机光轴垂直放置。测量时，首先，在液晶显示屏上显示单像素成像所需的基图像模式，采用相机进行拍摄得到图像；其次，根据单像素成像原理，计算液晶显示屏上每个点到相机图像上单个像素的光传输系数；对相机图像上所有像素执行单像素成像，获得液晶显示屏上所有点到相机图像上所有像素的光传输系数；最后，根据相机图像上所有像素点的光传输系数，计算得到液晶显示屏上任意一点到相机图像上的点扩散函数。该方法能够在相同的相机曝光时间下，获取比传统星点法更高信噪比的相机镜头点扩散函数PSF测量结果。

技术领域

本发明涉及一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数测量方法，提高点扩散函数PSF测量的信噪比，并实现空间变化的PSF测量。本发明属于计算成像领域。

背景技术

点扩散函数PSF主要表征的是点光源经光学系统后所形成的亮度分布，它是描述成像过程中由于光学系统像差和散焦等因素造成图像模糊的重要参数。它能够较好的反映相机镜头的性能，同时也是进行图像复原的基础。

现有的PSF测量方法大多将PSF模型视为对称且空间不变的模型，因此具有一定程度的局限性，仅适用于部分成像系统。直接使用点状光源测量PSF的方法，虽然理论上能够通过改变点光源的空间位置，从而获取全视场的点扩散函数，但是普通的点状光源由于信噪比较低，无法精确测量PSF，而利用激光产生点状光源的方法又较难改变点光源的成像位置，无法进行空间变化的PSF测量。因此，如何解决高信噪比与空间变化测量无法兼顾的问题已经成为了空间变化PSF测量的关键。

近年来发展的单像素成像技术，由于其成像信噪比高、可进行高分辨率成像的特点，为解决空间变化PSF测量提供了新的思路。如果能够将单像素成像技术应用于相机的每个像素中，并使用这一技术对PSF进行测量，则能够获得针对于每个像素的空间图像模糊核，也即空间变化的PSF，同时，还能有效提高测量过程中的信噪比，从而实现高信噪比的空间变化PSF测量。

发明内容

本发明提出了一种基于单像素成像的相机镜头点扩散函数PSF测量方法，能够提高空间变化点扩散函数测量时的信噪比。本发明的方法基本原理是通过将空间变化的点扩散函数视为物空间点与像平面点之间的光传输系数，通过使用单像素成像技术获取整个相机图像平面点与物平面(液晶显示屏幕)点的光传输系数，再经过转换重组，形成液晶显示屏上点到相机图像上的点扩散函数。

在考虑到镜头的点扩散函数PSF时，相机成像系统，图像可以被建模为

其中，O表示清晰图像，I表示退化以后的模糊图像，(x,y)表示物平面坐标系，(u,v)表示像平面坐标系，Ω表示输入的清晰图像被观测到的区域，h(u,v；x,y)表示物平面(液晶显示屏幕)上点(x,y)到相机图像平面点(u,v)的光传输系数。

如果我们能够将相机的每个像素(u,v)均视为一个单像素探测器，通过调制输入场景O(x,y)，将其作为某种变换的基函数或基图像，那么等式(1)也可以理解为单像素探测器(u,v)在某一次测量中获取到的光传输系数h(u,v；x,y)在变换域中的系数H(u,v；m,n)，这可以表示为：

H(u,v；m,n)是对应于相机像素(u,v)的光传输系数(图像)在变换域中的一个系数，r(u,v；x,y,m,n)表示的是由被调制的输入场景生成的正变换基函数或基图像，Ω′表示的是输入场景被调制的对应区域。当获取了在变换域中的所有系数以后，对其做逆变换有：