Статические методы увеличения глубины резкости оптико

Статические способы
увеличения глубины
резкости оптикоцифровых регистраторов
изображения
Басов И.В., Краснобаев А.А
1
Структура доклада
Актуальность
Понятие глубины резкости, PSF, MTF
Система с кодирующей апертурой
Система с кубической фазовой маской
Система с переносом резкости по
цветовым каналам
6. Сравнение систем
1.
2.
3.
4.
5.
2
Наблюдение протяженных объектов,
изменяющихся во времени
Объективы
для
микроскопи
и
Сканеры
штрих-кодов
3
Глубина резкости (DOF)
A
O’
B
A’ B’
O
• Если пара «пятен рассеяния» для интересующих
соседних точек объекта может быть различена
приемником излучения (ПИ) – объект «в фокусе»
• Интервал в котором объекты попадают «в фокус»
- «глубина резкости»
• Изменяя диафрагму можно менять пятно
4
рассеяния
Функция рассеяния точки (ФРТ, PSF);
функция передачи модуляции (ФПМ, MTF)
PSF (3D)
PSF – импульсный отклик оптической системы
MTF – зависимость контраста от
пространственной частоты
MTF (u) | F{PSF (x)}|
5
Модификация оптики
Объектив +
!
Объект
Обычно: PSF-?
Рассмотренные ниже методы:
форма пятна и зависимость от
дефокусировки задается
специальным образом с
помощью доработки объектива
Матрица
цифровая
фильтрация
Резкое
изображение
6
Системы с кодированной апертурой
y = fk ● x  Y = Fk · X,
x - резкое изображение,
fk – пятно размытия - ядро масштаба k (зависит
от величины дефокусировки),
y – изображение в плоскости сенсора,
● - операция свертки.
Fk(un) = 0 → Y(un) = 0
Кодирование:
→ Нулевым значениям полученного изображения в
частотной области можно сопоставить масштаб
фильтра и глубину расположения предмета на
наблюдаемой сцене
7
Восстановление изображения
FFT
Нули спектра
Восстановление
изображения
Масштаб ядра M,
дистанция L
8
Система с размытием не зависящим от
дефокусировки (с кубической фазовой маской)
Объектив +
Объект
MTF = const ≠ f (v),
MTF ≠ 0
Промежуточное
изображение
(нерезкое по
Матрица всему полю)
Инверсная
фильтрация
Резкое
изображение
v – величина дефокусировки
9
Кубическая фазовая маска
Кубический профиль
фазовой маски
Трехмерный профиль
маски
P( x, y)   ( x3  y 3 )
  2 /  , 
характеризует материал маски
10
Ход лучей вблизи плоскости фокусировки
Традиционная оптическая
система (IDOF~0.2мм)
Система с применением 11
фазовой маски (IDOF~2мм)
Постоянство функции рассеяния точки
а - в плоскости
фокусировки
традиционной
оптической
системы
b – при
дефокусировке
традиционной
оптической
системы
c, d – в плоскости
фокусировки и
при
дефокусировке
системы с
кубической
фазовой маской
12
Система с переносом резкости по каналам
Система с
преднамеренно
введенной
продольной
хроматической
аберрацией
Карта резкости:
M i R,G ,B ( x, y) 
I i ( x, y )  I RGB ( x, y )
I RGB ( x, y )
I(x,y) – яркостное
распределение i-го
цветового канала
изображения
13
Диаметр пятна рассеяния
Зоны резкости цветовых каналов
Зоны резкого изображения для:
синего
зеленого
красного
Расстояние до объекта
14
Методика сравнения
Тест-объект – штриховая мира
I max  I min
MTF (u ) 
I max  I min
Характеристики:
- MTF = f(d), где d – дефокусировка
- v = f(d) – «вырезаемые частоты» в
зависимости от дефокусировки (MTF=0.2)
- Отношение С/Ш
15
Сравнение методов. MTF = f(d)
MTF
d = 0.55mm
d = 2.2mm
v
d = 1.1mm
Синий – с кубической
маской
Желтый – с кодированной
апертурой
v – пространствнная
частота, пар линий/мм,
16
d - дефокусировка
Сравнение методов. Области частот для
которых MTF<0.2
d = 2.2mm
d
v
Синий – с кубической маской
Желтый – с кодированной апертурой
17
Сравнение методов. С/Ш
SNR
d
Синий – с кубической маской
Желтый – с кодированной апертурой
18
Таблица сравнения способов
Способ /
Характеристика
Алгоритм
восстановления
Особенности
MAX
расширение
глубины
резкости, раз
Перенос
резкости по
цветовым
каналам
Основан на
априорных
данных об
оптическом
тракте
Эффективен
только для
многоцветных
объектов
Зависит от
объектива и
спектра объекта
Кубическая
маска
Инверсный
фильтр
Сложность
изготовления
маски
~4; ограничена
динамическим
диапазоном (ДД)
регистратора
Кодированная
апертура
Многоитерационные
нелинейные /
основанные на
статистических
особенностях
изображения сцены
ФРТ объектива
как правило
изменяется по
полю
~10; ограничена
вычислителем и
ДД регистратора
19
Список основных источников
Система с кубической фазовой маской:
1) “Extended depth of field through wave-front coding”, W.T.Cathey, E.R.Dowski,
APPLIED OPTICS, выпуск 34, №11, 1995г.
2) US7436595 – Оптические системы с расширенной глубиной поля зрения,
W.T.Cathey, E.R.Dowski, 2008г.
3) US6842297 – Оптика кодирования волнового фронта, E.R.Dowski, 2005г.
4) “New paradigm for imaging systems”, W.T.Cathey, E.R.Dowski, APPLIED
OPTICS, выпуск 41, №29, 2002г.
5) Сайт www.colorado.edu
Система с кодированной апертурой:
1) A.Levin, R.Fergus, F. Durand, W. T. Freeman «Image and Depth from a
Conventional Camera with a Coded Aperture», Massachusetts Institute of
Technology, Computer Science and Articial Intelligence Laboratory.
2) US6737652 – Получение изображений с помощью кодированной
апертуры, R.C.Lanza, R.Accorsi, F.Gasparini, 2004г.
3) “Coded Aperture Projection”, M. Grosse, O. Bimber, Bauhaus-University
Weimar (www.uni-weimar.de/)
4) “Coded Aperture”, Computational Photography, выпуск 07, 2008г., Thai Hoa
Система с переносом резкости по каналам:
1) F. Guichard, Hoang Phi Nguyen, R. Tessières, M. Pyanet, I. Tarchouna, F.
Cao ”Extended depth-of-field using sharpness transport across color
20
channels” DxO Labs, 3 Rue Nationale, 92100 Boulogne, France.
Конец
счастливый
21