Статические способы увеличения глубины резкости оптикоцифровых регистраторов изображения

Статические способы увеличения глубины резкости оптикоцифровых регистраторов изображения Басов И. В. , Краснобаев А. А 1

Структура доклада 1. 2. 3. 4. 5. 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 2

Наблюдение протяженных объектов, изменяющихся во времени Объективы для микроскопии 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 (3 D) PSF – импульсный отклик оптической системы MTF – зависимость контраста от пространственной частоты 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 характеризует материал маски 10

Ход лучей вблизи плоскости фокусировки Традиционная оптическая система (IDOF~0. 2 мм) Система с применением 11 фазовой маски (IDOF~2 мм)

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: 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 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. 55 mm d = 2. 2 mm v d = 1. 1 mm 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. 2 mm 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, 1995 г. 2) US 7436595 – Оптические системы с расширенной глубиной поля зрения, W. T. Cathey, E. R. Dowski, 2008 г. 3) US 6842297 – Оптика кодирования волнового фронта, E. R. Dowski, 2005 г. 4) “New paradigm for imaging systems”, W. T. Cathey, E. R. Dowski, APPLIED OPTICS, выпуск 41, № 29, 2002 г. 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) US 6737652 – Получение изображений с помощью кодированной апертуры, R. C. Lanza, R. Accorsi, F. Gasparini, 2004 г. 3) “Coded Aperture Projection”, M. Grosse, O. Bimber, Bauhaus-University Weimar (www. uni-weimar. de/) 4) “Coded Aperture”, Computational Photography, выпуск 07, 2008 г. , 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” Dx. O Labs, 3 Rue Nationale, 92100 Boulogne, France.

Конец счастливый 21