专利名称：互补模糊图像采集系统及利用该系统的模糊图像恢复方法
技术领域：
本发明涉及图像视觉增强技术领域，特别涉及一种互补模糊图像采集系统及利用该系统的运动模糊图像恢复方法。
背景技术：
运动模糊是在成像过程中普遍存在的现象。位于快速行驶的汽车、飞机或其他飞行器上的相机，在拍摄图像的过程中由于拍摄对象相対速度过快或者拍摄过程中的抖动，使得拍摄的图像产生运动模糊，会严重影响获取图像的质量。实现运动模糊图像的复原，恢复原始的清晰图像，有利于获取更高分辨率的图像细节信息，对于使用基于图像信息进行的后续处理的场合是非常必要的预处理过程。
在运动模糊的研究当中，通常假设得到的模糊图像服从以下成像模型B = mK + n其中，B为获取的模糊图像，I为要恢复的清晰图像，K为模糊核，n为加性噪声。在该模型的定义中，模糊图像由清晰图像与模糊核卷积，再加入噪声而产生。运动去模糊的问题是在图像获取以后，通过一定的方法获取运动信息，从而最大可能的恢复原始的清晰图像。按照模糊核已知和未知，通常可以分为非盲去卷积和盲去卷积两类。非盲去卷积，即模糊核已知或已通过其他方式求得，由图像去卷积估计清晰图像。传统的方法使用Wiener滤波恢复图像，对噪声的抑制作用比较差。1974年提出的Richardson-Lucy (RL)算法在图像恢复中应用广泛,但是随着迭代次数的增加,恢复图像的振铃效应更加严重，噪声的影响也随之増大。近年来，ー些方法使用TV范数、自然图像梯度稀疏、Framelet域变换系数稀疏等作为约束进行图像恢复。由于成像过程中的运动模糊造成图像的高频信息丢失，该问题并不是简单的可逆过程。同时模糊核的频域零点使得图像噪声被放大，并在图像的边缘等不连续处产生严重的振铃效应，图像去卷积的结果往往难以令人满意。在实际的运动去模糊问题中，模糊核通常是未知的，即盲去卷积问题。这样的图像恢复工作一般可以分成两步来完成一是运动模糊核的估计；ニ是已知模糊核的图像去卷积。模糊核的估计方法包括基于单幅图像、两幅图像和多帧图像的运动信息获取。基于单幅图像的运动去模糊是非常欠定的问题，通常是分析模糊图像和清晰图像的特点，得到其分布情况的先验信息作为约束条件添加到图像恢复中。为使获取的信息更为丰富，大量的研究开始针对多幅图像，以获取更佳的恢复结果，如采用同一场景的两幅运动模糊图像，采用一幅运动模糊和一幅低曝光高噪声图像组合，以及采用ー个快速CXD和一个慢速CXD同时获取图像等。此类方法连续对场景进行拍摄，要求场景是静态的，并且对图像对准有很高要求，而模糊图像的对准是非常困难的，即使手动调整也很难实现精确的对准。对于快速行驶的汽车及飞机等载体上的拍摄问题，拍摄对象相対速度过快或者拍摄过程中的抖动，使得模糊核尺度大且比较复杂，基于单幅图像进行图像恢复很难得到理想的結果。同时由于相机相对于场景的快速移动，对同一场景连续拍摄也不能实现。因此，如何实现快速行驶的汽车及飞机等载体上的运动模糊图像的恢复是ー个亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明g在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了ー种互补模糊图像采集系统及利用该系统的运动模糊图像恢复方法。。为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一 种互补模糊图像采集系统，其包括分光镜、第一棱镜组合和第二棱镜组合，所述第一棱镜组合装设于第一棱镜支架上，所述第二棱镜组合装设于第二棱镜支架上；所述第一棱镜支架通过第一螺旋高度调节架和第一导轨与基座固定，所述第二棱镜支架通过第二螺旋高度调节架和第二导轨与基座固定，通过对第一螺旋高度调节架和第一导轨位置以及第二螺旋高度调节架和第二导轨位置的调节，使所述第一棱镜组合和第二棱镜组合的光心处于同一水平高度，并且使第一棱镜组合和第二棱镜组合的工作面相互平行；所述分光镜位于所述第一棱镜组合和第二棱镜组合的光路上，入射光线经分光镜分为两路，一路经第一棱镜组合实现光路旋转90°，另一路经第二棱镜组合实现像旋转90°。本发明的互补模糊图像采集系统的两组棱镜的成像平面并排排列，可以使用一部相机同时采集到同一场景的两幅具有90°旋转关系的图像，进行图像恢复时更加简单、准确、有效。为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种运动模糊图像恢复方法，其包括如下步骤SI :建立本发明的互补模糊图像采集系统，获取同一场景在运动模糊影响下的两个退化图像；S2 :在物理成像模型基础上，利用两个模糊核之间的关系作为约束，得到初始的模糊核和清晰图像的估计；S3 将模糊核进行细化；S4:由最終得到的模糊核实现图像去卷积，获得理想的图像去模糊結果。本发明的运动模糊图像恢复方法充分利用互补模糊图像采集的信息，具有简单有效、鲁棒、实时性强的优点，在低复杂度的前提下，使具有挑战性的运动模糊图像恢复效果得到显著提高。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I是本发明运动模糊图像恢复方法的框架图；图2是本发明ー种优选实施方式中采用的互补模糊图像采集系统示意图；图3是图2中所示互补模糊图像采集系统的光路图；图4是本发明互补模糊图像采集系统的成像模型示意图5是本发明ー种优选实施方式中拍摄场景的清晰图像；图6是本发明ー种优选实施方式中采用的仿真运动模糊的模糊核；图7是本发明互补模糊图像采集系统采集得到的模糊图像；图8是图7中所不ネ旲糊图像的等价转换不意图；图9是本发明ー种优选实施方式中用于模糊核估计的重要边缘；图10是本发明ー种优选实施方式中模糊核和清晰图像的初始估计；图11是本发明ー种优选实施方式中模糊核估计和图像恢复結果。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过參考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明提出了一种运动模糊图像恢复方法，如图I所示，其包括如下步骤SI :建立互补模糊图像采集系统，获取同一场景在运动模糊影响下的两个退化图像；S2 :在物理成像模型基础上，利用两个模糊核之间的关系作为约束，得到初始的模糊核和清晰图像的估计；S3 :将模糊核进行细化；S4 由最終得到的模糊核实现图像去卷积，获得理想的图像去模糊結果。在本发明的ー种优选实施方式中，以机场跑道航拍图像的运动去模糊为例进行说明，首先，建立互补模糊图像采集系统，获取同一场景在运动模糊影响下的两个退化图像，如图2-图4所示，本发明的互补模糊图像采集系统包括分光镜、第一棱镜组合和第二棱镜组合，该第一棱镜组合装设于第一棱镜支架上，第二棱镜组合装设于第二棱镜支架上。第一棱镜支架通过第一螺旋高度调节架和第一导轨与基座固定，第二棱镜支架通过第二螺旋高度调节架和第二导轨与基座固定。通过对第一螺旋高度调节架和第一导轨位置以及第ニ螺旋高度调节架和第二导轨位置的调节，使第一棱镜组合和第二棱镜组合的光心处于同一水平高度，并且使第一棱镜组合和第二棱镜组合的工作面相互平行。分光镜位于第一棱镜组合和第二棱镜组合的光路上，入射光线经分光镜分为两路，一路经第一棱镜组合实现光路旋转90°，另一路经第二棱镜组合实现像旋转90°。第一棱镜组合和第二棱镜组合可以为形成的图像具有旋转90°关系的任何棱镜组合，具体可以为但不限于第一棱镜组合采用两个直角棱镜，第二棱镜组合米用ー个直角棱镜ー个直角屋脊棱镜。在本实施方式中，通过米用互补模糊图像采集系统，光线经过分光镜分为两路，其中一路经过两个直角棱镜实现光路旋转90°，另外一路经过ー个直角屋脊棱镜和ー个直角棱镜实现成像旋转90°。两个经过棱镜系统得到的运动模糊影响下的退化图像并排在同一平面内，可以使用一部相机同时采集到两幅具有90°旋转关系的图像，采集得到场景图像及其旋转90°图像经过同一模糊核得到模糊图像对BpB215本实施例以仿真数据进行说明，该仿真数据由清晰图像与模糊核卷积并加入高斯白噪声得到，即用成像模型5 = I K + 表示。基于场景清晰图像，如图5所示，利用成像模型B ニ+ 在图6所示模糊核的
作用下得到运动模糊图像。B1 =I1 K + nB2=I2 K + n = J-OtW(Il) K + nq)其中，B1为获取的第一个模糊图像，I1为要恢复的第一个清晰图像，B2为获取的第ニ个模糊图像，I2为要恢复的第二个清晰图像，K为模糊核，n为加性噪声。图7是本发明互补模糊图像采集系统采集得到的运动模糊图像，将第二个模糊图像B2反向旋转90°，有
权利要求
1.一种互补模糊图像采集系统，其特征在于，包括 分光镜、第一棱镜组合和第二棱镜组合，所述第一棱镜组合装设于第一棱镜支架上，所述第二棱镜组合装设于第二棱镜支架上； 所述第一棱镜支架通过第一螺旋高度调节架和第一导轨与基座固定，所述第二棱镜支架通过第二螺旋高度调节架和第二导轨与基座固定，通过对第一螺旋高度调节架和第一导轨位置以及第ニ螺旋高度调节架和第二导轨位置的调节，使所述第一棱镜组合和第二棱镜组合的光心处于同一水平高度，并且使第一棱镜组合和第二棱镜组合的工作面相互平行； 所述分光镜位于所述第一棱镜组合和第二棱镜组合的光路上，入射光线经分光镜分为两路，一路经第一棱镜组合实现光路旋转90°，另一路经第二棱镜组合实现像旋转90°。
2.如权利要求I所述的互补模糊图像采集系统，其特征在于，所述第一棱镜组合包括两个直角棱镜，所述第二棱镜组合包括ー个直角棱镜ー个直角屋脊棱镜。
3.—种运动模糊图像恢复方法，其特征在于，包括如下步骤 51:建立权利要求I或2所述的互补模糊图像采集系统，获取同一场景在运动模糊影响下的两个退化图像； 52:在物理成像模型基础上，利用两个模糊核之间的关系作为约束，得到初始的模糊核和清晰图像的估计； 53:将模糊核进行细化； 54:由最終得到的模糊核实现图像去卷积，获得理想的图像去模糊結果。
4.如权利要求3所述的运动模糊图像恢复方法，其特征在于，在所述步骤SI中，互补模糊图像采集系统的光线经过分光镜分为两路，其中一路经过两个直角棱镜实现光路旋转90°，另一路经过ー个直角屋脊棱镜和ー个直角棱镜实现图像旋转90°，两个经过棱镜系统得到的运动模糊影响下的退化图像并排在同一平面内，具有旋转90°的关系，用公式表示为B, =/丨 人,+ /マ 故=ム 人'+ " ニ /y;/90(7； ) K 4- n 其中，B1为获取的第一个模糊图像，I1为要恢复的第一个清晰图像，B2为获取的第二个模糊图像，I2为要恢复的第二个清晰图像，K为模糊核，n为加性噪声，将第二个模糊图像B2反向旋转90°， roinOiB,) = ro/270{rol90(/.,) K + ") = I1 ro/270{K) + n 即等价于同一图像经过两个不同模糊核， B1 = / 0 K1 -f- // rr;/270(/^) = / ro(21Q{Kx) + // = / 人' + n 即两个模糊核具有旋转90°的关系K2 = rot270 (K1)。
5.如权利要求3或4所述的运动模糊图像恢复方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用多尺度的处理方法逐级迭代，包括以下步骤 521:对模糊图像B1A2采用高斯下采样的方法，构建模糊图像的高斯金字塔模型{B/}，(B21I, 1=1,2,…，n，由最底层开始逐级处理； 522:由步骤S21得到的模糊图像{B/}，(B21I计算图像中包含边缘的重要程度
6.如权利要求5所述的运动模糊图像恢复方法，其特征在干，在所述步骤S26中，m=0. 9，n=0. 9。
7.如权利要求3或5所述的运动模糊图像恢复方法，其特征在于，将模糊核进行细化包括以下步骤 S31 :对清晰图像初始估计结果应用步骤S23，计算更新的重要边缘； S32:细化模糊核估计Yf =印パ^W')，细化后的模糊核为 K = min^I▽// 0^-V^f+f^KI 其中，S=IhkKi^ e }，Kni为当前模糊核估计結果，e为门限值，、为权重平衡系数。
8.如权利要求7所述的运动模糊图像恢复方法，其特征在于，通过迭代支撑检测算法计算细化后的模糊核。
9.如权利要求3所述的运动模糊图像恢复方法，其特征在于，取ち=#，K2 =roi270(K)对图像去卷积，获得理想的图像去模糊结果，对图像去卷积的公式为 /^m.nXl^^-^I + lllV/l其中，入为权重平衡系数。
全文摘要
本发明提出了一种互补模糊图像采集系统及利用该系统的模糊图像恢复方法，该系统包括分光镜、第一棱镜组合、第二棱镜组合。该方法包括如下步骤建立互补模糊图像采集系统，获取同一场景在运动模糊影响下的两个退化图像；利用两个模糊核之间的关系作为约束，得到初始的模糊核和清晰图像的估计；将模糊核进行细化；由最终得到的模糊核实现图像去卷积，获得理想的图像去模糊结果。本发明互补模糊图像采集系统两组棱镜的成像平面并排排列，可以使用一部相机采集到具有90°旋转关系的图像。本发明的运动模糊图像恢复方法具有简单有效、鲁棒、实时性强的优点，在低复杂度的前提下，能够显著提高运动模糊图像的恢复效果。
文档编号G02B7/18GK102867289SQ20121029811
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者戴琼海, 李雯, 张军 申请人:清华大学, 北京航空航天大学