一种基于对称性的单透镜计算成像psf快速标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数字图像处理领域，特指一种基于对称性的单透镜计算成像PSF快速标定方法。
【背景技术】
[0002]目前，单反相机以其高清的成像质量、丰富的镜头选择、迅捷的响应速度、卓越的手控能力等优势在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。然而，为弥补单反镜头中镜片的几何畸变和像差，进一步提高成像质量，单反镜头的设计日益复杂，甚至包含数十个独立的光学器件。复杂的镜头在提高成像质量的同时，无疑也会增加镜头的体积和重量，也导致镜头的成本大大提高。镜头体积和重量的增加给用户的日常使用带来了不便，成本的提高也不便单反向大面积用户推广使用。因此，在尽量消除镜片像差，增加成像质量的同时，如何降低镜头成本，使其更为轻便，也成为目前单反相机设计的重要需求之一。近年来，随着图像复原技术的快速发展，图像去模糊等方法越来越成熟，镜头中某些消除像差和修正几何畸变的镜片可由去模糊等计算摄影技术代替，因此，单透镜成像(如图2所示)与图像复原技术的结合也逐渐成为单反相机设计的一个新的研宄方向。
[0003]单透镜成像的关键在于必须首先对单透镜的模糊核进行标定，然后基于所得到的模糊核，采用一定的图像复原算法得到清晰图像。单透镜的模糊核标定通常是在尺度空间中进行的，如图3所示，在尺度空间中，一般取3X3的高斯函数或者delta函数作为模糊核的初始值，通过依次在不同层次尺度空间中的迭代逐步求得最终的理想模糊核。而且在每一层尺度空间，首先将上一层次尺度空间中所求得的模糊核作为初始值，结合模糊图像求得潜在的清晰图像，然后把潜在清晰图像和模糊核作为已知项，再求出清晰图像。这个过程也需要经过多次迭代才能得到本层次尺度空间中较为理想的模糊核，如图4所示。
[0004]目前单透镜成像中模糊核标定所存在的问题是模糊核的初始值与最终理想的模糊核相差太远，从而导致模糊核标定的过程耗时太长，不便在实际中应用。因此，根据单透镜计算成像的特性提出一个更加合理并且容易实现的单透镜模糊核的初始值是单透镜计算成像急需解决的问题。
【发明内容】
[0005]针对现有单透镜成像方法中模糊核初始值与最终理想值差别较大，迭代估计过程耗时太长，不便于实际操作等问题，本发明提出一种基于对称性的单透镜计算成像PSF标定方法。充分利用单透镜模糊核的空间对称性特点，首先估计出部分区域内的图像块的模糊核，然后将这些模糊核经过适当的旋转调整，作为其他区域内图像块模糊核估计的初始值。相比于高斯函数和delta函数，利用对称性所得到的模糊核更加接近最终的理想模糊核，所需的迭代次数会大大减少，从而在整体上加快模糊核的估计速度。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是:
[0007]一种基于对称性的单透镜计算成像PSF快速标定方法，其特征在于包括以下步骤:
[0008]S1:利用单透镜相机获取模糊图像；
[0009]S2:将单透镜计算成像中的PSF标定问题转换为盲卷积图像复原问题，即通过盲卷积图像复原算法求出单透镜的模糊核，具体步骤如下:
[0010]S21:为估计出模糊图像空间变化的模糊核，将模糊图像分成若干个小块图像；估计出左上角区域内每个小块图像对应的模糊核，估计每个小块图像的模糊核所用的算法为基于最大后验概率MAP的盲卷积图像复原算法，在最大后验概率模型下，盲卷积图像复原问题的统计学模型可以表述为:
[0011]argmaxP (K, 11 B) = arg maxP (B 11, K) P (I) P (K) (I)
[0012]其中，K表示单透镜的模糊核，又称点扩散函数PSF ;1表示清晰图像出表示由单透镜成像系统直接得到的模糊图像；ρ(κ，I|B)表示在模糊图像B已知条件下，与模糊图像B对应的模糊核和清晰图像分别为K和I的概率；P (B 11, K)表示如果已知模糊核K和清晰图像I，对应的模糊图像为B的概率表示对原始清晰图像已知的先验概率{⑷表示模糊核的先验概率；
[0013]基于最大后验概率MAP的盲卷积图像复原算法，模糊核估计通常都是在尺度空间中进行的，如图3所示，在尺度空间中，一般取3X3的高斯函数或者delta函数作为模糊核的初始值，通过依次在不同层次尺度空间中的迭代逐步求得最终的理想模糊核。而且在每一层尺度空间，首先将上一层次尺度空间中所求得的模糊核作为初始值，结合模糊图像求得潜在的清晰图像，然后把潜在清晰图像和模糊核作为已知项，再求出清晰图像。这个过程也需要经过多次迭代才能得到本层次尺度空间中较为理想的模糊核，如图4所示。
[0014]S22:充分利用单透镜模糊核的空间对称性，将步骤S21中已经估计出的模糊核经过适当角度的旋转，作为剩余三个区域中各个小图像块的模糊核初始值。因为估计剩余三个区域的模糊核时，模糊核初始值与最终值比较接近，所需的估计时间会大大缩小。单透镜模糊核的空间对称性如图1所示，图1为已经计算出的单透镜不同区域部分的模糊核，从图1可以看出，如果以图1中间一列模糊核为中心，则不同的模糊核图像块是左右对称的；如果以图1中间一行模糊核为中心，则不同的模糊核图像是上下对称的。而且，左上角区域内的模糊核与右下角区域内的模糊核以图1中心图像块为中心，呈180°旋转对称。
[0015]充分利用单透镜模糊核的空间对称性，利用步骤S21中的盲卷积图像复原算法，首先求出左上角区域内每个图像块对应的模糊核，求右上角区域内与之对称的图像块的模糊核时，将已求出的左上角模糊核左右翻转180°作为待求图像块的模糊核迭代优化初始值；求左下角区域内与之对称的图像块的模糊核时，将已求出的左上角模糊核上下翻转180°，作为待求图像块的模糊核迭代优化初始值；求右下角区域内与之对称的图像块的模糊核时，将已求出的左上角模糊核先左右翻转180°，再上下翻转180°，作为待求图像块的模糊核迭代优化初始值。
[0016]本发明中:
[0017]在步骤SI中的模糊图像是在正常光圈大小下，由单透镜相机得到的模糊图像。
[0018]在步骤S22中所用到的迭代优化方法为EM优化算法，EM优化算法分为两个步骤，在E-step中，根据给定的当前模糊核求解非盲卷积图像复原，求出潜在的平均图像，并估计该平均图像周围的方差；在M-step中，根据E-step中求出的潜在平均图像求出最佳的模糊核；
[0019]EM算法的具体步骤如下:
[0020](l)E-step:令0(1) = P (I I B，K)，并计算出 Q (I)的均值 u 和方差 C，其中 P (I | B，K)表示在已知模糊图像B和模糊核K的条件下，对应的清晰图像为I的概率；均值u就代表给定当前模糊核时潜在的清晰图像，C代表清晰图像周围的方差；
[0021](2) M-step:找到使K*I_B达到最小值的K值，即式⑵达到最小值；
[0022]EqI |K*1-B| I2 (2)
[0023]在M-st印中使用的是求导函数的方法，即找到式(2)的极值点，因为式(2)包含一个二次项，而在E-step中所求出的均值和方差足以满足式(2)的求解条件，此时所求出的是局部最优解，然后多次交替迭代E-step和M-step，直到得到最终的全局最优解，即最佳的模糊核。
[0024]本发明的有益技术效果是:
[0025]本发明基于单透镜计算成像系统，将单透镜PSF的估计转化为盲卷积图像复原算法，针对PSF估计过程中模糊核初始值与最终理想值相差较远，从而导致PSF标定耗时过长的问题，提出基于单透镜模糊核空间对称性的PSF快速标定方法，根据已求出的部分区域内图像块的模糊核，将其经过适当旋转变换，作为其他区域内图像块PSF估计的模糊核初始值，PSF估计过程所需的时间将会大大减少。这种方法在图像处理和相机设计领域都具有非常重要的意义。
【附图说明】
[0026]图1为平凸透镜对应的空间变化的模糊核；
[0027]图2为单透镜成像示意图；
[0028]图3为尺度空间中估计PSF的迭代过程示意图；
[0029]图4为盲卷积图像复原算法的迭代过程；
[0030]图5为基于对称性的单透镜计算成