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基于频率域的光场重对焦算法研究

基于频率域的光场重对焦算法研究

作者：张文豪浙江工商大学

学位级别：硕士

传统成像系统以所见即所得的形式记录了场景光场在二维成像平面上的投影,丢失了光线的方向信息,限制了光学成像的发展。随着对光场成像理论研究的不断深入以及工业技术的不断进步,光场成像技术使用新型光学器件完整地记录了场景的光场信... 详细信息

传统成像系统以所见即所得的形式记录了场景光场在二维成像平面上的投影,丢失了光线的方向信息,限制了光学成像的发展。随着对光场成像理论研究的不断深入以及工业技术的不断进步,光场成像技术使用新型光学器件完整地记录了场景的光场信息,凭借其强大的后处理能力颠覆了传统成像模式,具有重大的研究意义。目前,国内有关光场领域的研究处于初步阶段,对光场成像的原理及应用的研究尚未充分。本文对光场成像原理和光场数据处理进行了详细的分析,并从频率域对光场重对焦进行了深入研究,主要内容和成果包括以下几个方面：一、论文首先回顾、分析了光场相机成像和重对焦的基本原理。通过射线空间图讨论了光场成像与传统成像的主要区别,深入分析了光场成像机理,并在此基础上回顾了光场相机在空间域和频率域上的重对焦原理,推导了基于四维傅里叶切片定理的频率域重对焦计算公式。二、为保证光场重对焦的实现,实现了从二维光场图像到四维光场数据标定、校正和提取的完整解决方案,为后续重对焦的实现提供数据。针对光场相机中微透镜阵列排列、部件的加工和装配误差、光学元件的畸变效应等不确定因素,实现了微透镜中心标定、颜色校正、微透镜阵列格点校正、光场成像内参标定、畸变校正、子光圈图像提取等一系列完整方案。三、针对目前已提出的两类光场成像技术：传统光场成像和会聚式光场成像技术,为获取更一般化的频率域重对焦公式,将二维傅里叶变换的相似性定理和仿射定理推广到N维情况,提出并证明了N维傅立叶变换的相似性定理。针对N维情况下傅里叶切片定理,提出了一种基于N维傅里叶相似性原理的N维傅里叶变换切片定理及其推导证明方法。进而提出了四维光场成像的傅里叶切片定理的推导证明方法,简化了现有方法的推导证明过程。四、根据所提出的N维傅里叶变换切片定理,针对图像传感器尺寸限制以及离散采样的特点,将光场信号先表示为周期连续信号,再对其进行离散采样,进而提出一种基于分数阶傅里叶变换的重对焦计算方法,实现光场数据的重对焦。

关键词：计算摄影学光场相机微透镜阵列重对焦分数阶傅里叶变换

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一种基于阵列镜头的图像重对焦新算法

北方工业大学学报 2015年第3期27卷 25-29页

作者：邹建成许海波史利民北方工业大学图像处理与模式识别研究所北京100144 中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室北京100190

本文研究阵列镜头的重对焦算法.该算法首先对阵列镜头获取的图像进行标定,并根据图像灰度一致性约束和相邻像素深度光滑性约束条件,建立能量函数.采用图割(Graph Cuts)算法求解,确定像素的深度,实现场景的深度划分.然后以中心图像为参... 详细信息

本文研究阵列镜头的重对焦算法.该算法首先对阵列镜头获取的图像进行标定,并根据图像灰度一致性约束和相邻像素深度光滑性约束条件,建立能量函数.采用图割(Graph Cuts)算法求解,确定像素的深度,实现场景的深度划分.然后以中心图像为参考图像,计算图像中每个像素的深度,实现阵列图像的重对焦.本文算法在3*3阵列镜头得到有效验证,可望在手持平板摄像设备中得到实际应用.

关键词：阵列镜头深度划分重对焦

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基于计算光场成像的虹膜活体检测方法

自动化学报 2019年第9期45卷 1701-1712页

作者：宋平黄玲王云龙刘菲孙哲南哈尔滨理工大学自动化学院哈尔滨150080 中国科学院自动化研究所北京100190

光场成像相对传统光学成像是一次重大技术革新,高维光场信息为生物特征识别的发展与创新带来了新机遇.虹膜身份识别技术以其唯一性、稳定性、高精度等优势广泛应用于国防、教育、金融等各个领域,但是现有的虹膜识别系统容易被人造假体... 详细信息

光场成像相对传统光学成像是一次重大技术革新,高维光场信息为生物特征识别的发展与创新带来了新机遇.虹膜身份识别技术以其唯一性、稳定性、高精度等优势广泛应用于国防、教育、金融等各个领域,但是现有的虹膜识别系统容易被人造假体虹膜样本欺骗导致误识别.因此,虹膜活体检测是当前虹膜识别研究亟待解决的关键问题.本文提出一种基于计算光场成像的虹膜活体检测方法,通过软硬件结合的方式,充分挖掘四维光场数据的信息.本方法使用实验室自主研发的光场相机采集光场虹膜图像,利用光场数字重对焦技术提取眼周区域的立体结构特征和虹膜图像的纹理特征,进行特征融合与虹膜分类.在自主采集的近红外光场虹膜活体检测数据库上进行实验,本方法的平均分类错误率(Average classification error rate,ACER)为3.69%,在现有最佳方法的基础上降低5.94%.实验结果表明本方法可以准确有效地检测并阻止打印虹膜和屏显虹膜对系统的攻击.

关键词：虹膜活体检测光场成像重对焦特征融合

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光场成像技术及其在计算机视觉中的应用

中国图象图形学报 2016年第3期21卷 263-281页

作者：张驰刘菲侯广琦孙哲南谭铁牛中国科学院自动化研究所智能感知与计算研究中心北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100190

目的光场成像技术刚刚在计算机视觉研究中展开初步应用,其相关研究比较零散,缺乏系统性。本文旨在系统介绍光场成像技术发展以及其应用在计算机视觉研究中有代表性的工作。方法从解决计算机视觉问题的角度出发,4个层面讨论光场成像技术... 详细信息

目的光场成像技术刚刚在计算机视觉研究中展开初步应用,其相关研究比较零散,缺乏系统性。本文旨在系统介绍光场成像技术发展以及其应用在计算机视觉研究中有代表性的工作。方法从解决计算机视觉问题的角度出发,4个层面讨论光场成像技术最近十年的研究工作,包括:1)主流的光场成像设备及其作为计算机视觉传感器的优点与不足;2)光场相机作为视觉传感器的标定、解码以及预处理方法;3)基于4维光场的图像渲染与重建技术,以及其如何促进计算机视觉研究;4)以4维光场数据为基础的特征表达方法。结果逐层梳理出光场成像在求解视觉问题中的优势和局限,分析其中根本性的原理与掣肘,力图总结出亟待解决的关键问题以及未来的发展趋势。结论作为一种颇具前景的新型计算机视觉传感器技术,光场成像技术的研究必将更为广泛和深入。研究应用于计算机视觉的光场成像技术将有力的引导和促进计算机视觉和光场成像技术协同发展。

关键词：光场成像技术计算机视觉 4维光场重对焦深度估计

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基于光场成像的虹膜活体检测方法研究

基于光场成像的虹膜活体检测方法研究

作者：宋平哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着人们公共安全意识的快速提升,传统身份识别方式已不能满足人们的需求,生物特征识别技术受到越来越多的关注。虹膜识别具有唯一性、稳定性、高精度等优势,是现阶段最安全可靠的生物特征识别技术之一,已广泛应用于国防、教育、金融等... 详细信息

随着人们公共安全意识的快速提升,传统身份识别方式已不能满足人们的需求,生物特征识别技术受到越来越多的关注。虹膜识别具有唯一性、稳定性、高精度等优势,是现阶段最安全可靠的生物特征识别技术之一,已广泛应用于国防、教育、金融等各个领域。但是现有的虹膜识别系统无法对采集端进行保护,受到人造假体虹膜攻击时会导致系统误识别,威胁系统的安全。虹膜活体检测是应对人造假体虹膜攻击的最主要的手段,是虹膜识别系统的关键组成部分。因此,对虹膜活体检测技术进行研究是非常重要的。光场成像是一种计算成像技术,相对传统光学成像是一次重大技术革新。光场通过表征空间中每一条光线的辐亮度,描述了光在三维空间的辐射传输特性,包含了深度、纹理、光照等视觉信息。以光场相机为媒介,光场成像能够同时记录光线的强度和角度信息,获得四维光场数据。高维光场信息的获取为生物特征识别的发展与创新带来了新机遇。本文将光场成像技术引入虹膜活体检测领域中,利用其重对焦和景深扩展能力实现大景深范围的虹膜活体检测,提高虹膜识别系统的安全性和易用性。首先,通过自主设计采集方案,搭建采集环境,计划采集流程,制作采集设备,本文采集得到光场虹膜数据库,解决了光场虹膜研究的数据问题。其次,对本文对采集的光场虹膜数据库从数据多样性,图像预处理、图像质量等角度进行综合评价,证明采集数据库的质量达到设计要求,并分析了光场虹膜活体检测的思路与原理。最后,本文提出一种基于光场成像的虹膜活体检测算法,从数据获取源头创新,充分挖掘四维光场数据的特性,利用光场重对焦技术提取眼周区域的立体结构特征和虹膜图像的纹理特征,进行特征融合与虹膜分类。在自主采集的远距离光场虹膜数据库上进行实验,本方法可以对1.6m采集距离、30cm景深范围内采集的图像进行高准确率的虹膜活体检测。此方法可以准确有效的检测并阻止混合假体类型对系统的攻击,有效扩展了虹膜活体检测的应用范围和场景。

关键词：虹膜活体检测光场成像重对焦景深扩展特征融合

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基于液晶透镜的景深扩展及应用

基于液晶透镜的景深扩展及应用

作者：马嘉成电子科技大学

学位级别：硕士

液晶透镜作为新型光学成像器件被广泛应用于摄影摄像、显微成像、虚拟现实等多个领域。在成像领域中,利用液晶透镜电控调焦的特性,极大地简化了成像系统结构,提高了对焦效率。此外,利用液晶透镜还实现了无机械移动的景深扩展图像采集功... 详细信息

液晶透镜作为新型光学成像器件被广泛应用于摄影摄像、显微成像、虚拟现实等多个领域。在成像领域中,利用液晶透镜电控调焦的特性,极大地简化了成像系统结构,提高了对焦效率。此外,利用液晶透镜还实现了无机械移动的景深扩展图像采集功能。本文将液晶透镜深度测量技术引入景深扩展工作流程,提出了新的景深扩展图像采集方法。本文的主要研究工作如下:本文提出了基于非锐化掩蔽模型的无偏振成像算法。传统的无偏振成像算法通过检测图像结果的噪声水平来确定无偏振算法对源图像的处理强度。该方法无法准确反应算法对源图像处理强度不同造成的影响,难以获得最优结果。本文从物理光学的角度分析了无偏振成像的工作原理,并结合非锐化掩蔽过程提出了新的无偏振成像算法模型。该模型能够根据图像局部区域的对比度变化准确反应不同处理强度对图像结果的影响,从而选取一个合适的算法处理强度。同时,利用该模型还可以对入射光发生双折射后的o光、e光比例进行检测。本文实现了基于场景深度的液晶透镜景深扩展图像采集方法。液晶透镜景深扩展主要采用图像融合方法,需改变液晶透镜光焦度采集对焦面不同的图像进行图像融合。已有的图像采集方法主要有基于光学系统成像景深的图像采集方法和等时间间隔图像采集方法。基于景深关系的图像采集方法通过预设驱动电压值,使成像系统能够采集一组景深无缝衔接的图像。预设电压与光学元件参数、几何关系密切相关,任意参数发生改变时,需重新计算预设电压。等时间间隔采集方法采集图像数量大,图像融合时计算时间长,冗余信息多。本文根据场景中目标物体深度与液晶透镜光焦度的关系,提出了基于液晶透镜离焦深度测量的景深扩展图像采集方法。通过液晶透镜离焦深度法计算深度图像,推导目标物体深度与液晶透镜光焦度、驱动电压的关系,设置驱动电压并采集对焦图像。该方法极大地减少了采集图像数量和冗余信息,提高了计算效率。在此基础上,提出了基于深度图像的显著性目标检测方法,并针对不同采集方法获取的景深扩展图像的目标显著区域进行图像质量评价。此外,利用景深扩展过程获取的深度图像和景深扩展图像,实现了液晶透镜重对焦功能。通过深度图像中不同物体的灰度差异,建立离焦模型对景深扩展图像进行渲染,实现重对焦效果,并对重对焦效果进行图像质量评价。

关键词：液晶透镜无偏振成像景深扩展重对焦

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四维光场成像的深度预测估计及技术研究

四维光场成像的深度预测估计及技术研究

作者：郭任豪电子科技大学

学位级别：硕士

计算机视觉领域中存在一个关键难题,即如何从成像探测器得到的二维图像中获取现实场景中的深度信息,该问题的解决将会极大地推动自动驾驶,虚拟现实等新兴技术的发展。然而传统相机拍摄的二维图像只有空间分辨能力而没有角度分辨能力,因... 详细信息

计算机视觉领域中存在一个关键难题,即如何从成像探测器得到的二维图像中获取现实场景中的深度信息,该问题的解决将会极大地推动自动驾驶,虚拟现实等新兴技术的发展。然而传统相机拍摄的二维图像只有空间分辨能力而没有角度分辨能力,因此极大地限制了计算机视觉的深层次应用。光场成像技术通过光学系统的硬件设计和计算成像算法的结合,突破了传统成像的限制,可以同时获得角度和空间的分辨能力。其中基于微透镜阵列(Micro Lens Array,MLA)的光场相机,因为其使用方便、成像稳定、采集的光场图像可塑性强等特点在深度预测估计领域有着较为广泛的应用。本文从光场理论、微光光场相机研制和微光光场图像渲染算法三个方面对光场成像技术进行讨论与研究,此外还对光场图像的深度预测估计做了一定的探讨和论证。主要研究内容包括:一,从七维光场理论出发,对光场相机的成像原理和光场图像的处理方法进行了理论推导与分析。二,研究并制造了可采集78万条光线的基于MLA的微光光场相机。克服了MLA制备难题,提出了一种F数为1的微光光场相机设计方案和指标;在微光光场相机的结构设计中,为达到MLA和微光成像探测器之间的耦合精度要求,还设计了一种比较可行的耦合解决方案。三,根据频域相移定理,设计了一种基于亚像素精度重对焦的深度预测估计算法。为了获取高质量的重对焦图像,提出了一种亚像素精度重对焦算法,在提高重对焦图像质量的同时还更有利于聚焦线索和视差线索的融合;为了改善深度预测估计算法的鲁棒性,又给出了一种新的成本量计算函数。四,开展了光场图像渲染和深度预测估计实验。通过不同实验场景的实验结果对比,展示和证明了本文设计制造的微光光场相机景深扩展和数字重对焦的能力;通过观察本文深度预测估计算法和已知算法的仿真实验结果,验证了本文所提算法的可行性;通过观察本文深度预测估计算法对微光光场图像的处理结果,验证了本文所提算法的有效性。

关键词：光场成像微光光场相机重对焦深度预测估计

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图像的重聚焦研究

图像的重聚焦研究

作者：许海波北方工业大学

学位级别：硕士

传统相机在摄像过程中只能感知单个像平面的强度信息,因此需要用户在拍摄之前精心挑选相机参数,并且在视野范围内的聚焦表面都为平面.而近年来出现的阵列相机能够先拍摄后聚焦、灵活景深控制以及实现景深扩展,具有光明的应用前景.微阵... 详细信息

传统相机在摄像过程中只能感知单个像平面的强度信息,因此需要用户在拍摄之前精心挑选相机参数,并且在视野范围内的聚焦表面都为平面.而近年来出现的阵列相机能够先拍摄后聚焦、灵活景深控制以及实现景深扩展,具有光明的应用前景.微阵列相机体积小,携带方便,更适用于在手机平板电脑等移动设备中使用.业界许多专家对此项技术倍加推崇,称其必将引起第2个摄像数码化革命.因此,基于微阵列相机的重对焦研究将会成为机器视觉领域的一项重要课题.但到目前为止,本项技术在国内研究人员还较少,应用也不是非常广泛.本文正是在这种背景下研究了大量的相机成像、立体匹配等机器视觉经典理论和算法.针对图像重对焦的研究,做了以下工作：1)简单回顾了相机成像模型原理和相机标定原理与技术,重点对张正友相机标定知识进行了阐述.由于拍摄仪器为具有3×3阵列镜头的相机模板,我们在标定过程中分别对9个镜头都进行了标定.2)简要介绍了数字图像立体匹配算法分类,着重分析了基于图割的立体匹配算法原理和算法步骤.根据图像灰度一致性约束和相邻像素深度光滑性约束条件,建立能量函数.3)以中心图像为参考图像,采用图割算法对建立的能量函数求解,确定像素的深度,实现了阵列图像的重对焦工作.基于阵列相机的重对焦算法研究目前还是较新的研究领域,算法还在不断地探索研究中.由于硬件工艺的限制,重对焦效果有一定的偏差.我们接下来会在不同焦距的阵列模组上进行算法的验证,以期达到更好的重对焦效果.

关键词：阵列镜头相机标定立体匹配重对焦