一种光圈结构及其图像处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学成像和图像处理领域，具体涉及一种光圈结构及其图像处理方 法。
【背景技术】
[0002] 当今数码相机或数码摄像机一般包括镜头透镜和图像传感器以及图像处理单元。 镜头里面包括透镜或透镜组，以及光圈结构。光圈结构最主要的组成部分在于镜头中特定 位置的开孔，以往多数是圆形或者多片挡片构成的近似圆形。以前，光圈的主要作用是用来 控制光线进入镜头的多少。光线明亮的时候，可以用小光圈避免过度曝光；光线暗淡的时 候，可以用大光圈提高图像亮度。同时配合曝光时间的长短，共同达到图像亮度合适。另外， 根据成像理论，光圈的大小会影响景深，就是景物中能够成像清晰的距离范围。一般来说， 小光圈对应的景深范围大，大光圈对应的景深范围小。
[0003] 小型摄像模组，广泛地用于监控、手机、移动设备等等。在这些领域使用的镜头，一 般都是固定大小光圈，其形状都是圆形的或者近似圆形的多边形。中高档的摄像模组，具有 自动聚焦功能，根据拍摄时候需要，聚焦在某个景物距离，在其景深范围内，可以达到图像 清晰。但是超出其景深范围的景物物体，比如近景或者远景，就不能够很好地聚焦，这些图 像区域就不够清晰。中低档的摄像模组，没有自动聚焦功能，出厂的时候设定到一定的聚焦 距离。在使用中，如果景物不在其合适的景深范围内，图像就非常模糊。无论是自动聚焦的 摄像模组，还是固定焦距的镜头，当拍摄时，都无法同时达到近、中、远的景物同时清晰。另 外，目前的成像方案，都根本无法准确得到景物中的各个物体到摄像机的距离信息。
[0004] 下面介绍一下光学成像的基础，并解释传统方法在深度信息提取方面的局限性。
[0005] 对于一般常规镜头成像系统来说，可以用以下公式表示：
[0006] ('=l〇?k(s) +T)
[0007] 其中，f是该成像系统所得到的图像，&是潜在的理想化的、聚焦准确时应该得到 的图像，n是该成像系统的噪声，k是该镜头系统的点扩散函数，它的函数形状特性是由光 圈形状及镜片系统所决定，其中s代表该点扩散函数k的尺寸大小，点扩散函数k与物体到 镜头的距离紧密相关，也可称之为失焦模糊函数。?表示的是卷积操作。简单地来讲，当 物体处于当前聚焦清晰位置的时候，S的尺寸会非常小，k(s)的作用很小，成像应该是清晰 的，现实意义是图像f基本等同于理想图像;当物体处于非聚焦位置的时候，S的尺寸就 会变大，k(s)的作用将是一个低通滤波器施加到本应清晰的图像上，得到的图像就是模糊 的。
[0008] 从光学系统的基础知识我们知道，点扩散函数k的形状特性是由光圈形状所决定 的。一般的常见的光圈是圆形的，或者是对称的多边形，如六边形、八边形等近似圆形的形 态。它们的点扩散函数k则是基本对称的，类似于一个高斯低通滤波器。从理论知识可以 得知，当物体位于聚焦位置的时候，k(s)非常小。当物体没有位于聚焦位置的时候，点扩散 函数尺寸就会变大。由于景物与镜头之间的距离d和k(s)的尺寸有着基本的一一对应的 关系，以往有一种方法，期望通过分析图像f，尝试通过计算获得S的大小的估计值，再来获 得景物与镜头之间的距离d。但是该方法有着严重的先天缺陷，就如该例子所显示，若只从 拍摄到的图像分析的话，当图像中的某个区域处于失焦模糊的时候，即使能够大致估算出 了可能的点扩散函数k(s)，由于距离远或近造成的点扩散函数尺寸都是变大，他们两者的 k(s)是基本相同的，因此无法准确地判断这种结果是由于该景物的距离是近了还是远了所 造成的。该问题称为景物距离估计的不确定性，这是以往方法的本质缺陷。
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题是：提供一种光圈结构及其图像处理方法，以及带有该 光圈的镜头、相机，能够获得全聚焦的图像，并获取距离信息，即景物与镜头的距离信息。
[0010] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种光圈结构，包含用于让光 线进入镜头的通孔，其特征在于：所述的通孔至少有一个形态为月牙形通孔。
[0011] 按上述光圈结构，所述的月牙形通孔由外圆弧和内圆弧构成，外圆弧和内圆弧的 两端分别连接成交点，允许通过光线的部分呈月牙形，定义所述的外圆弧的圆心向内圆弧 的圆心的向量为通孔的朝向，其中外圆弧的直径为镜头的最大光圈尺寸的直径，内圆弧的 直径为外圆弧直径的〇. 4-0. 8倍。
[0012] 优选的，所述的通孔为2个且在同一平面内，2个月牙形通孔的朝向沿二者之间的 中点中心对称。通孔的位置可以上下、左右或斜向放置，只需要朝向相对，即沿二者之间的 中点中心对称即可。使用时，并排左右放置两个镜头，各自内部安排一个月牙形光圈通孔， 形成双镜头系统。所述的2个月牙形光圈通孔的朝向相对，即沿二者之间的中点中心对称。 两个镜头的摆放位置，也可以是上下摆放，但内部的2个光圈通孔的朝向，仍然要沿二者之 间的中点中心对称。
[0013] 另一优选的，单镜头系统，其中的光圈结构为可变光圈。该光圈可以在使用中变化 其通孔形状，基本形状是上述月牙形状，朝向可以变化。获取前后两幅图像的时候，各自使 用所述的月牙形通孔的朝向相对，即2种朝向沿外圆弧的圆心中心对称。
[0014] 一种镜头，其特征在于：它包含有上述任意一项所述的光圈结构。
[0015] 一种相机，其特征在于：它包含有上述镜头。
[0016]一种相机，其特征在于：它包含2个左右并排放置的镜头，或上下并排放置的镜 头，其中每个镜头的光圈结构中的通孔均为月牙形，月牙形通孔由外圆弧和内圆弧构成，外 圆弧和内圆弧的两端分别连接成交点，允许通过光线的部分呈月牙形，定义所述的外圆弧 的圆心向内圆弧的圆心的向量为通孔的朝向，通孔的朝向为与水平方向成45 °，两个镜头 中的光圈通孔朝向相对，即沿二者之间的中点中心对称。
[0017] 一种图像处理方法，其特征在于：它包含以下步骤：
[0018]S1、分别获取2幅图像：
[0019] 2幅图像均通过上述光圈结构的相机拍摄，并且获得2幅图像时光圈结构的通孔 为月牙形通孔，月牙形通孔的朝向沿外圆弧的圆心中心对称，月牙形通孔由外圆弧和内圆 弧构成，外圆弧和内圆弧的两端分别连接成交点，定义所述的外圆弧的圆心向内圆弧的圆 心的向量为通孔的朝向；2幅图像拍摄时相机的视角、光轴朝向一致，光学成像系统相同；
[0020]S2、取2幅图像中的相同一点，及该点附近一定数量的像素窗口，计算各自像素窗 口的傅立叶变换；
[0021]S3、用每一个根据需要可选的距离范围中的d值，在频域，逐次计算得到一组该点 的频域恢复值、一组该点的频域误差评价值，与d值对应；d为景物与镜头之间的距离，按实 际需要确定取值范围；
[0022] S4、选取最小的频域误差评价值对应的d值作为该点的最佳估算距离值，对应的 频域恢复值作为该点的频域最佳恢复值；
[0023]S5、对该点的频域最佳恢复值进行反傅立叶变换，得到该点的空间域的清晰图像 值。
[0024] 按上述方法，还包括S6、逐个扫描2幅图像中需要处理的每个点，得到每个点的空 间域的清晰图像值，最终获得图像中整个需要处理部分空间域的清晰图像。
[0025] 优选的，所述的S1拍摄2幅图像所使用的光圈结构，其中一个的通孔的朝向为与 水平方向成45°。
[0026]本发明的有益效果为：
[0027] 1、通过改造了光圈通孔的形状，虽不改变成像原理，但是其成像效果与圆形光圈 的效果具有内在的不同的特性了；获得的原始图像虽然直接看起来显得更加模糊，但根据 光学系统传递原理经过分析，利用这种特殊光圈对应的图像处理方法进行反恢复运算，最 终能够获得到更清晰的图像，能够得到近中远距离都能够清晰的图像，达到极大地扩展景 深的目的，并同时获得景物中的物体距离镜头的距离信息。
[0028] 2、通过试验和推理，月牙形通孔的光圈需要成对使用，两个月牙形通孔的朝向位 置需要相对，通孔的朝向为与水平方向成45°时效果更佳，比如其中一个朝向左上45°， 另一个朝向右下45° ;或者右上和左下的放置方向。
[0029] 3、基于本发明的思想，仅需要在原光圈上稍作修改，并修改机身中的部分软件即 可达到目的，与原系统兼容性强。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明一实施例的光圈结构示意图。
[0031] 图2为本发明一实施例的成像系统示意图。
[0032] 图3为本发明一实施例的最佳估算距离值的获取示意图。
[0033] 图4为本发明一实施例的图像处理方法流程图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合具体实例对本发明做进一步说明。
[0035] 一种光圈结构，包含用于让光线进入镜头的通孔，所述的通孔至少有一个形态为 月牙形通孔。如图1所示，月牙形通孔由外圆弧和内圆弧构成，外圆弧和内圆弧的两端分别 连接成交点，其中外圆弧的直径为镜头的最大光圈尺寸的直径，内圆弧的直径为外圆弧直 径的0? 4-0. 8倍（优选为0? 6倍）。
[0036] 此处将通孔限定为具有至少有一个形态为月牙形通孔，而不是直接将通孔限定只 能为月牙形通孔的目的在于：光圈结构的通孔可以为多种形态，通常为圆形或近似圆形的 多边形，还可以根据拍摄需要，调整通孔的形态，当需要获得全聚焦的图像、或获取距离信 息时（例如在相机应用时，选择全聚焦模式），使得通孔为月牙形通孔即可。具体操作可以 是（1)更换一个月牙形通孔的光圈结构；（2)预先设置好一个遮挡物，具有与内圆弧直径相 等的圆形或扇形结构，当需要使用月牙形通孔时，在圆形或近似圆形的多边形通孔上移入 此遮挡物，使得通孔变成月牙形；（3)更换一个具有月牙形通孔光圈结构的镜头；(4)其它 满足该功能的任何形式。
[0037]优选的，定义所述的外圆弧的圆心向内圆弧的圆心的向量为通孔的朝向，通孔的 朝向为与水平方向成45 °。经过精心优化