一种透射式数字成像系统设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种透射式数字成像系统设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子技术和材料工艺的飞速发展，透射式成像系统经已经由面化银胶片成像 式发展为数字成像，现在传统的数字成像系统主要由透射式光学系统和探测器系统组成， 如图1所示，目标通过透射式光学系统成像在CCD或C0MS探测器上形成数字图像，人们再 针对应用需求利用图像处理算法对数字图像进行或多或少的修正，而数字图像处理对于传 统的数字成像系统（特别是对于日常的消费相机，如卡片式相机、单镜头反射式相机）来说 并非是必要的组成部分，特别是在数字图像处理软硬件技术件日新月异的今天，如果不充 分使用数字处理技术，就一定意义上失去了所谓"数字"成像的特点，并没有完全的挖掘出 数字成像的全部优点。
[0003] 透射式数字成像系统的传统设计方法中，光学系统设计通过光线追迹理论来选择 光学元件平衡像差（离焦、崎变、像散、慧差、场曲、球差、色差），由于各级次的像差数量繁 多，远远多于光学系统结构参数的数量，且受加工装调工艺和玻璃材料类型的限制，使每种 像差都会有一定的残留，影响成像结果的清晰度，数字处理仅作为一个成像效果修正的非 必要环节，即便需要对成像结果进行增强处理光学设计也并不考虑数字处理的设计要求； 而在设计数字处理算法时，仅从数字图像字节信息出发，利用信号处理理论对图像进行清 晰度的增强使图像尽可能的满足应用需求，也不考虑光学系统的设计参数对算法设计的影 响。
[0004] 传统设计方法使光学系统设计的优劣成为决定成像质量的唯一环节，导致光学系 统的结构十分复杂。为了 "完美"校正像差，光学系统通常需要复杂的十到Ξ十片透镜构 成，同时也使得成像系统体积重量大、研发周期漫长、成本高昂。例如，我们日常使用的单反 镜头通常由10-20片透镜组成，每个镜片的焦点都要在一条直线上，否则成像就会"差之毫 厘，失之千里"，大大提高了镜头加工和装配的难度，并且镜片数量越多光能利用率也越低。 另外，尽管可W通过锐化提高对比度和平滑提高信噪比的数字处理方式来提高图像的清晰 度，但是提高信噪比和提高对比度相互制约、难W兼顾，图像平滑使邻域内像素灰度值相加 取平均必然降低对比度，图像锐化引入卷积算法必然会使噪声放大或引入新的噪声。 阳〇化]因此，为了简化透射式的光学镜头，节省成本，就需要对传统设计方法进行改进， 发挥数字处理的优势，使数字处理能够一定意义上替代光学镜头中的部分光学镜片。
【发明内容】
[0006] 本发明技术解决问题：提供一种透射式数字成像系统设计方法，使数字处理能够 补偿光学系统设计的遗留像差，从而放宽对光学系统的要求，一定程度上简化透射式光学 系统。
[0007] 本发明技术解决方案：一种透射式数字成像系统设计方法，实现步骤如下： 阳00引 （1)建立成像目标的先验模型
[0009] 成像目标先验模型包含光学设计和数字处理设计所需的成像目标先验信息，主要 包括噪声先验信息、纹理先验信息、图像统计先验信息。
[0010] (11)噪声先验信息：噪声是一个随机过程，噪声灰度值是一个随机向量，按照 其统计特性可分为：高斯噪声、Gamma噪声等。具体可W参考现有技术得W理解，在此不 做^^述。（RafaelC.GonzalezandRichardE.Woods.DigitalimageProcessin邑.3rd Edition.PrenticeHallPTR, 2007.); W11](。）纹理先验信息：纹理是自然图像的固有特征，它往往反映了目标内部的精细 结构W及具有不规则性和相似性的振荡行为。具体可W参考现有技术得W理解，在此不做 寶述。（D.MumfordandJ.Shah.Optimalapproximationsbypiecewisesmoothfunctions andassociatedvariationalproblems.Comm.PureAppl.Math. , 42:577-685, 1989.)；
[0012] (13)噪声先验信息反应了数字成像系统的噪声成分与程度，纹理先验信息反应了 图像中自然景物纹理保持特性，运两方面先验信息都用来对数字处理校正像差时加W约束 提高求解的精确度，设计参数集合表示为Qhfgpt。
[0013] 似建立光学成像系统模型
[0014] 如图5所示，光学成像系统包括光学子系统和探测器子系统，光学子系统由一系 列球面镜片组成。
[0015] (21)各个单色像差对光学调制传递函数的影响如图2所示，色差与入射波长有 关，可W通过不同折射率和色散的材料组合成双胶合透镜在一段特定的波长范围对人眼不 敏感，用数字处理的方法补偿像差的难W程度排序为：
[0016] 崎变 < 慧差 < 像散=场曲 < 离焦《球差 < 色差
[0017] 可W需根据研发周期和设计成本等因素来选择通过光学设计校正哪些不易于数 字补偿的像差，选定像差后就可W建立目标场景发出的光线与光学子系统的关系；
[001引 （2。目标场景X经光学系统调制的结果y。。。。可W表示成空间变化的卷积积分：
[0019] y〇p"c= /X(t-τ，入）h〇p"c(t,τ，入）dτ(14)
[0020] 其中，t表示图像的空间位置，τ为卷积松弛变量，λ表示入射光波长，表示 由步骤（21)中选定的像差引起的光学系统点扩散函数；
[OOW (23)、ρ。。可W通过测量光程差函数0PD(p，t，λ)波前分布获得，可就是说光学系 统的像差可W表示为真实波前和理想波前的光程差： 阳02引 h0p"c(t,τ,入）=I/A(p)expj[0PD(p,1:，λ)巧JIτp]dp|2 (巧）
[0023] 其中，p表示光学系统出瞳平面的二维坐标，A(p)表示出瞳的幅值，光学子系统的 优化就是改变光学参数使光学子系统出瞳oro函数平方均值最小。运些参数包括入射光波 段范围、光学镜片数量、镜片材质、镜片大小、镜片曲率半径、镜片间的空气间隔等，用Ω"ριι。 来表示运些设计参数组成的集合；
[0024] (24)探测器子系统相当于对光学子系统的调制结果进行采样的一个带通滤波器， 通常探测器由矩形像元构成，其传递函数可W表示为： 阳0巧]
(峨
[00%] 其中，c〇s为探测器采样频率；w为探测器方形像元的相对宽度，与填充因子有关， 当填充因子为100%时，W= 1;填充因子小于100%时，? < 1。探测器设计参数包括探测器 的像元数量、像元大小、像元形状、填充因子、量子效率等，用来表示运些设计参数组 成的集合；
[0027] (25)将光学子系统的传递函数和探测器子系统的传递函数联合起来，建立光学成 像系统传递函数模型：
[0028]
(17)
[0029] 利用成像目标先验信息获得的系统噪声即可建立光学成像系统成像模 型：
[0030]
(18)
[0031] (3)建立数字处理系统模型
[0032] 如图6所示，数字处理系统由平滑滤波器和锐化滤波器构成，用于补偿光学成像 系统的遗留像差。
[003引 （31)平滑滤波器用于降低图像的噪声，一般来讲，对大小为MiXMz的图像f(x，y) 经过一个大小为miXmz的掩模Φ(s，u)进行平滑滤波后得到的图像为：
[0034]
(19)
[0035] 平滑滤波器的基本构成都由上式发展而来，在具体实现方法上有所不同，可W是 线性也可W是非线性的，可W在空域对图像进行操作也可W在频域对图像进行操作，如中 值滤波器、阿尔法均值滤波器等；
[0036] (32)锐化滤波器用于提高图像的对比度，通常来讲，锐化滤波均与图像的梯度有 关，对于图像f(x，y)来说，其梯度可W定义为一阶微分：
[0040] 上式中，t、Gy分别表示图像在水平方向X的梯度和竖直方向y的梯度，f(x，y)表 示在坐标（X，y)处的灰度值；
[0041] 现代的锐化滤波器基本都由图像梯度发展而来，在具体实现方法上有所不同，可 W是线性也可W是非线性的，可W在空域对图像进行操作也可W在频域对图像进行操作， 如高频提升滤波器、高斯型高通滤波器等；
[0042] (33)在数字图像处理中平滑滤波和锐化滤波是相互矛盾的，平滑滤波必然会造成 图像的对比度损失，锐化滤波必然会造成图像的信噪比损失，因此，数字处理设计时必须同 时考虑运两种损失，W使像差修正效果达到最优；
[0043] (34)用Qdww来表示平滑滤波器和锐化滤波器参数组成的集合，用1表示补偿 像差后的数字图像，用W(QDwt3i|QhfgJ表示结合目标先验信息的数字处理系统传递函 数，则数字处理系统调制模型为：
[0044]
(22)