基于热扩散的全局扩散模糊深度获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于图像处理技术领域，特别涉及一种基于热扩散的全局扩散模糊深度获 取方法。
【背景技术】
[0002] 使用二维光学图像重建景物三维轮廓信息的技术是实时三维视觉观测方面研宄 的热点和前沿问题之一；目前，典型的三维视觉观测方法包括：立体视觉深度获取、聚焦深 度获取方法、离焦深度获取方法等，其中，离焦深度获取是一种利用景深有限的区域图像的 模糊程度来恢复深度的方法；相比较而言，基于离焦测度机理的三维显微视觉方法只需要 两幅图像、计算量小、适应性强等特点，因而，对实现基于二维图像的高精度三维观测更具 有实际意义。
[0003] 尽管，传统的离焦深度获取方法在宏观领域已经相对成熟，但是，在高分辨率深度 获取中仍存在以下问题：1)两幅不同摄像机参数情况下的模糊图像很难获得；摄像机的视 场和放大倍数成反比，高倍显微环境下，视场受限，既很难容纳两台摄像机同时观测，也不 允许对高倍放大的摄像机改变摄像机参数；虽然，最新的离焦深度获取方法可以通过改变 物距采集两幅模糊图像，但是，微米甚至纳米尺度的精确步进在实际应用中很难实现；2) 大光圈摄像机镜头生产困难；理论上，增大摄像机镜头的光圈是提高传统深度获取准确性 的最直接的方式；但是，实际应用中生产大光圈镜头不仅非常耗时，而且非常昂贵；更重要 的是，随着光圈增大景深变小，离焦图像的模糊度很难精确测量；3)离焦深度获取方法中 的深度敏感性与深度的平方成反比；当摄像机的放大倍数增加时，离焦深度获取方法的敏 感性就会相应地降低，应用受限，因此，研宄一种小光圈、高精度、高敏感性的深度获取方法 是十分必要的。
[0004] 最新的研宄结果表明扩散图像可以表示成清晰图像和扩散函数的卷积，而且扩散 模糊程度是由扩散函数和物体-扩散器间距离共同决定；所以，利用扩散模糊图像重建景 物深度在理论上是可行的；与传统的离焦深度获取相比，扩散深度获取具有以下优势：小 透镜情况下的高精度深度估计；远景深度获取；对透镜畸变不敏感；但是，到目前为止，关 于扩散深度获取的研宄非常少，并没有景物深度和能量扩散函数之间的严谨数学模型。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提出一种基于热扩散的全局扩散模糊深度获取方 法，以达到小透镜情况下，提高扩散模糊深度获取方法精度与灵敏度和降低成本的目的。
[0006] 本发明技术方案如下：
[0007] 基于热扩散的全局扩散模糊深度获取方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1、根据实际需求，在景物前放置一台摄像机，设定摄像机的焦距、像距、数值 孔径以及模糊圆半径与模糊度的比例系数，根据设定条件拍摄一幅正常图像1;
[0009] 步骤2、在摄像机与景物之间放置一个扩散角已知的光学扩散器，光学扩散器与摄 像机的距离根据实际需求设定，保持摄像机的焦距、像距、数值孔径以及模糊圆半径与模糊 度的比例系数不变，利用摄像机透过光学扩散器拍摄一幅同一景物扩散后的图像2,图像1 与图像2尺寸大小相同；
[0010] 步骤3、构建每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离与图像模糊程度 之间的关系，具体步骤如下：
[0011] 步骤3. 1、将图像1转化成像素点矩阵1，将图像2转化成像素点矩阵2 ;
[0012] 步骤3. 2、根据摄像机成像面上每个像素点与光轴之间的夹角、光学扩散器的扩散 角、景物实际位置到光学扩散器的距离、摄像机与光学扩散器之间的距离和摄像机的像距， 获得摄像机成像面上每个像素点的模糊圆斑半径；
[0013] 步骤3. 3、根据获得的像素点模糊圆斑半径、模糊圆半径与模糊度之间的比例关 系，构建每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离与扩散模糊程度之间的关系；
[0014] 步骤4、根据所获每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离与扩散模糊 程度之间的关系、图像1和图像2,获得每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距 离，具体步骤如下：
[0015] 步骤4. 1、设定初始时图像1中全部像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距 离相同，均等于摄像机拍摄景物清晰度最高时，摄像机到景物的距离与摄像机到光学扩散 器的距离之差，设定总亮度差阈值，所述的总亮度差为图像2中每个像素点的亮度与实际 扩散图像中对应像素点的亮度之差的总和，并设置每一次迭代时，每个像素点所对应景物 实际位置到光学扩散器当前距离的增量值，即步长；
[0016] 步骤4. 2、以图像1为扩散源，图像2为扩散目标，对图像1进行扩散，并获得实际 扩散后图像中每个像素点的亮度，对图2中每个像素点的亮度与实际扩散图像中对应像素 点的亮度之差求和，得到总亮度差；
[0017] 步骤4. 3、判断所获总亮度差是否大于设定的总亮度差阈值，若是，执行步骤4. 4， 否则，执行步骤4. 5;
[0018] 步骤4. 4、设置每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的当前距离增加一个 步长，继续扩散，返回步骤4. 2继续迭代；
[0019] 步骤4. 5、停止迭代，此时每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离即为 每个像素点的深度值；
[0020] 步骤5、根据获得的每个像素点的深度值，构建景物的3D形貌图像。
[0021] 步骤3. 2所述的获得摄像机成像面上每个像素点的模糊圆斑半径，由以下公式确 定：
[0022]
【主权项】
1. 一种基于热扩散的全局扩散模糊深度获取方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤1、根据实际需求，在景物前放置一台摄像机，设定摄像机的焦距、像距、数值孔径 以及模糊圆半径与模糊度的比例系数，根据设定条件拍摄一幅正常图像1; 步骤2、在摄像机与景物之间放置一个扩散角已知的光学扩散器，光学扩散器与摄像机 的距离根据实际需求设定，保持摄像机的焦距、像距、数值孔径以及模糊圆半径与模糊度的 比例系数不变，利用摄像机透过光学扩散器拍摄一幅同一景物扩散后的图像2,图像1与图 像2尺寸大小相同； 步骤3、构建每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离与图像模糊程度之间 的关系，具体步骤如下： 步骤3. 1、将图像1转化成像素点矩阵1，将图像2转化成像素点矩阵2 ; 步骤3. 2、根据摄像机成像面上每个像素点与光轴之间的夹角、光学扩散器的扩散角、 景物实际位置到光学扩散器的距离、摄像机与光学扩散器之间的距离和摄像机的像距，获 得摄像机成像面上每个像素点的模糊圆斑半径； 步骤3. 3、根据获得的像素点模糊圆斑半径、模糊圆半径与模糊度之间的比例关系，构 建每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离与扩散模糊程度之间的关系； 步骤4、根据所获每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离与扩散模糊程度 之间的关系、图像1和图像2,获得每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离，具 体步骤如下： 步骤4. 1、设定初始时图像1中全部像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离相 同，均等于摄像机拍摄景物清晰度最高时，摄像机到景物的距离与摄像机到光学扩散器的 距离之差，设定总亮度差阈值，所述的总亮度差为图像2中每个像素点的亮度与实际扩散 图像中对应像素点的亮度之差的总和，并设置每一次迭代时，每个像素点所对应景物实际 位置到光学扩散器当前距离的增量值，即步长； 步骤4. 2、以图像1为扩散源，图像2为扩散目标，对图像1进行扩散，并获得实际扩散 后图像中每个像素点的亮度，对图2中每个像素点的亮度与实际扩散图像中对应像素点的 亮度之差求和，得到总亮度差； 步骤4. 3、判断所获总亮度差是否大于设定的总亮度差阈值，若是，执行步骤4. 4,否 贝丨J，执行步骤4. 5; 步骤4. 4、设置每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的当前距离增加一个步长， 继续扩散，返回步骤4. 2继续迭代； 步骤4. 5、停止迭代，此时每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离即为每个 像素点的深度值； 步骤5、根据获得的每个像素点的深度值，构建景物的3D形貌图像。
2. 根据权利要求1所述的基于热扩散的全局扩散模糊深度获取方法，其特征在于：步 骤3. 2所述的获得摄像机成像面上每个像素点的模糊圆斑半径，由以下公式确定：
其中，b表示扩散模糊圆斑的半径，v表示摄像机的像距，0表示光学扩散器的扩散角，Z表示每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离，U表示摄像机到光学扩散器的 距离，a表示每个像素点与光轴之间的夹角。
3. 根据权利要求1所述的基于热扩散的全局扩散模糊深度获取方法，其特征在于：步 骤3. 3所述的景物实际位置到光学扩散器的距离与扩散模糊程度之间的关系，由以下公式 确定：
其中，〇表示每个像素点的模糊度，b表示扩散模糊圆斑的半径，Y表示模糊圆半径与 模糊度之间的比例系数，取值范围为[〇.5，1.5]，v表示摄像机的像距，0表示光学扩散器 的扩散角，Z表示每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离，U表示摄像机到光学 扩散器的距离，a表示每个像素点与光轴之间的夹角； 对公式（2)进行转化，获得每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器之间距离的计 算公式如下：
4. 根据权利要求1所述的基于热扩散的全局扩散模糊深度获取方法，其特征在于：步 骤4. 2所述的得到总亮度差，计算公式如下：
其中，F⑵表示总亮度差，u(y，z，At)表示像素点（y，z)经过At时间的图像亮度，E2(y，z)表示像素点（y，z)扩散后的图像亮度，dydz表示y方向和z方向的单位亮度变化， P表示规格化参数，取值范围为P大于〇, ▽表示梯度算子，Z表示每个像素点对应景物实 际位置到光学扩散器的距离，k表示优化参数，取值范围为k大于0。
【专利摘要】本发明一种基于热扩散的全局扩散模糊深度获取方法，属于图像处理技术领域；该方法首先根据设定条件拍摄一幅正常图像1，利用摄像机透过光学扩散器拍摄一幅同一景物扩散后的图像2，然后构建每个像素点对应景物实际位置到光学扩散器的距离与图像模糊程度之间的关系，最后获得每个像素点的深度值，构建景物的3D形貌图像，本发明把物理学中的热扩散机理融入了光学模糊成像中，只利用一台摄像机进行深度获取，在不改变任何摄像机参数的情况下，建立了基于光学扩散器的扩散模糊与景物3D深度之间的严谨数学模型，在小透镜情况下进行高精度深度估计，对透镜畸变不敏感，提高了景物深度获取方法的精度和灵敏度，降低了成本。
【IPC分类】G06T7-00
【公开号】CN104574369
【申请号】CN201410803429
【发明人】魏阳杰, 王 义
【申请人】东北大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月19日