图像复原成像系统及复原系统、图像获得方法及复原方法与流程
本发明涉及图像复原领域，特别涉及一种图像复原成像系统及图像复原系统、图像获得方法及图像复原方法。
背景技术：
在实际光学系统成像中，光学系统像差、装调误差、各类噪声及传感器非线性畸变及成像链路的不确定因素都可能造成图像的模糊。恢复清晰图像是一个反卷积的过程，利用非盲去卷积对图像进行复原的核心是如何准确估算点扩散函数(PSF，Point Spread Function)。
目前，PSF的估算可通过CODE V或Zemax等光学设计软件的仿真计算、光程差测量法、靶标法等手段获得，其中现有技术中的靶标法是在出厂前，对指定型号的相机进行不同物距下的点扩散函数标校，确定各物距下对应的点扩散函数，后续拍摄图像时，使用该指定型号相机拍摄目标物体，并对图像复原时，依据物距确定对应的点扩散函数，实现图像复原。但由于拍摄图像所使用相机与进行图像复原时对应的相机参数无法保持完全一致，对图像的复原产生误差。
因此，亟需一种提高点扩散函数测量准确性的图像复原成像系统及方法。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种图像复原成像系统及图像复原系统、图像获得方法及图像复原方法，以解决现有技术中的图像复原方法中点扩散函数测量不准确的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种图像复原成像系统，包括：
图像采集设备(7)、测距仪(6)、旋转镜架(2)、平面反射镜(1)、目标模拟器和处理器(8)；
所述目标模拟器包括成像装置(3)和靶标(4)，所述靶标(4)的零点位置位于所述成像装置(3)的焦点位置，所述成像装置(3)用于将所述靶标汇聚成像；
所述平面反射镜(1)安装在所述旋转镜架(2)上，所述旋转镜架(2)用于旋转所述平面反射镜(1)，以切换所述图像采集设备(7)采集所述目标物体的图像的光路或采集所述靶标(4)的图像的光路；
所述测距仪(6)用于测量第一距离，所述第一距离为所述图像采集设备(7)采集目标物体图像时，所述目标物体与所述图像采集设备(7)之间的距离；
所述处理器(8)根据所述测距仪(6)发送的第一距离，计算得到第二距离，所述第二距离为所述靶标(4)由所述零点位置移动的距离，使得所述靶标(4)移动所述第二距离后，依次经过所述成像装置(3)、所述平面反射镜(1)在所述图像采集设备(7)中成像时的模拟距离与所述第一距离相等。
优选地，所述目标模拟器还包括照明光源(9)，所述照明光源(9)用于照明所述靶标(4)。
优选地，还包括平移台(5)，用于承载并移动所述靶标(4)。
优选地，所述靶标为多个黑白格相间排列的黑白格靶标。
优选地，所述目标物体正对所述图像采集设备(7)，且位于所述图像采集设备(7)的光轴上。
优选地，所述成像装置(3)的光轴与所述图像采集设备(7)的光轴垂直。
本发明还提供一种图像复原系统，包括上面所述的图像复原成像系统和图像处理装置。
另外，本发明还提供一种图像获得方法，所述图像获得方法基于上面所述的图像复原成像系统，所述图像复原成像系统至少包括：图像采集设备、测距仪、旋转镜架、平面反射镜、成像装置、靶标和处理器；
所述图像获得方法包括：
旋转所述平面反射镜，使所述图像采集设备采集目标物体的图像；
用所述测距仪测量第一距离，所述第一距离为目标物体在所述图像采集设备中成像时，所述目标物体与所述图像采集设备之间的距离；
将所述第一距离发送至所述处理器，所述处理器计算得到第二距离，所述第二距离为所述靶标由零点位置移动的距离；
移动所述靶标第二距离；
旋转所述平面反射镜，使所述图像采集设备采集所述靶标的图像。
基于上面所述的图像获得方法得到的目标物体图像和靶标图像，本发明还提供一种图像复原方法，包括：
将所述靶标图像分割为多个区域；
分别计算每个区域对应的点扩散函数；
对各个区域点扩散函数进行插值处理，获得所述靶标图像全视场内所述靶标图像的点扩散函数数据；
根据获得的所述靶标图像全视场内的点扩散函数数据对目标物体图像进行去卷积计算，获得复原图像。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的图像复原成像系统包括：图像采集设备、测距仪、旋转镜架、平面反射镜、目标模拟器和处理器，所述目标模拟器包括成像装置和靶标；靶标通过成像装置模拟目标物体与图像采集设备之间的距离，通过旋转镜架与平面反射镜切换图像采集设备的光路，使得图像采集设备能够实时地分别采集目标物体图像与靶标图像，由于两个光路中图像采集设备的物距相同，使得获得的靶标图像的点扩散函数与目标物体图像的点扩散函数的相同，通过对靶标图像的点扩散函数进行测量，从而能够得到更加准确的目标物体图像的点扩散函数。
进一步的，本发明还提供图像复原系统，包括上述图像复原成像系统，能够获得与目标物体的拍摄距离相同的靶标图像以及图像处理装置；本发明还提供一种图像获得方法及图像复原方法，基于上述图像复原成像系统得到的与目标物体的拍摄距离相同的靶标图像，对所述靶标图像的点扩散函数进行计算，得到目标物体图像的点扩散函数，进而对目标物体图像进行复原，由于所述靶标图像的点扩散函数与目标物体图像的点扩散函数相同，可以根据靶标图像的点扩散函数得到目标物体图像的复原图像，且，该方法中，靶标图像与目标物体图像采用同一个图像采集设备，同样的物距，相似的拍摄环境及成像条件，使得目标物体图像点扩散函数的获得更加准确，图像复原更加清晰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种图像复原成像系统采集目标物体图像时的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种图像复原成像系统采集靶标图像时的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种图像获得方法流程图；
图4为本申请实施例提供的一种图像复原方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中的靶标法已应用于单反相机的后期图像复原软件，通过对指定型号的相机进行出厂前的标校，确定各物距下的PSF等信息，用户可选择对应型号的相机参数包进行事后的复原处理，但该方法的缺点显而易见：虽然相机型号相同，但由于加工装调误差不可能保证每台相机参数完全一致，采用预设物距对应的点扩散函数进行图像复原会产生误差，并且拍摄环境温湿度变化、物距的变化也会对PSF的测量造成影响，因此，现有的靶标法具有一定的局限性。
本发明提供一种图像复原成像系统，如图1所示，包括：图像采集设备7、测距仪6、旋转镜架2、平面反射镜1、目标模拟器和处理器8。
图像采集设备7用于采集目标物体和靶标的图像，本实施例中不限定所述图像采集设备与目标物体以及靶标的位置，优选地，所述目标物体正对图像采集设备7，且位于图像采集设备7的光轴上，使得图像采集设备能够直接采集目标物体的图像。本实施例中图像采集设备可以是相机也可以是其他能够采集得到图像的装置，本实施例中对此不做限制，优选地，所述图像采集设备为相机。
测距仪6用于测量目标物体在图像采集设备7中成像时，目标物体与图像采集设备之间的距离，本实施例中定义所述目标物体与图像采集设备之间的距离为第一距离；本实施例中优选的，所述测距仪为激光测距仪，激光测距仪在工作时向目标物体射出一束很细的激光，由光电元件接收目标物体反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，从而计算出从图像采集设备到目标物体的距离。激光测距仪具有重量轻、体积小、操作简单、速度快而准确的优点，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因此，本实施例中优选地，所述测距仪为激光测距仪。
平面反射镜1安装在旋转镜架2上，旋转镜架2用于旋转平面反射镜1，以切换图像采集设备7采集所述目标物体的图像的光路或采集所述靶标4的图像的光路；如图1所示，旋转镜架2将平面反射镜1旋转至平面反射镜所在平面与图像采集设备的光轴平行，且位于所述图像采集设备的光轴外，使得图像采集设备7能够直接拍摄目标物体的图像。如图2所示，旋转镜架2将平面反射镜1旋转至遮挡图像采集设备的光轴，从而使得所述图像采集设备能够拍摄目标模拟器中的靶标。
需要说明的是，本实施例中不限定所述平面反射镜的角度，只要能够将靶标成像到图像采集设备中即可，不限定其具体角度，优选的，如图2所示，平面反射镜的法线方向与图像采集设备的光轴成45°夹角，此时，旋转镜架的角度调节能够比较容易调到相应的角度，且所述成像装置3的光轴与所述图像采集设备的光轴垂直，位置容易设置。另外，在实际操作中，可以将靶标成像光路固定，只需要调节旋转镜架的角度即可实现目标物体与靶标的图像采集的切换。因此，本实施例中优选地，所述成像装置3的光轴与所述图像采集设备的光轴垂直。
目标模拟器包括成像装置3和靶标4，靶标4位于成像装置3的焦点位置，此时靶标的位置为零点位置。由于所述靶标位于所述成像装置的焦点位置，在成像装置另一侧以平行光出射，模拟无穷远处物体成像，当移动靶标位置时，即可模拟有限远处的物体成像，因此，本实施例提供的目标模拟器能够连续仿真无穷远至近距离的目标，设置无穷远位置为靶标零位，靠近成像装置方向移动即可仿真有限远目标。
本实施例中靶标可以为LED点光源组成的点阵靶标，也可以是黑白格相间形成的黑白格靶标板，本实施例中对此不做限定，优选地，所述靶标为多个黑白格相间排列的黑白格靶标，采用黑白格间隔排列的图案作为靶标，能够更加接近理想刀刃，以便于后续采用刀刃法获得更加精确的点扩散函数。
需要说明的是，本实施例中不限定所述成像装置的具体结构及组成部分，可以是由多个凹凸透镜组合形成的成像装置也可以为单个透镜形成的成像装置，还可以为包括其他光学元件的成像装置，本实施例中对此不做限定。为减小图像复原成像系统的体积，本实施例中优选的，所述成像装置为1个凸透镜形成的成像装置，即靶标通过凸透镜成像在平面反射镜中。平面反射镜通过改变光路的方向，将靶标成像在图像采集设备中，从而实现模拟目标物体的目的。
处理器8根据测距仪6发送的第一距离，计算得到靶标4由零点位置移动的第二距离，以使靶标4经过成像装置3成像，再经过平面反射镜1成像后，靶标4在图像采集设备7中成像时的模拟距离与第一距离相等。
具体原理为：
测距仪6测得目标物体在图像采集设备中成像时的第一距离L，依据牛顿公式：
其中，f为成像装置的焦距，d为靶标相对于零点位置向成像装置移动的距离。
处理器计算得到调焦量d：
从而把靶标4由零点位置朝向成像装置移动d距离，使得靶标经过成像装置成像后，再经过平面反射镜的成像，在图像采集设备中成像时的模拟距离与第一距离相等。
通过上述图像复原成像系统后，在平面反射镜不遮挡图像采集设备与目标物体之间的光路时，图像采集设备对目标物体采集图像，形成目标物体图像，当平面反射镜旋转，切换图像采集设备的光路至图像采集设备对靶标进行图像采集时，生成靶标图像。
图像复原成像系统在封装完成后，其内部是暗室环境，为了获得较好的靶标图像，所述图像复原成像系统中的目标模拟器还可以包括照明光源9，如图1和图2所示，照明光源9用于照明所述靶标4。
需要说明的是，所述图像复原成像系统还可以包括平移台5，用于承载并移动所述靶标4，所述平移台与所述处理器相连，根据处理器计算并发送的调焦量d(也即第二距离)，移动所述靶标，使得靶标的模拟物距与图像采集设备采集目标物体图像时的第一距离相同，从而使得图像采集设备采集靶标的图像。
本实施例中提供的图像复原成像系统，包括图像采集设备、测距仪、旋转镜架、平面反射镜、目标模拟器和处理器，目标模拟器包括成像装置和靶标；靶标通过成像装置模拟目标物体与图像采集设备之间的距离，通过旋转镜架与平面反射镜切换图像采集设备的光路，使得图像采集设备能够实时地分别采集目标物体图像与靶标图像，由于两个光路中图像采集设备的物距相同，使得获得的靶标图像的点扩散函数与目标物体图像的点扩散函数的相同，通过对靶标图像的点扩散函数进行测量，从而能够得到更加准确的目标物体图像的点扩散函数。
本发明另一实施例提供一种图像复原系统，包括上面实施例提到的图像复原成像系统和图像处理装置。
所述图像复原成像系统用于获得目标物体图像以及靶标图像，获得所述靶标图像时的模拟物距与获得所述目标物体图像时的拍摄距离(即上一实施例中所述的第一距离)相同。
所述图像处理装置根据图像复原成像系统获得的目标物体图像以及靶标图像，测量得到靶标图像的PSF，进而再根据全视场内的靶标图像PSF，对目标物体图像进行去卷积，得到复原图像。
由于本实施例中获得目标物体图像和靶标图像时，采用同一图像采集设备采集图像，且靶标模拟物距与目标物体图像形成时的第一距离相等，两者光路所在位置环境相似，目标物体与靶标距离较近的情况下，可以忽略大气湍流的影响，可以认为靶标图像的PSF与目标物体图像的PSF相同，通过对靶标图像的PSF进行测量，得到目标物体图像的PSF。采用本实施例提供的图像复原系统，能够实时获得目标物体的点扩散函数，从而提高了得到的目标物体图像的点扩散函数的准确性，为后续图像复原提供了精确的基础，使得后续图像复原能够更加清楚。
本发明实施例还提供一种图像获得方法，所述图像获得方法基于图1和图2所示的图像复原成像系统，所述图像复原成像系统至少包括：图像采集设备、测距仪、旋转镜架、平面反射镜、成像装置、靶标和处理器；本实施例中，所述图像复原成像系统还可以包括平移台等装置，所述平移台用于移动靶标的位置，模拟不同的目标物体与图像采集设备之间的距离。
所述图像获得方法，如图3所示，包括：
步骤S101：旋转所述平面反射镜，使所述图像采集设备采集目标物体的图像。
本实施例中，不限定所述图像采集设备与目标物体的位置关系，因此，只要旋转所述平面反射镜，使得所述图像采集设备采集目标物体的图像即可。当目标物体正对所述图像采集设备，且位于所述图像采集设备的光轴上时，可以将所述平面反射镜旋转至其所在平面与所述图像采集设备的光轴平行的位置。
步骤S102：用所述测距仪测量第一距离，所述第一距离为目标物体在所述图像采集设备中成像时，所述目标物体与所述图像采集设备之间的距离。
需要说明的是，上述两个步骤可以同时进行，即在进行图像采集的同时，使用测距仪测量第一距离，也可以分步进行，即测量第一距离与目标物体图像的采集分步进行，本实施例中对此不做限定。
当图像采集设备采集目标物体的图像时，保持图像采集设备与目标物体位于同一直线，且目标物体位于所述图像采集设备的光轴上。而所述平面反射镜所在平面与所述图像采集设备的光轴平行，且位于所述图像采集设备光轴之外，不遮挡目标物体与图像采集设备之间的光路。
步骤S103：将所述第一距离发送至所述处理器，所述处理器计算得到第二距离，所述第二距离为所述靶标由零点位置移动的距离。
需要说明的是，本实施例中，靶标的初始位置为成像装置的焦点位置，定义该位置为零点位置，靶标光线经成像装置后变为平行光，此时即为靶标模拟无穷远目标的情况，当需要模拟有限远的目标成像时，处理器依据第一距离计算得到第二距离，从而将靶标从零点位置移动到对应的位置上，以模拟目标物体成像时的第一距离。
步骤S104：移动所述靶标第二距离。
依据第二距离，向靠近所述成像装置的方向移动所述靶标，使得所述靶标距离所述图像采集设备的距离模拟出目标物体成像时的第一距离。
步骤S105：旋转所述平面反射镜，使所述图像采集设备采集所述靶标的图像。
根据靶标成像光路的位置，将平面反射镜旋转至其平面与图像采集设备的光轴交叉，并成一定角度，从而使得所述图像采集设备能够采集所述靶标的图像。
本实施例中，不限定所述平面反射镜所在平面与图像采集设备的光轴交叉形成的角度大小，本领域技术人员公知的，只要能将靶标形成的像，经过平面反射镜对称到图像采集设备的光轴上，即可实现模拟目标的物距，本实施例中对此不再进行赘述。优选地，本实施例中，所述平面反射镜所在平面与图像采集设备的光轴交叉形成的角度为45°，从而靶标成像光路的光轴与图像采集设备的光轴相互垂直。
本实施例中采用平面反射镜旋转，切换图像采集设备采集所述目标物体的图像的光路或采集所述靶标的图像的光路，实现目标物体成像光路与靶标成像光路的切换，两光路共用一套光学系统和图像采集设备，只是拍摄的目标不同。在近距离可忽略大气湍流的良好天气下，由于两光路的光学系统和图像采集设备均一致，保证靶标的模拟距离与目标物体距离所述图像采集设备的第一距离相同，则可认为靶标图像的PSF与目标物体图像的PSF相同，通过对靶标图像的PSF进行测量，即可获得目标图像的PSF。
本实施例提供一种图像获得方法，采用同一光学系统和同一图像采集设备实时地分别获得目标物体图像和靶标图像，所述靶标图像的PSF可以替代目标物体图像的PSF，从而能够实时获得不同拍摄距离下的目标物体图像的点扩散函数，提高了获得目标物体图像的点扩散函数的准确性。
基于上面实施例中所述图像获得方法，本发明实施例还提供一种图像复原方法，如图4所示，包括：
步骤S201：将所述靶标图像分割为多个区域。
本实施例中对靶标图像分割成多个区域的分割方法不做限定，可以从实际操作方便的角度考虑，采用不同的分割方法。
步骤S202：分别计算每个区域对应的点扩散函数。
需要说明的是，本实施中不限定所述靶标的具体形式，所述靶标可以是LED点光源组成的点阵靶标，也可以是黑白格相间形成的黑白格靶标板，本实施例中优选地，所述靶标为黑白格相间排列的黑白格靶标。
当所述图像复原成像系统中的靶标为黑白格靶标时，所述分别计算每个区域对应的点扩散函数的具体过程为：利用刀刃法分别计算每个区域对应的点扩散函数。
将靶标图像相邻的黑白格交界区域作为刀刃，即刀刃边缘近似垂直或平行于采样方向，可以更精确测量空间变化点扩散函数，并且可根据选取网格数量平衡处理速度与精度的关系，使系统满足不同的工作需要。根据刀刃法计算该区域的点扩散函数，具体过程如下：
步骤S202a：根据刀刃边缘获得边缘扩散函数曲线；
步骤S202b：对边缘扩散函数求导获得线扩散函数；
步骤S202c：对线扩散函数进行傅里叶变换得到一维MTF(光学传递函数)，然后矢量运算得到二维MTF；
步骤S202d：进行傅里叶反变换得到靶标图像的PSF。
对应靶标为LED点光源点阵的靶标，采用与其对应的点扩散函数获得方法，如点光源方法，本实施例中对此不做限定。优选采用刀刃法实现黑白格靶标的点扩散函数计算。
步骤S203：对各个区域点扩散函数进行插值处理，获得所述靶标图像全视场内所述靶标图像的点扩散函数数据。
所述对各个区域点扩散函数进行插值处理，获得全视场内的点扩散函数数据中的所述插值处理为埃尔米特(Hermite)插值处理方法。本实施例中采取三次Hermite插值的方法以获得更多位置得到点扩散函数，最终获得全视场内靶标图像的点扩散函数。
步骤S204：根据获得的所述靶标图像全视场内的点扩散函数数据对目标物体图像进行去卷积计算，获得复原图像。
由于靶标拍摄时的模拟距离与目标物体被拍摄时的第一距离相同，可以将所述靶标图像的点扩散函数认为是目标物体图像的点扩散函数，因此，本实施例中依据靶标图像的点扩散函数对目标物体图像进行去卷积计算，得到目标物体图像的复原图像。
维纳(wiener)是用来解决从噪声中提取信号的一种过滤(或滤波)方法。维纳滤波是比较高效的图像复原技术之一。本实施例中根据获得的所述靶标图像全视场内的点扩散函数数据，将所述全视场内的点扩散函数数据作为初始参数，使用维纳滤波对目标物体图像进行去卷积的得到复原图像。其中，去卷积过程包含在维纳滤波步骤中，从而实现图像复原。
维纳滤波性能好且没有迭代过程，其频域表达式可以简化为：
其中，H(u,v)表示退化函数，Sη(u,v)表示噪声的功率谱，Sf(u,v)表示未退化图像的功率谱，G(u,v)表示未退化图像的频域表达式。
本发明实施例提供一种图像复原方法，基于上面实施例提到的图像获得方法，所述图像获得方法基于上面实施例中的图像复原成像系统，所述图像复原成像系统采用平面反射镜旋入或旋出图像采集设备的光轴，实现目标物体成像光路与靶标成像光路的切换，两光路共用一套光学系统和图像采集设备，只是拍摄的目标不同，当所述平面反射镜旋入图像采集设备的光轴时，对靶标进行成像，旋出图像采集设备的光轴时，则对目标物体进行成像。在近距离可忽略大气湍流的良好天气下，由于两光路的光学系统和图像采集设备均一致，若保证靶标物距与目标物体的物距相同，则可认为靶标图像的PSF与目标物体图像的PSF相同，通过对靶标图像的PSF进行测量，即可获得目标图像的PSF。
照明光源、靶标、成像装置组成目标模拟器，可通过调节靶标与成像装置之间的距离来连续仿真无穷远至近距离的目标，设置无穷远位置为靶标零位，靠近物镜方向移动即可仿真有限远目标，从而实现模拟不同拍摄距离下的目标物体。
光学系统受像差等因素的影响并非是严格的线性空间不变系统，系统的PSF会随着视场的变化而改变，为解决空间变化点扩散函数的测量，本实施例提供的图像复原方法中，优选地，靶标图像采用黑白格板，将视场分为若干区域，对每个区域用刀刃法测量PSF，再利用三次Hermite插值进行处理，获得整幅靶标图像空间变化的PSF，最后将该PSF作为初始参数，使用维纳滤波对目标图像进行去卷积得到复原图像。
进一步地，本实施例中提供的图像复原方法，基于图像复原成像系统实时测量各物距下目标物体图像，以及获得的目标物体图像的点扩散函数，能够及时准确地反映图像采集设备的光学、采样等模糊，进而使得与现有技术中采用的事后图像复原软件相比，本发明实施例提供的图像复原方法，能够使得复原图像更接近真实结果，复原效果更好。
另外，本申请提供的图像复原方法在一定程度上可以解决景深与分辨率的矛盾。在光学检测等特定应用场合，要求实现大景深范围全聚焦成像，现有技术多采用减小光学口径或者多次聚焦图像合成的方法，势必以牺牲极限分辨率和提高成本为代价，而本申请提供的图像复原方法可通过PSF去卷积方法对衍射极限模糊图像进行复原，更加简单高效。
更进一步地，本申请中提供的图像复原成像系统结构简单，成本低廉，只需要通过改变平面反射镜的旋转角度，即可实现目标物体成像光路和靶标成像光路的切换，且目标模拟器只需要微调靶标的位置就能实现不同物距下的目标仿真，能够实时获得靶标图像和目标物体图像，进而提高了获得的目标物体图像的点扩散函数的准确性。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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