专利名称：一种用于光场成像的数字对焦方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种成像方法及装置，尤其涉及一种用于光场成像的数字对 焦方法及装置。
光场成像的概念由Marc Levoy和Ren Ng等人提出并发展。主要是指通过 在传统光学成像系统中利用孔径分割或加入调制掩模的方法来获得目标光辐 射的空间分布和辐射传输的方向信息，即相机内的四维光场。通过对光场数 据进行计算处理，得到重新对焦在指定深度目标的合成图像，实现数字对 焦。
相^L内的光场分布可以用两个平面间的光流来表示，如图1所示，平面 (u,v)是成像系统的光瞳面，平面(x，y)是探测器面，两平面间的距离为F,由 积分成像可得，探测器面成像公式为
其中，^G，力是探测器面上的辐照强度。LF(;c,3;,",v)代表成像系统内的
光场，且与物空间的目标光场存在对应关系。
利用光场传播的可追踪性，对光场分布信息进行重采样和适当计算处理 能够合成获得景象中某一深度目标的清晰图像，其效果等价于普通成像系统 准确调焦后拍摄的图像。这一合成图像过程可以称之为"数字对焦"。不同 的是这种技术可以达到先拍摄后对焦的目的，降低了实现精密对焦的难度和 复杂度。
背景技术：
空间域的源于积分成像的数字对焦公式
其中，(A _V,",v) = 4. (" (1 — + x/ , v(1 — 1/a) + y/a,",v)是重对焦图像的光
场分布，且尸= ^,"是表征不同对焦深度的参数，改变其值就可以得到不 同对焦深度的图像。
可以将传统成像技术中用于自动对焦的图像清晰度评价方法运用于数字
对焦当中，下面以单目标光场图像为例进行说明
图2为模拟仿真的单目标光场图像，已知的目标离焦参数为 "=0.97524。根据光场数据，取不同的"值进行数字对焦，得到重构图像序 列。"值的范围为0.935到1.015, 取值间隔为0.01。分别对每一幅重构图 像进行清晰度评价值计算，得到图3所示曲线，图中横坐标为"值，纵坐标 为重构图像的清晰度评价值。可以看出当"=0.975时取得最值，和已知参数 基本一致。
对于图像中具有多个目标的情形，现有的直接应用图像清晰度评价方法 的数字对焦方法是首先将二维光场图像转化为四维光场数据，在一定的范 围内选取的对焦参数值，按照每个对焦参数值重构二维图像，得到重构图像 序列，对每个图像中的选定目标部分进行图像清晰度评价，找到图像清晰度 评价值最高时的对焦参数值，从而得到选定目标清晰度最佳的图像。
现有的这种方法得到的重构图像序列，每幅图像数据都是从整幅图像的 四维光场数据经过图像重构转化为二维光场数据得到的，使得转化过程中计 算复杂、计算量大，计算时间长。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种用于光场成 像的数字对焦方法及成像设备，本方法减小参与数字对焦图像重构的数据量，更准确覆盖目标区域，缩短计算时间。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
一种用于光场成像的数字对焦方法，包括以下步骤，
获得图像光场数据；
确定将要进行数字对焦的图像中目标的窗口范围；
从已获得的图像光场数据中得到所述窗口的光场数据；
根据已获得的窗口的光场数据，按照不同的对焦参数进行窗口图像重
构，得到图像序列；
对所述图像序列分别进行图像清晰度计算，得到使目标图像最佳的对焦
参数值；
根据最佳的对焦参数值，生成对焦于目标的重构图像。 所述窗口范围的确定方式包括使目标占据所述窗口的中央区域。 一种用于光场成像的数字对焦装置，包括图像数据处理单元、图像清 晰度计算单元和图像生成单元，其中
图像数据处理单元，用于获得图像光场数据，从已获得的图像光场数据 中得到选定窗口的光场数据，并且按照不同的对焦参数进行窗口图像重构， 得到图像序列；
图像清晰度计算单元，用于对所述图像数据处理单元得到的图像序列分 别进行图像清晰度计算，得到图像清晰度评价值最高的对焦参数值；
图像生成单元，用于根据所述图像清晰度计算单元得到的对焦参数值生 成对焦于目标的重构图像。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的方法减小了参与 图像重构的数据量，从而节省了时间。
图l为相机内光场参数示意图； 图2为模拟仿真的单目标光场图像；图3为图2中所示图像的清晰度评价值曲线；
图4为 一幅利用微透镜进行孔径分割的光场相机拍摄的实际图像；
图5为选定窗口的光场数据对应不同对焦参数的评价函数值曲线图6为对焦在人像雕塑的整幅重构图像；
图7用于光场成像的数字对焦装置示意图。
具体实施例方式
本发明的用于光场成像的数字对焦方法，首先获得二维光场图像，并将
其转化为四维光场数据；在现有图像中确定将要进行数字对焦的目标的窗口
范围，使目标占据所述窗口的大部分区域；从二维光场图像数据中获得所述 窗口的二维光场数据，并将其转化为四维光场数据；根据已获得的窗口的四 维光场数据，按照不同的对焦参数进行窗口图像重构，得到图像序列；对所 述图像序列分别进行图像清晰度评价，得到图像清晰度评价值最高时的对焦 参数值，按照这个对焦参数值将现有图像的四维光场数据进行数字对焦图像 重构，得到对焦于选定目标的整幅图像。
进行数字对焦时，在初始图像中进行窗口的选择很重要，选取合适的窗 口主要有两个目的(l)减少参加运算的像素数量；(2)排除非主要部分(背景) 对主要目标评价结果的负面影响。当图像中含有多个目标时，尤其需要进行 目标窗口的选才爭。
本发明较佳的具体实施方式
为参照图4，图4为一幅由美国斯坦福大学 利用微透镜进行孔径分割的光场相机拍摄的实际图像，二维图像形式尺寸为 4096x4096，转化成四维光场数据为256x256x16x16 。其中三个目标分别位于 不同的深度，分别为门洞"=0.97、屋檐"=1.00和人像"=1.04，"为表征 不同对焦深度的参数，改变其值就可以得到不同对焦深度的图像。对于如图 4的多目标情况，则应当充分利用光场成像的特点结合窗口选取进行图像清 晰度评价，从而实现快速准确地数字对焦。
若我们以人像雕塑作为目标，则应当选择较准确覆盖目标范围的窗口作 为评价区域。通过观察图4，选定覆盖人像部分的l00xl00的窗口 (如图6中白 色方框)，此窗口的二维光场图像部分尺寸为1600x1600，转化为四维光场数据为100 x 100 x 16 x 16人像部分位于窗口的中央区域，最好将人像部分占据窗口
的大部分区域且尽量少覆盖其它目标，窗口最好为正方形。从获得的光场图 像数据中抽取选定窗口范围的光场数据(100xl00x1^16)，按不同对焦参数"
进行图像对焦重构，得到图像序列，"值的范围为0.92到1.07,取值间隔为
0.01。使用适当的评价函数对每个图像进行图像清晰度评价值计算。图5显示
了选定窗口的光场数据对应不同对焦参数的图像清晰度评价值曲线，横坐标
为对焦参数，纵坐标为重构图像的清晰度评价值。可见，在《=1.04处时取得
最值，与给定条件一致，结果准确。将初始大小的光场图像(4096x4096 )按 该"值进行数字对焦图像重构就可以得到对焦于选定目标的整幅图像。图6为 对焦在人像雕塑的整幅重构图像。从图中可以看出人像部分非常清晰。
图像清晰度评价方法是将评价清晰度函数运用于需要评价的图像中。图
像清晰度评价函数分为四类灰度梯度函数、图像变换函数、信息学函数和 统计学函数。例如，我们选取灰度梯度函数中的Tenengrad函数作为评价函 数
其梯度幅度G々，力，A"力模板分别为
<formula>formula see original document page 7</formula>
Tenengrad函数作用时先加^5L平均然后再樣i分，并分别对水平和垂直方 向进行模板运算，对噪声有一定的抑制能力。
将现有的数字对焦方法和本发明的数字对焦方法编程实现进行比较，实 验平台为CPU:intelP42.8G,内存2G， matlab7.1,现有方法得到对焦图像序 列及评价值曲线用时281s，改进后的方法用时75s，得到的结果是一致的。 两种方法重构图像的目标是相同的，本发明由于参与数字对焦的数据量小从 而节省了时间。本发明实施例还提供了 一种用于光场成像的数字对焦装置，如图7所
示，包括图像数据处理单元、图像清晰度计算单元和图像生成单元；图像 数据处理单元用于获得光场图像数据，从已获得的光场图像数据中得到选定 窗口的光场数据，并且按照不同的对焦参数进行窗口图像重构，得到图像序 列；图像清晰度计算单元用于对所述图像数据处理单元得到的图像序列分别 进行图像清晰度计算，得到图像清晰度评价值最高的对焦参数值；图像生成 单元根据图像清晰度计算单元得到的对焦参数值生成目标图像。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻 易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的 保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1、一种用于光场成像的数字对焦方法，其特征在于，包括获得图像光场数据；确定将要进行数字对焦的图像中目标的窗口范围；从已获得的图像光场数据中得到所述窗口的光场数据；根据已获得的窗口的光场数据，按照不同的对焦参数进行窗口图像重构，得到图像序列；对所述图像序列分别进行图像清晰度计算，得到使目标图像最佳的对焦参数值；根据最佳的对焦参数值，生成对焦于目标的重构图像。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述窗口范围的确定方式 包括使目标占据所述窗口的中央区域。
3、 一种用于光场成像的数字对焦装置，其特征在于，包括图像数据 处理单元、图像清晰度计算单元和图像生成单元，其中:图像数据处理单元，用于获得图像光场数据，从已获得的图像光场数据 中得到选定窗口的光场数据，并且按照不同的对焦参数进行窗口图像重构， 得到图像序列；图像清晰度计算单元，用于对所述图像数据处理单元得到的图像序列分 别进行图像清晰度计算，得到图像清晰度评价值最高的对焦参数值；图像生成单元，用于根据所述图像清晰度计算单元得到的对焦参数值生 成对焦于目标的重构图像。
全文摘要
本发明所述的一种用于光场成像的数字对焦方法及装置。首先从二维光场图像中选择目标的窗口范围，抽取窗口范围内的光场数据，根据不同对焦参数，进行目标图像重构，得到图像序列，对图像序列进行图像清晰度评价，找到最佳对焦参数值，从而得到目标清晰度最佳的重对焦图像。本发明减小了参与图像重构的数据量，从而节省了数字对焦的时间。
文档编号H04N5/232GK101562701SQ20091008090
公开日2009年10月21日 申请日期2009年3月25日 优先权日2009年3月25日
发明者宇 周, 周志良, 张修宝, 胡煌华, 艳 袁 申请人:北京航空航天大学