Статические способы увеличения глубины резкости оптикоцифровых регистраторов изображения Басов И.В., Краснобаев А.А 1 Структура доклада Актуальность Понятие глубины резкости, PSF, MTF Система с кодирующей апертурой Система с кубической фазовой маской Система с переносом резкости по цветовым каналам 6. Сравнение систем 1. 2. 3. 4. 5. 2 Наблюдение протяженных объектов, изменяющихся во времени Объективы для микроскопи и Сканеры штрих-кодов 3 Глубина резкости (DOF) A O’ B A’ B’ O • Если пара «пятен рассеяния» для интересующих соседних точек объекта может быть различена приемником излучения (ПИ) – объект «в фокусе» • Интервал в котором объекты попадают «в фокус» - «глубина резкости» • Изменяя диафрагму можно менять пятно 4 рассеяния Функция рассеяния точки (ФРТ, PSF); функция передачи модуляции (ФПМ, MTF) PSF (3D) PSF – импульсный отклик оптической системы MTF – зависимость контраста от пространственной частоты MTF (u) | F{PSF (x)}| 5 Модификация оптики Объектив + ! Объект Обычно: PSF-? Рассмотренные ниже методы: форма пятна и зависимость от дефокусировки задается специальным образом с помощью доработки объектива Матрица цифровая фильтрация Резкое изображение 6 Системы с кодированной апертурой y = fk ● x Y = Fk · X, x - резкое изображение, fk – пятно размытия - ядро масштаба k (зависит от величины дефокусировки), y – изображение в плоскости сенсора, ● - операция свертки. Fk(un) = 0 → Y(un) = 0 Кодирование: → Нулевым значениям полученного изображения в частотной области можно сопоставить масштаб фильтра и глубину расположения предмета на наблюдаемой сцене 7 Восстановление изображения FFT Нули спектра Восстановление изображения Масштаб ядра M, дистанция L 8 Система с размытием не зависящим от дефокусировки (с кубической фазовой маской) Объектив + Объект MTF = const ≠ f (v), MTF ≠ 0 Промежуточное изображение (нерезкое по Матрица всему полю) Инверсная фильтрация Резкое изображение v – величина дефокусировки 9 Кубическая фазовая маска Кубический профиль фазовой маски Трехмерный профиль маски P( x, y) ( x3 y 3 ) 2 / , характеризует материал маски 10 Ход лучей вблизи плоскости фокусировки Традиционная оптическая система (IDOF~0.2мм) Система с применением 11 фазовой маски (IDOF~2мм) Постоянство функции рассеяния точки а - в плоскости фокусировки традиционной оптической системы b – при дефокусировке традиционной оптической системы c, d – в плоскости фокусировки и при дефокусировке системы с кубической фазовой маской 12 Система с переносом резкости по каналам Система с преднамеренно введенной продольной хроматической аберрацией Карта резкости: M i R,G ,B ( x, y) I i ( x, y ) I RGB ( x, y ) I RGB ( x, y ) I(x,y) – яркостное распределение i-го цветового канала изображения 13 Диаметр пятна рассеяния Зоны резкости цветовых каналов Зоны резкого изображения для: синего зеленого красного Расстояние до объекта 14 Методика сравнения Тест-объект – штриховая мира I max I min MTF (u ) I max I min Характеристики: - MTF = f(d), где d – дефокусировка - v = f(d) – «вырезаемые частоты» в зависимости от дефокусировки (MTF=0.2) - Отношение С/Ш 15 Сравнение методов. MTF = f(d) MTF d = 0.55mm d = 2.2mm v d = 1.1mm Синий – с кубической маской Желтый – с кодированной апертурой v – пространствнная частота, пар линий/мм, 16 d - дефокусировка Сравнение методов. Области частот для которых MTF<0.2 d = 2.2mm d v Синий – с кубической маской Желтый – с кодированной апертурой 17 Сравнение методов. С/Ш SNR d Синий – с кубической маской Желтый – с кодированной апертурой 18 Таблица сравнения способов Способ / Характеристика Алгоритм восстановления Особенности MAX расширение глубины резкости, раз Перенос резкости по цветовым каналам Основан на априорных данных об оптическом тракте Эффективен только для многоцветных объектов Зависит от объектива и спектра объекта Кубическая маска Инверсный фильтр Сложность изготовления маски ~4; ограничена динамическим диапазоном (ДД) регистратора Кодированная апертура Многоитерационные нелинейные / основанные на статистических особенностях изображения сцены ФРТ объектива как правило изменяется по полю ~10; ограничена вычислителем и ДД регистратора 19 Список основных источников Система с кубической фазовой маской: 1) “Extended depth of field through wave-front coding”, W.T.Cathey, E.R.Dowski, APPLIED OPTICS, выпуск 34, №11, 1995г. 2) US7436595 – Оптические системы с расширенной глубиной поля зрения, W.T.Cathey, E.R.Dowski, 2008г. 3) US6842297 – Оптика кодирования волнового фронта, E.R.Dowski, 2005г. 4) “New paradigm for imaging systems”, W.T.Cathey, E.R.Dowski, APPLIED OPTICS, выпуск 41, №29, 2002г. 5) Сайт www.colorado.edu Система с кодированной апертурой: 1) A.Levin, R.Fergus, F. Durand, W. T. Freeman «Image and Depth from a Conventional Camera with a Coded Aperture», Massachusetts Institute of Technology, Computer Science and Articial Intelligence Laboratory. 2) US6737652 – Получение изображений с помощью кодированной апертуры, R.C.Lanza, R.Accorsi, F.Gasparini, 2004г. 3) “Coded Aperture Projection”, M. Grosse, O. Bimber, Bauhaus-University Weimar (www.uni-weimar.de/) 4) “Coded Aperture”, Computational Photography, выпуск 07, 2008г., Thai Hoa Система с переносом резкости по каналам: 1) F. Guichard, Hoang Phi Nguyen, R. Tessières, M. Pyanet, I. Tarchouna, F. Cao ”Extended depth-of-field using sharpness transport across color 20 channels” DxO Labs, 3 Rue Nationale, 92100 Boulogne, France. Конец счастливый 21