1

Статические способы увеличения глубины

резкости оптико-цифровых регистраторов

изображения

Басов И.В., Краснобаев А.А

2

Структура доклада

1. Актуальность2. Понятие глубины резкости, PSF, MTF3. Система с кодирующей апертурой4. Система с кубической фазовой маской5. Система с переносом резкости по

цветовым каналам6. Сравнение систем

3

Наблюдение протяженных объектов, изменяющихся во времени

Объективы для микроскопии

Сканеры штрих-кодов

4

Глубина резкости (DOF)

• 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 рассеяния

A B A’ B’

OO’

5

Функция рассеяния точки (ФРТ, PSF); функция передачи модуляции (ФПМ, MTF)

( ) | { ( )}|MTF u F PSF x

PSF (3D)

PSF – импульсный отклик оптической системы

MTF – зависимость контраста от пространственной частоты

6

Модификация оптики

Обычно: PSF-?

Рассмотренные ниже методы:форма пятна и зависимость от дефокусировки задается специальным образом с помощью доработки объектива

Объект Матрицацифроваяфильтрация

Объектив +

!

Резкое

изображение

7

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

8

Восстановление изображения

FFT

Нули спектра

Масштаб ядра M, дистанция L

Восстановление изображения

9

Система с размытием не зависящим от дефокусировки (с кубической фазовой маской)

MTF = const ≠ f (v), MTF ≠ 0

v – величина дефокусировки

Объект МатрицаИнверснаяфильтрация

Объектив + Промежуточноеизображение(нерезкое повсему полю)

Резкое

изображение

10

Кубическая фазовая маска

Трехмерный профиль маски

Кубический профиль фазовой маски

3 3( , ) ( )P x y x y

2 / , характеризует материал маски

11

Ход лучей вблизи плоскости фокусировки

Традиционная оптическая система (IDOF~0.2мм)

Система с применением фазовой маски (IDOF~2мм)

12

Постоянство функции рассеяния точкиа - 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

13

Система с переносом резкости по каналам

, ,

( , ) ( , )

( , )( , ) i RGB

i R G BRGB

I x y I x y

I x yM x y

Карта резкости:

Система с преднамеренно введенной продольной хроматической аберрацией

I(x,y) – яркостное распределение i-го цветового канала изображения

14

Зоны резкости цветовых каналов

Расстояние до объекта

Диа

мет

р пя

тна

расс

еяни

я

синего зеленого красного

Зоны резкого изображения для:

15

Методика сравнения

Характеристики:- MTF = f(d), где d – дефокусировка- v = f(d) – «вырезаемые частоты» в

зависимости от дефокусировки (MTF=0.2)- Отношение С/Ш

Тест-объект – штриховая мира

max min

max min

( )I I

MTF uI I

16

Сравнение методов. MTF = f(d)

Синий – с кубической маскойЖелтый – с кодированной апертуройv – пространствнная частота, пар линий/мм,d - дефокусировка

d = 0.55mm d = 1.1mm

d = 2.2mm

v

MTF

17

Сравнение методов. Области частот для которых MTF<0.2

Синий – с кубической маскойЖелтый – с кодированной апертурой

d = 2.2mm

v

d

18

Сравнение методов. С/Ш

d

SNR

Синий – с кубической маскойЖелтый – с кодированной апертурой

19

Таблица сравнения способовСпособ /

ХарактеристикаАлгоритм

восстановленияОсобенности MAX

расширение глубины

резкости, разПеренос

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

20

Список основных источниковСистема 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 channels” DxO Labs, 3 Rue Nationale, 92100 Boulogne, France.

21

Конец

счастливый