一種數(shù)字成像系統(tǒng)的光學(xué)和數(shù)字聯(lián)合設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種數(shù)字成像系統(tǒng)的光學(xué)和數(shù)字聯(lián)合設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)和材料工藝的飛速發(fā)展，成像系統(tǒng)經(jīng)已經(jīng)由鹵化銀膠片成像式發(fā)展 為數(shù)字成像，現(xiàn)在傳統(tǒng)的數(shù)字成像系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)和探測器系統(tǒng)組成，目標(biāo)通過光學(xué) 系統(tǒng)成像在CCD或COMS探測器上形成數(shù)字圖像，人們再針對應(yīng)用需求利用圖像處理算法對 數(shù)字圖像進行或多或少的修正，而數(shù)字圖像處理對于傳統(tǒng)的數(shù)字成像系統(tǒng)來說并非是必要 的組成部分，這樣，就一定意義上失去了所謂"數(shù)字"成像的特點，并沒有完全的挖掘出數(shù)字 成像的全部優(yōu)點。
[0003] 傳統(tǒng)的數(shù)字成像系統(tǒng)設(shè)計方法主要分為兩個步驟：第一步，用基于光線追跡的方 法對光程差函數(shù)（或者波像差）進行優(yōu)化來設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)。光程差函數(shù)（或者波像差）是 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計首要考慮的因素，其可以通過離焦、畸變、像散、慧差、場曲、球差、色差來 表示，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計就是要平衡這些像差，使鏡頭出瞳光程差函數(shù)平方的均值最小，來滿足 成像系統(tǒng)設(shè)計要求。第二步，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計完畢后，需要根據(jù)需求對光學(xué)系統(tǒng)的成像結(jié)果 進行數(shù)字處理來提高圖像的視覺效果，主要包括提高信噪比、提高對比度等?？偟膩碚f傳統(tǒng) 的設(shè)計方法是一種順序隊列式的設(shè)計，光學(xué)設(shè)計和數(shù)字處理相互獨立。
[0004] 傳統(tǒng)設(shè)計方法使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣成為決定成像質(zhì)量的唯一環(huán)節(jié)，為了"完美" 校正像差，光學(xué)鏡頭通常需要多片鏡片構(gòu)成，鏡片的曲率也可能是非球面的，這導(dǎo)致鏡頭加 工、裝調(diào)、檢測異常困難，使成像系統(tǒng)體積重量大、研發(fā)周期漫長、成本高昂。然而，不管鏡片 數(shù)量再多、曲率再復(fù)雜也遠不及各個級次像差的數(shù)量，每種像差仍會有一定的殘留，影響成 像的清晰度。另外，盡管可以通過銳化提高對比度和平滑提高信噪比的數(shù)字處理方式來提 高圖像的清晰度，但是提高信噪比和提高對比度相互制約、難以兼顧，圖像平滑使鄰域內(nèi)像 素灰度值相加取平均必然降低對比度，圖像銳化引入卷積算法必然會使噪聲放大或引入新 的噪聲。并且光學(xué)設(shè)計和數(shù)字處理設(shè)計在設(shè)計上相互獨立，不成體系。
[0005] 因此，需要對傳統(tǒng)設(shè)計方法進行改進，使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)字信號處理有機結(jié)合， 為簡化數(shù)字成像系統(tǒng)提供一種解決途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明技術(shù)解決問題：提供一種使光學(xué)設(shè)計和數(shù)字處理相互聯(lián)系的數(shù)字成像系統(tǒng) 設(shè)計方法，使數(shù)字處理能夠有效的補償光學(xué)系統(tǒng)的遺留像差，實現(xiàn)光學(xué)設(shè)計和數(shù)字處理設(shè) 計的聯(lián)合迭代優(yōu)化，用數(shù)字處理分擔(dān)光學(xué)系統(tǒng)的壓力，一定程度上降低了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜 度。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種數(shù)字成像系統(tǒng)的光學(xué)和數(shù)字聯(lián)合設(shè)計方法，實現(xiàn)步驟 如下：
[0008] (1)建立成像目標(biāo)的先驗?zāi)Ｐ?br>[0009] 成像目標(biāo)先驗?zāi)Ｐ桶鈱W(xué)設(shè)計和數(shù)字處理設(shè)計所需的成像目標(biāo)先驗信息，主要 包括物理先驗信息、噪聲先驗信息、紋理先驗信息、成像過程先驗信息。
[0010] (11)物理先驗信息：功率譜密度函數(shù)反應(yīng)了目標(biāo)空間頻率的變化范圍，具體 可以參考現(xiàn)有技術(shù)得以理解，在此不做贊述。（P.D.Welch.TheuseoffastFourier transformsfortheestimationofpowerspectra:Amethodbasedontime averagingovershortmodifiedperiodograms.IEEETransactionsonAudioand Electroacoustics15,70-73(1967).)；
[0011] (12)噪聲先驗信息：噪聲是一個隨機過程，噪聲灰度值是一個隨機向量，按照 其統(tǒng)計特性可分為：高斯噪聲、Gamma噪聲、泊松噪聲、瑞利噪聲。在空間域，噪聲灰度值 是隨機跳變的；在頻率域，噪聲信息在高頻段，具體可以參考現(xiàn)有技術(shù)得以理解，在此不 做贊述。(RafaelC.GonzalezandRichardE.Woods.DigitalimageProcessing. 3rd Edition.PrenticeHallPTR, 2007.)；
[0012] (13)紋理先驗信息：紋理是引起人類視覺系統(tǒng)感知理解的最重要因素，是由許 多周期性的相互接近、相互編織的模式和灰度（顏色）在空間以一定形式變化而產(chǎn)生的 圖案。紋理是自然圖像的固有特征，它往往反映了目標(biāo)內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)以及具有不規(guī) 則性和相似性的振蕩行為。如Mumford-Shah模型、全變分模型等。具體可以參考現(xiàn)有 技術(shù)得以理解，在此不做贊述。（D.MumfordandJ.Shah.Optimalapproximationsby piecewisesmoothfunctionsandassociatedvariationalproblems.Comm.PureAppl. Math. , 42:577-685, 1989.)；
[0013] (14)成像過程先驗信息：目標(biāo)在光學(xué)系統(tǒng)中的成像結(jié)果可以認(rèn)為是一個與像 差有關(guān)的隨機統(tǒng)計量，即光學(xué)系統(tǒng)成像結(jié)果可以表示成條件概率：P{T9=Ylhz =t8}，其中，I； 一 ^表示離焦、畸變、像散、慧差、場曲、球差、色差等光學(xué)像 差，T7表示為探測器造成的清晰度下降，1\表示為噪聲引起的清晰度下降，下標(biāo)0-9表 示了清晰度狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，如果光學(xué)像差、探測器、噪聲是相互獨立的，則光學(xué)系統(tǒng)的成像 結(jié)果可以用Markov隨機場來表示。例如，可以用經(jīng)典的高斯-馬爾可夫隨機場來刻畫 圖像的統(tǒng)計分布：
【主權(quán)項】
1. 一種數(shù)字成像系統(tǒng)的光學(xué)和數(shù)字聯(lián)合設(shè)計方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下： (1) 建立成像目標(biāo)先驗?zāi)Ｐ? 成像目標(biāo)先驗?zāi)Ｐ桶鈱W(xué)設(shè)計和數(shù)字處理設(shè)計所需的成像目標(biāo)先驗信息，包括物理 先驗信息、噪聲先驗信息、紋理先驗信息、成像過程先驗信息；用光學(xué)設(shè)計和數(shù)字處理聯(lián)合 對光學(xué)像差進行修正屬于數(shù)學(xué)的逆問題，成像目標(biāo)先驗信息為求解這個逆問題提供了約束 條件，成像目標(biāo)先驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計參數(shù)集合表示為DTawt; (2) 建立光學(xué)成像系統(tǒng)模型 光學(xué)成像系統(tǒng)包括光學(xué)子系統(tǒng)和探測器子系統(tǒng)，光學(xué)子系統(tǒng)對目標(biāo)發(fā)出的光線進行采 集，探測器子系統(tǒng)對光學(xué)子系統(tǒng)采集的信息進行再采集形成數(shù)字圖像，利用數(shù)字處理來補 償各種光學(xué)像差的難度由易到難排序為： 畸變 < 慧差 < 像散 <