1 Статические способы увеличения глубины резкости оптико- цифровых регистраторов изображения Басов И.В., Краснобаев А.А

2 Структура доклада 1.Актуальность 2.Понятие глубины резкости, PSF, MTF 3.Система с кодирующей апертурой 4.Система с кубической фазовой маской 5.Система с переносом резкости по цветовым каналам 6.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 AB AB O O

5 Функция рассеяния точки (ФРТ, PSF); функция передачи модуляции (ФПМ, MTF) 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 Матрица цифровая фильтрация Объектив + ! Резкое изображение

7 Системы с кодированной апертурой y = f k x Y = F k · X, x - резкое изображение, f k – пятно размытия - ядро масштаба k (зависит от величины дефокусировки), y – изображение в плоскости сенсора, - операция свертки. F k (u n ) = 0 Y(u n ) = 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 Матрица Инверсная фильтрация Объектив + Промежуточное изображение (нерезкое по всему полю) Резкое изображение

10 Кубическая фазовая маска Трехмерный профиль маски Кубический профиль фазовой маски 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 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

13 Система с переносом резкости по каналам 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 Диаметр пятна рассеяния синегозеленогокрасного 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

16 Сравнение методов. MTF = f(d) Синий – с кубической маской Желтый – с кодированной апертурой v – 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

18 Сравнение методов. С/Ш d SNR Синий – с кубической маской Желтый – с кодированной апертурой

19 Таблица сравнения способов Способ / Характеристика Алгоритм восстановления ОсобенностиMAX 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

20 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) US – Оптические системы с расширенной глубиной поля зрения, W.T.Cathey, E.R.Dowski, 2008г. 3) US – 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 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)US – 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 ( 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, Boulogne, France.

21 Конец счастливый