單透鏡構(gòu)建高分辨率成像系統(tǒng)

惠澤方 劉長(zhǎng)青

摘要：采用一片焦距35 mm的雙凸透鏡和特定的CMOS圖像傳感器對(duì)IS012233標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試卡進(jìn)行成像。成像圖片顛倒以及水平切除并隨機(jī)放置枯葉圖片進(jìn)行測(cè)試，對(duì)成像系統(tǒng)的適應(yīng)能力、自動(dòng)識(shí)別和排除干擾能力有了更高的要求，系統(tǒng)的研究了攝像頭硬件設(shè)計(jì)制作、光路的搭建、數(shù)字圖像處理和存儲(chǔ)以及程序算法等。在硬件設(shè)計(jì)方面采用USB驅(qū)動(dòng)芯片CY7C68013和同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器MT48LC16M16A2來(lái)傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計(jì)方面通過(guò)Visual studio程序的編寫(xiě)和Quartus Ⅱ12.1來(lái)控制EP4CE6E22C8進(jìn)行主要數(shù)據(jù)的操作和處理。光學(xué)光路方面采用景深延拓和偏振片來(lái)增強(qiáng)圖像的采集。算法方面使用超分辨率算法使得圖像的最佳化等。

關(guān)鍵詞：偏振片;離焦處理;算法重構(gòu)

1 引言

利用一片焦距35mm，直徑為25.4mm的凸透鏡，材料為K9玻璃，曲率半徑為34.86mm的單透鏡。單透鏡與前端測(cè)試卡的距離為50cm，單透鏡與后端測(cè)試卡的距離為80cm。要求成像圖片顛倒以及水平切除并隨機(jī)放置枯葉圖片進(jìn)行測(cè)試，對(duì)成像系統(tǒng)的適應(yīng)能力、自動(dòng)識(shí)別和排除干擾能力有了更高的要求。單透鏡成像會(huì)使光學(xué)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、降低成本。但是波前畸變會(huì)在單透鏡成像時(shí)，影響圖片成像，導(dǎo)致圖片質(zhì)量較差，因此處理好單透鏡成像的像差對(duì)成像的干擾就尤為重要。

2 光學(xué)論證

2.1 光的吸收、色散和散射

（1）光的吸收。

光的吸收，就是指光波通過(guò)介質(zhì)后，光強(qiáng)度因吸收而減弱的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采取水管接頭做為鏡筒，套接單透鏡，由于水管接頭是白色且內(nèi)壁比較光滑，補(bǔ)光所照射的光在鏡筒內(nèi)壁易產(chǎn)生反射，從而干擾透鏡成像效果。所以，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，了減小單透鏡被反射光干擾，采取將鏡筒內(nèi)壁磨砂，并且涂成黑色的方法，以最大限度讓鏡筒內(nèi)壁吸收干擾光，并且使小部分反射光形成漫反射，以最大限度減少因鏡筒內(nèi)壁光滑而產(chǎn)生反射對(duì)透鏡成像效果的干擾。單透鏡的鏡筒處理如圖1所示。

（2）光的色散。

介質(zhì)中的光速（或折射率）隨光波波長(zhǎng)的變化而產(chǎn)生色散。復(fù)色光，經(jīng)過(guò)透鏡折射后會(huì)色散，單色光不會(huì)色散。根據(jù)單透鏡的光譜響應(yīng)圖，如下圖2所示，可以知道透鏡對(duì)波長(zhǎng)在450-650nm之間光譜響應(yīng)圖光波響應(yīng)較高。在補(bǔ)光光源選擇上，為了避免白光經(jīng)過(guò)單透鏡產(chǎn)生的色散對(duì)成像質(zhì)量的影響，所以選擇單色光藍(lán)光（波長(zhǎng)范圍：450～464nm）作為ISO12233標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試卡補(bǔ)光的光源。經(jīng)過(guò)暗箱實(shí)驗(yàn)，選擇使用單色光藍(lán)光比選擇白光（日光燈作為發(fā)光源）和紅光（紅色燈）作為補(bǔ)光的測(cè)試效果更清晰。

2.2 偏振片論證與選擇

二向色性材料制作而成的偏振片會(huì)對(duì)通過(guò)的光進(jìn)行吸收。當(dāng)對(duì)某一正偏振分量吸收較強(qiáng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)阻止其通過(guò)偏振片的現(xiàn)象。同時(shí)會(huì)對(duì)正交偏振的另一分量吸收較弱，可允許其正常通過(guò)。因此可以用偏振片將自然光轉(zhuǎn)換為線偏振光。借用偏振片來(lái)消除雜光對(duì)成像系統(tǒng)的影響。再經(jīng)過(guò)相位補(bǔ)償后，會(huì)使得光的偏振狀態(tài)發(fā)生改變，從而減小波前畸變，改善成像質(zhì)量。

2.3 光路結(jié)構(gòu)

由于單透鏡的視場(chǎng)較小，所以選用0.5X的反射式ISO12233標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試卡。在試驗(yàn)臺(tái)上，需要把前后兩張測(cè)試卡在光軸上左右錯(cuò)開(kāi)擺放，相互不重疊，便于測(cè)試與評(píng)價(jià)。圖1為整體光路結(jié)構(gòu)實(shí)物圖。

3 CMOS圖像傳感器原理與數(shù)字圖像處理技術(shù)

3.1 CMOS圖像傳感器原理

圖像傳感器是能夠?qū)⒐鈱W(xué)影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電子器件。在本系統(tǒng)中，就是利用CMOS圖像傳感器，將單透鏡對(duì)ISO12233標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試卡的成像進(jìn)行捕捉并實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。CMOS圖像傳感器是由CMOS半導(dǎo)體構(gòu)成的，是一種有源像素傳感器。它基于硅的光電效應(yīng)進(jìn)行光檢測(cè)。在每個(gè)傳感器檢測(cè)到光能量時(shí)，傳感器周圍的對(duì)應(yīng)電路能夠快速直接的將其轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。為了能夠?qū)D像傳感器轉(zhuǎn)換出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓信號(hào)，我在電路板上集成AD模塊。

3.2 數(shù)字圖像處理技術(shù)

3.2.1 超分辨率重建算法

將一幅低分辨率圖像通過(guò)圖像超分辨率技術(shù)不斷地進(jìn)行重建，來(lái)獲得高分率的圖像。這對(duì)于單透鏡成像的后期處理有著重要意義。單個(gè)透鏡成像不同于透鏡組成像，無(wú)法利用其他透鏡進(jìn)行光學(xué)調(diào)節(jié)，有很大的不足，但圖像的超分辨率重建有利于彌補(bǔ)這一點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)中，圖像超分辨率重建有很廣泛的應(yīng)用。圖像超分辨率重建技術(shù)能夠在低分辨率圖像中較好地選擇出高分辨率信息并對(duì)其做采樣處理，在不斷的識(shí)別過(guò)程中，保留突出的數(shù)據(jù)信息，舍棄干擾信息，最終達(dá)到圖像的完美重建。

超分辨率重建算法有很多，其中消混疊重建是頻率域方法中最主要的方法。它是通過(guò)解混疊來(lái)提高低分辨率圖像的空間分辨率以實(shí)現(xiàn)超分辨率復(fù)原的方法。利用離散傅里葉變換、連續(xù)傅里葉變換的性質(zhì)以及傅里葉逆變換等數(shù)學(xué)運(yùn)算就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低分辨率圖像的復(fù)原。這種算法對(duì)圖像有很強(qiáng)的識(shí)別能力，而且識(shí)別精度也比較高。還會(huì)通過(guò)對(duì)原始圖像的不斷重建進(jìn)行學(xué)習(xí)，以此來(lái)改進(jìn)算法結(jié)構(gòu)和程序。在本系統(tǒng)后期的圖像處理中，超分辨率算法起到了主要的作用。

4 硬件電路部分

為了獲取最佳的成像效果，我采取視頻流的形式將CMOS圖像傳感器采集到的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。為了實(shí)現(xiàn)乒乓緩存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯容^高，傳輸速率要足夠快才符合要求。我選取的FPGA是采用CycloneⅣ系列的芯片EP4CE6E22C8。它內(nèi)部電路中集成有6272個(gè)LE邏輯單元，顯然符合本光學(xué)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需求。

在Altium designer軟件上設(shè)計(jì)電路圖，將所需要的硬件電路集成到一塊電路板上，其電路板實(shí)物如下圖2所示。

4.1 圖像采集與傳輸電路

1/2英寸的像素的CMOS數(shù)字圖像傳感器，9M001像素陣列配置為1312列1048行。前16列和第一個(gè)八行的像素是光學(xué)黑色的，并可以用來(lái)監(jiān)視黑色電平。最后的七列和最后的七行像素也光學(xué)黑色。黑行數(shù)據(jù)用于內(nèi)部的自動(dòng)黑電平調(diào)整。然而，黑色的行也可以讀出通過(guò)設(shè)置傳感器原始數(shù)據(jù)輸出模式（reg0x20，位11=1）。有1289列1033行的光學(xué)活性的像素，提供一四像素的邊界在SXGA（1280×1024）的圖像。傳感器默認(rèn)模式輸出SXGA大小的圖像在30幀每秒（fps），一個(gè)片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）提供每像素10位。圖像傳輸電路如圖3所示。

主芯片EI'CS4SI8N通過(guò)使用I/O口66-87的引腳在時(shí)鐘脈沖下來(lái)完成CMOS數(shù)字圖像傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，利用內(nèi)部的邏輯門電路和SDRAM存儲(chǔ)器MT48LC8Ml6處理和存儲(chǔ)圖像信號(hào)，信號(hào)存儲(chǔ)后USB控制芯片CY7CG8013與主芯片通信將圖像信號(hào)經(jīng)USB數(shù)據(jù)線傳送到電腦進(jìn)行處理。

5 高分辨率重建

MATLAB軟件可以使數(shù)據(jù)可視化，通過(guò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形表現(xiàn)在人面前，其中，人性化的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）有利于幫助人們分析數(shù)據(jù)和解決問(wèn)題。在數(shù)字圖像處理的過(guò)程中，為了將一幅圖像中突出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行增強(qiáng)處理并將干擾的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行抵消，以達(dá)到提高.圖像的分辨率的目的。本系統(tǒng)使用MATLAB編寫(xiě)的圖像處理軟件，軟件GUI將傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中的圖像通過(guò)超分辨算法整合做進(jìn)一步的處理，以達(dá)到進(jìn)一步處理圖片和提高圖像高分辨率的目的。

通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行算法優(yōu)化處理，將處理后的圖像與初始圖像進(jìn)行對(duì)比。顯而易見(jiàn)，圖像變得清晰，圖像質(zhì)量得到改善，分辨率得到提高。系統(tǒng)初始采集圖像如圖4所示，算法重建后的圖像如圖5所示。Imatest是美國(guó)Imatest LCC公司開(kāi)發(fā)的一款被廣泛應(yīng)用的數(shù)碼圖像評(píng)測(cè)軟件。Imatest采用了更低成本的空間頻率響應(yīng)（Spatial Frequency Response，SFR）來(lái)測(cè)量MTF曲線，僅需分析具有一定傾斜角度的黑白雙色斜線圖案（Slanted Edge）即可獲得所需MTF曲線。由Imatest軟件檢測(cè)處理后的圖片可得到，空間頻率響應(yīng)的MTF 50為1028LW/PH，成像質(zhì)量得到改善。

6 結(jié)論

本文主要研究了運(yùn)用空間光調(diào)制器進(jìn)行波前像差校正和光程補(bǔ)償提高景深的方法構(gòu)建了單透鏡最佳成像系統(tǒng)。利用干涉儀測(cè)量單透鏡的像差，通過(guò)Virtual-Lab模擬離焦，得到畸變的波前數(shù)據(jù)。再使用Matlab軟件重建高分辨率圖像。

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