数字图像自动聚焦与离焦模糊复原技术研究

论文摘要

自动聚焦技术是数字成像系统、机器人视觉和各种精密光学仪器中的关键技术。随着科学技术的飞速发展,精确自动聚焦问题越来越受到人们的普遍关注,其应用领域日渐广泛。目前围绕数字图像自动聚焦的问题,国内外学者做了大量研究,已经取得了大量成果。但是这些研究都是针对非实时或基于CPU、数字信号处理(DSP)的成像系统,计算复杂度和实现成本较高,本文力图针对适用于低成本、高速实时应用的专用集成电路(ASIC)算法进行搜索。基于研究的特点及要求,本文首先对聚焦清晰度评价函数进行详细分析,指出现有评价函数存在的问题,提出了一种新的基于修正拉普拉斯算子的快速SSML算法,并搭配快速爬山聚焦点搜索算法,同时采用窗口化采样原理进一步简化了评价函数计算量。通过与天津大学ASIC设计中心合作开发,给出了图像处理系统(CIS)片上集成的硬件方案,结合本文提出的自动聚焦算法,实现了片上自动聚焦模块。经过验证,证明其实用性和可行性。针对离焦模糊图像复原方法,介绍了传统离焦模糊图像复原法中的圆盘离焦模型和高斯离焦模型。指出了由于模型不能准确逼近实际的离焦点扩散函数而导致离焦模糊图像复原无法取得预期效果。本文根据离焦模糊的圆对称性,舍弃传统离焦模型,通过检测刃边函数曲线,直接由模糊图像估算出离焦的点扩散函数,提高了离焦点扩散函数的估算精度。并在求取离焦点扩散函数的基础上,优化了维纳滤波器,很大程度上降低了噪声对复原效果的不良影响。实验表明:搭载本文自动聚焦模块的系统聚焦速度和聚焦精度都有一定的提高。同时本文的离焦模糊复原方法能从分辨率和对比度上明显改善的复原图像。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 自动聚焦技术发展及研究现状
• 1.2 离焦模糊图像复原方法及技术回顾
• 1.3 论文的基本结构和内容
• 第二章 自动聚焦原理及基本方法
• 2.1 自动聚焦原理概述
• 2.1.1 光学成像系统理论
• 2.1.2 自动聚焦原理及离焦描述
• 2.2 自动聚焦基本方法
• 2.2.1 传统的自动聚焦方法
• 2.2.2 基于图像处理的自动聚焦方法
• 2.3 自动聚焦核心问题
• 第三章 清晰度评价函数研究及仿真实验
• 3.1 清晰度评价函数评价标准
• 3.2 清晰度评价函数分类
• 3.2.1 频域函数
• 3.2.2 灰度梯度函数
• 3.2.3 统计学函数
• 3.2.4 信息学函数
• 3.3 清晰度评价函数分析
• 3.4 SML算子的改进和快速单向爬山算法
• 3.4.1 SML算子的改进
• 3.4.2 快速单向爬山搜索算法
• 3.5 计算仿真实验以及硬件实现
• 3.5.1 实现CIS片上集成的硬件方案
• 3.5.2 仿真实验分析
• 第四章 离焦模糊图像复原方法研究
• 4.1 图像复原技术
• 4.1.1 连续图像复原方法
• 4.1.2 离散图像复原方法
• 4.1.3 图像的盲复原技术
• 4.2 离焦模糊图像复原方法
• 4.2.1 离焦的光学传递函数
• 4.2.2 传统离焦模糊图像复原方法
• 4.3 传统离焦模糊图像复原法的缺陷及改进方向
• 第五章 离焦模糊图像复原算法改进及实现
• 5.1 离焦成像光学基础
• 5.1.1 点扩散函数
• 5.1.2 线扩散函数
• 5.1.3 刃边函数
• 5.2 求取离焦模糊图像点扩散函数
• 5.2.1 刃边函数曲线检测与拟合
• 5.2.2 离焦点扩散函数的计算
• 5.3 维纳滤波及改进
• 5.3.1 模糊图像维纳滤波复原
• 5.3.2 维纳滤波器改进
• 5.4 算法实现及仿真实验
• 5.4.1 复原算法描述
• 5.4.2 计算机仿真实验
• 5.4.3 实际离焦模糊图像的复原实验
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表论文情况