CN106169178B - 一种改善镜头渐晕的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善镜头渐晕的方法，其中，包括：图像输入步骤，采集两组以上不同光强下均匀照明的背景图像作为输入；线性拟合步骤，逐点拟合线性方程以求出每个像素的基底和放大系数；等高同心环划定步骤，根据像素到光学中心的距离把所有像素划分到不同的等高同心环，对同心环内每个像素的基底和放大系数做平均以确定该同心环的基底和放大系数；存储步骤，将所有同心环的基底和放大系数存入相机的固有存储空间；中心距计算步骤，针对每个像素计算其与光学中心之间的距离，再把点归入等高同心环；以及查询步骤，以上述距离的简单变换为指数进行简单查表，得到基底和放大系数。

Description

一种改善镜头渐晕的方法

技术领域

本发明涉及光学图像成像技术处理领域，特别涉及一种简化的改善镜头渐晕的方法。

背景技术

在光学系统中，当远离光轴的物点经过透镜系统成像时，由于光阑的存在，使能够到达像面上的光束逐渐变得窄小起来，结果使离开光轴的像点逐渐变暗，这个过程叫做渐晕效应。为了使像平面内视场边界清晰，可以把渐晕光阑放在物平面、物的中间实像位置或像平面上。这种效应会在图像的四角产生阴影，影响图像的视觉效果。目前主要使用函数逼近法来对这种缺陷进行校正，克服采集设备自身的缺点。这种方法利用渐晕的形成特点，引入三段直线段逼近亮度衰减曲线，实现了对渐晕效应进行消减的功能。

然而，除去上述光阑的因素，还存在其它重要因素造成渐晕。比如，CMOS或CCD图像传感器的单个像素有效感光区的机构一般类似于“井”，正入射光线会直射井底，而斜入射光线则不可避免的被井壁反射而降低，从而导致接近光学中心位置的“井”量子效率最高，而越接近边缘的越低，表现在图像上即是渐晕。

随着半导体工艺尺寸的日益缩减，上述效应约来越明显。为应对这一问题，在部分CMOS图像传感器(面向手机和其它移动设备)的每个像素前均自带微透镜以优化量子效率，考虑到光线穿过透镜组后在图像传感器的每个像素上入射角度不一致，这些微透镜在设计及加工制造时并非正好位于像素上方，而是随像素几何位置稍有位移以最大化感光区的入射光通量，一般而言，微透镜中心相对于像素中心的位移分布带有旋转对称特性，其中心为传感器像素阵列的几何中心。虽然微透镜可以提高像素的量子效率，从而改善渐晕，但并不能完全消除穿过镜头到达像素的入射光线因入射角不同而带来的渐晕效应。

多重因素共同造成的渐晕并不能很好地用数学公式来描述，已知手段是通过事先拍摄均匀光照的多幅参考图像以逐像素提取放大系数和基底，然后将放大系数和基底(有时为节省数据存储量而在XY平面进行下采样)存入固定存储区域，拍摄真实图像时，实时读出放大系数和基底(如果以前做过下采样则此时应该先插值)对像素值进行补偿。如以下公式(1)所示，

I’(x,y)＝coeff(x,y)*I(x,y)+base(x,y) (公式1)

其中I’(x，y)是二维平面中坐标为(x，y)的像素最后补偿得到的值。I(x，y)是实际拍摄到的值，coeff(x，y)是用参考图像事先拟合出来的放大系数，base(x，y)是拟合出来的基底。但是，该方法需要存储放大系数和基底的二维数据，需要存储的数据量偏大，比如一图像总像素数为w*h，放大系数和基底都用4字节浮点数表示，则需要w*h*8个字节存储这些值。如果想省一点空间，则必须对放大系数和基底在二维平面进行下采样后存储，然后拍摄后对存储值进行插值，要想得到好的插值效果，其计算复杂度也颇高。

然而，不管是光阑造成的渐晕还是像素感光区不同的量子效率差异造成的渐晕，都具有强烈的旋转对称的特征，另外，绝大多数渐晕在径向的变化并不剧烈，换言之，其在频域内分布均属于相对低频的成分。本发明正是利这些特性，提出了一种简化的消除镜头渐晕的方法。其基本思想是，由于旋转对称性的存在，以及考虑到渐晕在径向只是缓慢变化等特性，把像素到光学中心的距离划分到不同的等高同心环(等高同心环的多少取决于计算资源的多少)。每个同心环共享同一个基底和同一个放大系数，此举可以大幅减少数据存储量。当拍摄图片时，可以依据像素到光学中心的几何距离简单变换后作为索引读取基底和放大系数的查找表，然后根据渐晕补偿公式(公式1)完成补偿。相比前述先下采样保存之后再实时插值的方法，其计算复杂度亦大幅度降低。

发明内容

本发明所涉及的改善镜头渐晕的方法的特征在于，包括：图像输入步骤，采集两组以上不同光强下均匀照明的背景图像作为输入；线性拟合步骤，逐点拟合线性方程以求出每个像素的基底和放大系数；等高同心环划定步骤，根据像素到光学中心的距离把所有像素划分到不同的等高同心环，对同心环内每个像素的基底和放大系数做平均以确定该同心环的基底和放大系数；存储步骤，将所有同心环的基底和放大系数存入相机的固有存储空间；中心距计算步骤，针对每个像素计算其与光学中心之间的距离，再把点归入等高同心环；以及查询步骤，以上述距离的简单变换为指数进行查表，得到基底和放大系数。

本发明改善镜头渐晕的方法，优选为，所述等高同心环划定步骤中，等高同心环的数目取决于计算资源的量。

本发明改善镜头渐晕的方法，优选为，每个同心环共享同一个基底和同一个放大系数。

附图说明

图1是本发明所涉及的改善镜头渐晕的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1的流程图所示，本发明的改善镜头渐晕的方法的特征在于，包括：图像输入步骤S1，采集两组以上不同光强下均匀照明的背景图像作为输入；线性拟合步骤S2，逐点拟合线性方程以求出每个像素的基底和放大系数；等高同心环划定步骤S3，根据像素到光学中心的距离把所有像素划分到不同的等高同心环，对同心环内每个像素的基底和放大系数做平均以确定该同心环的基底和放大系数；存储步骤S4，将所有同心环的基底和放大系数存入相机的固有存储空间；中心距计算步骤S5，针对每个像素计算其与光学中心之间的距离，再把点归入等高同心环；以及查询步骤S6，以上述距离的简单变换为指数进行查表，得到基底和放大系数。所述等高同心环划定步骤S3中，等高同心环的数目取决于计算资源的量。每个同心环共享同一个基底和同一个放大系数。

具体来说，在图像输入步骤S1中，采集两至多组不同光强下均匀照明的背景图片作为输入。其中至少包含一幅为全黑(比如用镜头盖罩住镜头)，为了提高准确度，其它幅图片的光强分布最好在全黑和饱和(即部分近光心像素接近最大值，如每像素8比特量化情况下最大值是2的8次方减1即255)间均匀分布。

在线性拟合步骤S2中，逐点拟合线性方程以求出每个像素的基底和放大系数。其具体过程如下：

假设任意像素采样和量化后的值符合以下公式：

I’(x,y,n)＝coeff(x,y)*I(x,y,n)+base(x,y)

其中x,y为该像素的以光心为原点(即约定光心坐标为(0，0))的整数位置(x,y均为整数)，n为背景图片的顺序标号(n为自然数，取值1到N，为讨论方便此处约定全黑的图片序号为1即第1幅)，I’(x,y,n)为第n幅背景图片第x,y位置像素上像素采样,量化和经过渐晕补偿后的目标值(为有上限的正整数，若量化为8比特，则取值0到255间的自然数)；I(x,y,n)则为实测值，该值对每幅背景图片上的每个像素都是一个观测到的已知量；coeff(x,y)为待拟合的放大系数(正实数)，base(x,y)为待拟合的基底，这里有个假设是coeff(x,y)和base(x,y)与背景图片无关(在忽略次级量的前提下，该假设在实践中被证实成立)。

渐晕补偿的目的在于，对每一个像素估计一个唯一的coeff(x,y)和唯一的base(x,y),使得在每一幅光照均匀的背景拍摄完后，该像素在渐晕补偿后的目标值与光心位置的目标值相等(换言之，均匀的背景必须拍出均匀的图片)，数学表示为，

I’(x,y,1)＝I’(0,0,1)

I’(x,y,2)＝I’(0,0,2)

…

I’(x,y,N)＝I’(0,0,N)

假定光心位置的光强最强(实践中忽略次级量该假设成立)，它的放大系数可以被认为是1，即

coeff(0,0)＝1

前述已经假定第1幅背景图片全黑，所以有

I’(0,0,1)＝0

即，全黑背景图中光心位置的目标值为0。给定这两个条件，光心位置在每幅图的目标值均可以求出。即对于光心出的像素给定方程组

I’(0,0,1)＝coeff(0,0)*I(0,0,1)+base(0,0)

I’(0,0,2)＝coeff(0,0)*I(0,0,2)+base(0,0)

…

I’(0,0,N)＝coeff(0,0)*I(0,0,N)+base(0,0)

可以推出

base(0,0)＝-I(0,0,1)

I’(0,0,1)＝0

I’(0,0,2)＝I(0,0,2)–I(0,0,1)

…

I’(0,0,N)＝I(0,0,N)–I(0,0,1)

从而问题转化成求解以下超定方程(假定背景图片多于2张，由于2张图片具有平凡解，此处不赘述)的最优解，

0＝coeff(x,y)*I(x,y,0)+base(x,y)

I(0,0,2)－I(0,0,1)＝coeff(x,y)*I(x,y,1)+base(x,y)

…

I(0,0,N)－I(0,0,1)＝coeff(x,y)*I(x,y,N)+base(x,y)

其中只有coeff(x,y)和base(x,y)为未知量。最常用的最小二乘法即可以求出最优coeff(x,y)和base(x,y)，此处不赘述。

在等高同心环划定步骤S3中，把所有像素按其距离光学中心的远近划分到不同的等高同心圆环，等高同心圆环的数目假定为N(N的大小取决于计算资源的多少)。每个同心圆环内的像素共享同一个基底和同一个放大系数，计算方法为简单平均。此处定义图片x方向总像素数目为w，y方向为h而且定义

r＝(min(w,h))/2

则

coeff(n)＝average(coeff(x,y))

base(n)＝average(base(x,y))

其中n为自然数，取值1到N。(x,y)必须满足下式，

(r*n/N)>sqrt(x²+y²)>＝(r*(n-1)/N)

换言之，像素(x,y)离光心的距离在r*(n-1)/N(包含)和r*n/N之间。

存储步骤S4中，将coeff(n)(N个实数)和base(n)(N个实数)存入相机的固有存储空间。如果以4字节浮点表示，一共仅需要8*N个字节。

中心距计算步骤S5中，每个像素的基底和放大系数仅依赖于它离光学中心的距离。接下来，进入查询步骤S6，拍摄时，实时计算每个像素自身离光学中心的距离，通过简单查表就可以得到基底和放大系数。

具体来说，计算得到每点的基底和放大系数，再把点归入等高同心环的步骤，需要对环内所有像素的基底和放大系数作平均以得到该同心环的基底和放大系数，把每个环的基底和放大系数存入查找表，之后实时拍摄时每点的基底和放大系数均用它分属的同心环的基底和放大系数替代。换言之，查表得到的基底和放大系数是属于某一同心环的，两者的值是几何上属于该同心环的所有像素经过解线性方程计算得出的每个像素的基底和放大系数的简单平均，拍摄时即用该同心环的基底和放大系数替代所有几何上属于该环的像素的基底和放大系数。

具体方法为，设自然数

m＝floor(sqrt(x²+y²)*N/r)

其中，floor为向下取整函数，sqrt为求平方根函数，x和y为该像素的以光心为圆点的以像素个数为单位的坐标，比如紧邻光心的八个像素的(x,y)坐标分别定义为(-1,0),(-1,1),(0,1),(1,1),(1,0),(1,-1),(0,-1),(-1,-1)。N为同心环的个数。如果定义传感器x方向的总像素为w,而y方向的总像素为h,则r定义为，

r＝(min(w,h))/2

其中，min(w,h)是取w和h中的小值，算出m后可以用自然数m作为查找表的索引去固定存储空间或缓存中取coeff(m)和base(m)的值。m在几何上正好代表了该像素所属的环的序列号，比如m＝0即为最内圈的一环(此环含光心)。

本发明提出的方法对上述方法作出改进，它利用了微透镜分布的旋转对称性，把像素到光学中心的半径划分到不同的等高同心环，等高同心环的多少取决于计算资源的多少。每个同心环共享同一个基底和同一个放大系数。换言之，每个像素的基底和放大系数仅依赖于它离光学中心的距离。拍摄时只需要实时计算它自身离光学中心的距离，通过简单查表就可以得到基底和放大系数。这样一方面需要存储的数据量大大减少，另一方面计算复杂度也相应降低。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种改善镜头渐晕的方法，其特征在于，

包括：

图像输入步骤，采集两组以上不同光强下均匀照明的背景图像作为输入；

线性拟合步骤，逐点拟合线性方程以求出每个像素的基底和放大系数；

等高同心环划定步骤，根据像素到光学中心的距离把所有像素划分到不同的等高同心环，对同心环内每个像素的基底和放大系数做平均以确定该同心环的基底和放大系数；

存储步骤，将所有同心环的基底和放大系数存入相机的固有存储空间；

中心距计算步骤，针对实时拍摄时图片的每个像素计算其与光学中心之间的距离，再把点归入等高同心环；以及

查询步骤，以上述距离的简单变换为索引进行简单查表，得到基底和放大系数。

2.根据权利要求1所述的改善镜头渐晕的方法，其特征在于，

所述等高同心环划定步骤中，等高同心环的数目取决于计算资源的量。

3.根据权利要求1或2所述的改善镜头渐晕的方法，其特征在于，

每个同心环共享同一个基底和同一个放大系数。