CN114167663B - 一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包含渐晕去除算法的编码光圈成像系统。包括编码光圈光学成像装置和渐晕去除算法，其中编码光圈光学成像装置主要由工业相机、成对中继透镜组件、旋转掩膜安装装置、固定支座和工业相机镜头组成，渐晕去除算法主要包括四次偶多项式渐晕校正建模、灰度溢出正则最小对数熵以及惯性权值线性递减粒子群搜索方法。本发明能放大和转移工业相机内尺寸较小的光圈平面，从而更便利地完成光圈编码，并且得到无渐晕问题的高质量图像。

Description

一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统。
背景技术
随着社会的发展和科技的进步，数字图像已经成为日常生活和工业制造中信息交互的重要载体。图像景深描述的是一幅图像场景中聚焦清晰的深度范围，在实际的应用中，包括消费级摄影、工业检测到显微成像等，对图像景深的控制都会有一定的要求。在某些特定应用场合，大景深图像的获取是后续流程顺利进行的关键因素。
图像的景深可以简单通过缩小光圈来扩展，但这会带来入射光量的减少从而导致信噪比降低的问题。编码光圈技术作为计算摄影学的一个重要分支，通过改变光圈的形状，能增大不同深度处光点的点扩散函数差异性，进而对图像中不同像素的深度进行更加准确的估计，最后通过失焦恢复相关算法实现原始光学成像系统的景深扩展。
工业相机镜头的光圈平面径向尺寸非常小且在镜头内部，不利于编码光圈掩膜的制造和安装。因此需要在原有镜头基础上构建一套新的光学成像系统，使得在扩大光圈平面径向尺寸的同时将其空间位置转移到原镜头外利于安装编码光圈掩膜的位置处。此外，在原有镜头后引入其他光学元件会破坏原本镜头成像质量，其中渐晕问题非常突出，因此需要利用数字图像处理技术进行渐晕去除，从而得到光照较为均匀的高质量图像。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统，使编码光圈技术的实施更加便捷，同时获取高质量图像。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统
包括工业相机镜头、两个中继透镜组件、工业相机和旋转掩膜装置，两个中继透镜组件通过两个固定支座对称布置于旋转掩膜装置两侧，两个中继透镜组件远离旋转掩膜装置的一端分别连接有工业相机镜头和工业相机；所述中继透镜组件由水平布置的中继透镜镜筒和布置于镜筒内的双胶合消色差透镜组成；所述旋转掩膜装置包括旋转安装盘、旋转安装座、主动齿轮、从动齿轮、调速电机和从动齿轮旋转轴，旋转安装盘上沿周向等间隔开有四个光圈孔用于安装编码光圈掩膜，旋转安装盘中心通过从动齿轮旋转轴连接有从动齿轮，从动齿轮与调速电机固接的主动齿轮相啮合，调速电机安装于旋转安装座上，旋转安装座通过支杆固定于两个固定支座之间。
每个所述的固定支座包括由上至下依次连接的水平连接座、高度调节杆和固定底座，水平连接座中间开有大通孔用于固定中继透镜镜筒，周向开有四个小通孔用于插装同轴支杆。
靠近工业相机的固定支座通过四根支杆与旋转掩膜装置的旋转安装座连接，位于底部的两根支杆穿出旋转安装座后连接至靠近工业相机镜头的固定支座。
靠近工业相机镜头的双胶合消色差透镜的物方焦点与工业相机镜头聚焦处重合，使得入射光线经过其作用出射为准直光线；靠近工业相机的双胶合消色差透镜的像方焦点置于工业相机的图像传感器上用于成像。
双胶合消色差透镜截面尺寸远大于工业相机镜头内光圈尺寸，因此完成了光圈平面的放大和转移。
旋转安装盘上每个光圈孔与编码光圈掩膜尺寸相同，且光圈孔旋转至最下方时，光圈孔与中继透镜镜筒同轴布置。具体实施中每个光圈孔安装有不同的编码光圈掩膜。
二、一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统的工作方法
包括以下步骤：
1)上位机通过调速电机驱动主动齿轮转动，主动齿轮通过从动齿轮带动旋转安装盘旋转，使旋转安装盘上四个编码光圈掩膜分别对准中继透镜镜筒，完成光路上编码光圈掩膜的切换；
2)在工业相机的图像传感器成像获取不同的编码图像：入射光线经左侧中继透镜组件出射为准直光线，光线经过编码光圈掩膜的空间调制后，经右侧中继透镜组件重聚焦至工业相机的图像传感器上，从而形成编码图像；
3)使用渐晕去除算法对步骤2)具有渐晕问题的编码图像进行处理获得高质量图像：
3.1)惯性权值线性递减的粒子群搜索算法：设置粒子群规模、最大迭代次数、初始惯性权值和终止惯性权值，所有粒子的初始位置参数和速度设为设定取值范围内的随机值，进入惯性权值线性递减的粒子群搜索迭代循环；
3.2)根据每个粒子的位置参数得到渐晕校正模型，并计算渐晕去除图像
Figure BDA0003389353780000039
，然后根据每个渐晕去除图像
Figure BDA00033893537800000310
计算灰度溢出正则对数熵目标函数值
Figure BDA00033893537800000311
，更新每个粒子的历史最优值和全局最优值；
当粒子的位置参数a和b不满足下述条件时，目标函数值
Figure BDA00033893537800000312
输出为无穷大：
Figure BDA0003389353780000031
由于渐晕效果是由图像光心点向图像边缘位置单调加深的，因此V(r)函数必须满足关于r在[0，1]上单调递增，即a和b需满足上述条件；
3.3)根据每个粒子更新后的历史最优值与全局最优值、以及粒子的位置参数更新下一次循环开始时粒子的位置参数；
3.4)重复步骤3.2)和3.3)的迭代循环，直至达到最大迭代次数退出迭代循环，获取整个搜索迭代过程中的全局最优值，根据全局最优值得到的渐晕校正矩阵V对步骤2)具有渐晕问题的编码图像进行渐晕去除，得到高质量编码图像
Figure BDA0003389353780000032
Figure BDA0003389353780000033
所述步骤3.2)中，根据每个粒子的位置参数得到渐晕校正模型的过程具体为：
V(r)＝1+ar2+br4
其中，V(r)表示渐晕校正模型；r为编码图像中任一像素点P(x，y)到光心点Pc(xc，yc)的归一化径向距离，取值为[0，1]；a和b为粒子的位置参数；
将所有像素点P(x，y)对应的渐晕校正模型V(r)组成渐晕校正矩阵V；
根据渐晕校正矩阵V计算渐晕去除图像
Figure BDA0003389353780000038
：
Figure BDA0003389353780000034
其中，V为渐晕校正矩阵；I′为渐晕图像，渐晕图像为包含渐晕问题的编码图像。
所述步骤3.2)中，灰度溢出正则对数熵目标函数值
Figure BDA0003389353780000035
的计算过程为：
对渐晕图像I′的灰度直方图进行对数映射，将灰度[0，255]的取值用以2为底的对数映射到[0，255]，然后采用最近邻插值法将对数映射后的映射值量化为整数值得到映射后的直方图，将映射后的直方图划分为256个bin，进而计算映射后直方图中每个bin在所有bin中对应的概率
Figure BDA0003389353780000036
对于渐晕去除图像
Figure BDA0003389353780000037
中灰度溢出最大取值255的像素部分进行正则化，计算溢出灰度像素占图像中所有像素的比例Rof，最终得到需要最小化的目标函数
Figure BDA0003389353780000041
具体计算公式为：
Figure BDA0003389353780000042
其中，λ为正则项系数，值取为10，即对灰度溢出的惩罚值取值为[0，10]；
Figure BDA0003389353780000043
为映射后直方图中每个bin在所有bin中对应的概率，将所有bin记为{1..k..K}，K为bin的总数，k为其中一个bin。
所述步骤3)中，全局最优值为所有粒子迭代过程中的最优值，历史最优值为每个粒子迭代过程中的最优值，最优值为迭代过程中最小的目标函数值
Figure BDA0003389353780000044
对应的位置参数a和b。
本发明的有益效果：
本发明利用成对双胶合透镜组成的中继透镜组件实现光圈平面的放大和转移，使编码光圈掩膜能够非常便利地安装到光学成像系统中。此外，旋转掩膜安装装置使得多编码光圈掩膜编码图像的获取十分容易，进而完成多编码图像的融合。渐晕去除算法解决了光学成像装置中存在的渐晕问题，提升了获取图像的质量。
附图说明
图1为本发明编码光圈光学成像装置结构示意图；
图2为本发明旋转掩膜安装装置结构示意图；
图3为本发明渐晕去除算法中子方法关系及流程图。
图中：1-工业相机镜头、2-中继透镜镜筒、3-双胶合消色差透镜、4-水平连接座、5-旋转掩膜装置、6-短同轴支杆、7-工业相机、8-长同轴支杆、9-固定底座、10-高度调节杆、11-编码光圈掩膜、5.1-旋转安装盘、5.2-主动齿轮、5.3-调速电机、5.4-旋转安装座、5.5-从动齿轮旋转轴、5.6-从动齿轮。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1和图2所示，编码光圈光学成像装置由工业相机镜头1、成对中继透镜组件、旋转掩膜安装装置5、固定支座和工业相机7组成，所述中继透镜组件由双胶合消色差透镜3和水平布置的中继透镜镜筒2组成，起到光线准直和重聚焦的作用，进而放大和转移光圈平面；所述旋转掩膜安装装置5由旋转安装盘5.1、旋转安装座5.4、主动齿轮5.2、从动齿轮5.6、调速电机5.3和从动齿轮旋转轴5.5组成，安装于光圈平面处，用于安装编码光圈掩膜11，并可与上位机通信自动完成多编码图像获取；所述固定支座由水平连接座4、高度调节杆10和固定底座9组成，用于整体装置中组件的连接固定和垂直方向高度调节，保证光轴在同一水平直线上。
如图1所示，中继透镜组件成对安装在旋转掩膜安装装置5两侧，其中双胶合消色差透镜3安装于中继透镜镜筒2中部圆柱形空间，靠近工业相机镜头1的双胶合消色差透镜3物方焦点与工业相机镜头1聚焦处重合，使得入射光线经过其作用出射为准直光线，另一靠近工业相机7的双胶合消色差透镜3像方焦点置于工业相机7的图像传感器上用于成像，经过成对透镜作用，原本位于工业相机镜头1内部的小尺寸光圈平面被转移到了两透镜之间的准直光区域，编码光圈掩膜安装孔与透镜3截面尺寸相同，由于透镜截面尺寸远大于工业相机镜头内光圈尺寸，因此完成了光圈平面的放大和转移，此外中继透镜镜筒2侧面有长方形开槽，用于调节和观察双胶合消色差透镜3位置。
如图2所示，旋转掩膜安装装置5的旋转安装盘上有四个编码光圈掩膜安装孔，在完整圆周上均匀分布，中心有一开孔用于安装从动齿轮旋转轴5.5，从动齿轮5.6与旋转轴固接，调速电机5.3可与上位机通信，每获取到一张图像后，上位机向调速电机5.3发送信号，使其转动90°直接驱动与电机固接的主动齿轮5.2后带动从动齿轮5.6旋转，进而完成光路上光圈掩膜的切换使装置可以获取不同的编码图像，此外旋转安装座5.4边缘有四个可插入同轴支杆的小通孔，由于空间限制上方插入短同轴支杆6，下方插入长同轴支杆8，中心有一个可安装中继透镜镜筒2的大通孔，顶端有一倒“L”形平台用于放置调速电机5.3。
固定支座下部是由两级圆柱组成的固定底座9，固定底座9底面装有永磁体，可将其吸附于铁制平台上，中部是圆柱形滑槽，可放入高度调节杆10起到调节整体装置高度的作用，高度调节杆10上部固接水平连接座4，水平连接座4边缘有四个可插入同轴支杆的小通孔，水平连接座4中心有一个可安装中继透镜镜筒2的大通孔。
由于编码光圈光学成像装置获取到的编码图像带有严重的渐晕问题，需要使用如图3所示的渐晕去除算法获取高质量图像，具体如下：
惯性权值线性递减的粒子群搜索算法：
1)初始化步骤中将粒子群规模设为10、最大迭代次数设为10、初始惯性权值设为0.9、终止惯性权值设为0.4，将所有粒子的初始位置和速度设定为设定的取值范围内的随机值并进入搜索迭代循环中。
2)每次迭代需要先根据每个粒子位置参数得到的渐晕校正模型计算校正图像，然后计算每个校正图像灰度溢出正则对数熵目标函数值
Figure BDA0003389353780000061
更新全局最优值和每个粒子的历史最优值；全局最优值为所有粒子迭代过程中的最优值，历史最优值为每个粒子迭代过程中的最优值，最优值为迭代过程中最小目标函数值对应的参数a和b。
2.1)所述的根据每个粒子位置参数得到的渐晕校正模型计算校正图像的过程具体为：
使用四次偶多项式模型对渐晕校正进行数学建模：
V(r)＝1+ar2+br4
其中，V(r)表示渐晕校正因子，r为编码图像中所有像素点P(x，y)到光心点Pc(xc，yc)的归一化径向距离，取值为[0，1]，a和b为待搜索优化的参数。
由于渐晕效果是由图像光心点向图像边缘位置单调加深的，因此V(r)函数必须满足关于r在[0，1]上单调递增，即a和b需要满足：
Figure BDA0003389353780000062
所有像素点对应的V(r)组成渐晕校正矩阵V
通过参数优化搜索确定a和b后就可以确定V，进而渐晕去除图像
Figure BDA0003389353780000069
可以由渐晕图像I′与渐晕校正因子的点乘计算得出：
Figure BDA0003389353780000063
2.2)所述的灰度溢出正则对数熵目标函数值
Figure BDA0003389353780000064
通过下述方法获得：
以最小化灰度溢出正则对数熵为整体优化目标，需要首先对包含渐晕问题的图像灰度直方图进行对数映射，将原本灰度[0，255]的取值用以2为底的对数映射到[0，255]，后采用最近邻插值的方法将对数映射后的映射值量化为整数值，进而计算得到映射后直方图中每一个bin在所有bin中对应的概率
Figure BDA0003389353780000065
此外，对于渐晕去除图像
Figure BDA0003389353780000066
中灰度溢出最大取值255的像素部分进行正则化，计算溢出灰度像素占图像中所有像素的比例Rof，最终得到需要最小化的目标函数
Figure BDA0003389353780000067
Figure BDA0003389353780000068
其中，λ为正则项系数，值取为10，即对灰度溢出的惩罚值取值为[0，10]；将所有bin记为{1..k..K}，K为bin的总数，k为其中一个bin。
3)根据每个粒子更新后的历史最优值与全局最优值，以及粒子的速度和位置参数更新下一次循环开始时粒子的速度和位置参数：
更新粒子的速度：
vnext[j]＝ω·v[j]+c1·rand·(pm[j]-p[j])+c2·rand·(pg-p[j])
其中，j代表第j个粒子，vnext代表粒子的更新速度，v代表当前循环粒子的速度，c1代表加速常数1，c2代表加速常数2，rand代表0～1之间的随机数，pm代表粒子位置的历史最优值，pg代表粒子位置的全局最优值
Figure BDA0003389353780000071
其中，ω表示本次循环中使用的惯性权值，ωst代表惯性权值初始值，ωed代表惯性权值终止值，iters代表总的迭代次数，i代表当前迭代次数；
更新粒子的位置参数：
pnext[j]＝p[j]+vnext[j]
其中，pnext表示粒子的更新位置，是下一次循环开始时粒子的位置参数；p表示当前循环粒子的位置。
4)重复步骤2)和3)，直至达到最大迭代次数退出迭代循环，利用搜索迭代过程中的全局最优值得到渐晕校正矩阵V，对编码光圈光学成像装置输出的原始图像进行渐晕去除，得到高质量编码图像
Figure BDA0003389353780000072
Figure BDA0003389353780000073
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统，其特征在于，包括工业相机镜头(1)、两个中继透镜组件(2)、工业相机(7)和旋转掩膜装置(5)，两个中继透镜组件(2)通过两个固定支座对称布置于旋转掩膜装置(5)两侧，两个中继透镜组件(2)远离旋转掩膜装置(5)的一端分别连接有工业相机镜头(1)和工业相机(7)；
所述中继透镜组件由水平布置的中继透镜镜筒(2)和布置于镜筒内的双胶合消色差透镜(3)组成；
所述旋转掩膜装置(5)包括旋转安装盘(5.1)、旋转安装座(5.4)、主动齿轮(5.2)、从动齿轮(5.6)、调速电机(5.3)和从动齿轮旋转轴(5.5)，旋转安装盘(5.1)上沿周向等间隔开有四个光圈孔用于安装编码光圈掩膜，旋转安装盘(5.1)中心通过从动齿轮旋转轴(5.5)连接有从动齿轮(5.6)，从动齿轮(5.6)与调速电机(5.3)固接的主动齿轮(5.2)相啮合，调速电机(5.3)安装于旋转安装座(5.4)上，旋转安装座(5.4)通过支杆固定于两个固定支座之间。
2.根据权利要求1所述的一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统，其特征在于，每个所述的固定支座包括由上至下依次连接的水平连接座(4)、高度调节杆(10)和固定底座(9)，水平连接座(4)中间开有大通孔用于固定中继透镜镜筒(2)，周向开有四个小通孔用于插装同轴支杆。
3.根据权利要求1所述的一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统，其特征在于，靠近工业相机(7)的固定支座通过四根支杆与旋转掩膜装置(5)的旋转安装座(5.4)连接，位于底部的两根支杆穿出旋转安装座(5.4)后连接至靠近工业相机镜头(1)的固定支座。
4.根据权利要求1所述的一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统，其特征在于，靠近工业相机镜头(1)的双胶合消色差透镜(3)的物方焦点与工业相机镜头(1)聚焦处重合；
靠近工业相机(7)的双胶合消色差透镜(3)的像方焦点置于工业相机(7)的图像传感器上用于成像。
5.根据权利要求1所述的一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统，其特征在于，双胶合消色差透镜(3)截面尺寸大于工业相机镜头(1)内光圈尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统，其特征在于，旋转安装盘(5.1)上每个光圈孔与编码光圈掩膜(11)尺寸相同，且光圈孔旋转至最下方时，光圈孔与中继透镜镜筒(2)同轴布置。
7.采用权利要求1～6任一所述的一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)上位机通过调速电机驱动主动齿轮(5.2)转动，主动齿轮(5.2)通过从动齿轮(5.6)带动旋转安装盘(5.1)旋转，使旋转安装盘(5.1)上四个编码光圈掩膜分别对准中继透镜镜筒(2)，完成光路上编码光圈掩膜的切换；
2)在工业相机的图像传感器成像获取不同的编码图像：入射光线经左侧中继透镜组件出射为准直光线，光线经过编码光圈掩膜的空间调制后，经右侧中继透镜组件重聚焦至工业相机的图像传感器上，从而形成编码图像；
3)使用渐晕去除算法对步骤2)具有渐晕问题的编码图像进行处理获得高质量图像：
3.1)惯性权值线性递减的粒子群搜索算法：设置粒子群规模、最大迭代次数、初始惯性权值和终止惯性权值，所有粒子的初始位置参数和速度设为设定取值范围内的随机值，进入惯性权值线性递减的粒子群搜索迭代循环；
3.2)根据每个粒子的位置参数得到渐晕校正模型，并计算渐晕去除图像
Figure FDA0003937248270000021
然后根据每个渐晕去除图像
Figure FDA0003937248270000022
计算灰度溢出正则对数熵目标函数值
Figure FDA0003937248270000023
更新每个粒子的历史最优值和全局最优值；
当粒子的位置参数a和b不满足下述条件时，目标函数值
Figure FDA0003937248270000024
输出为无穷大：
Figure FDA0003937248270000025
3.3)根据每个粒子更新后的历史最优值与全局最优值、以及粒子的位置参数更新下一次循环开始时粒子的位置参数；
3.4)重复步骤3.2)和3.3)的迭代循环，直至达到最大迭代次数退出迭代循环，获取整个搜索迭代过程中的全局最优值，根据全局最优值得到的渐晕校正矩阵V对步骤2)具有渐晕问题的编码图像进行渐晕去除，得到高质量编码图像
Figure FDA0003937248270000026
Figure FDA0003937248270000027
所述步骤3.2)中，灰度溢出正则对数熵目标函数值
Figure FDA0003937248270000028
的计算过程为：
对渐晕图像I′的灰度直方图进行对数映射，将灰度[0,255]的取值用以2为底的对数映射到[0,255]，然后采用最近邻插值法将对数映射后的映射值量化为整数值得到映射后的直方图，将映射后的直方图划分为256个bin，进而计算映射后直方图中每个bin在所有bin中对应的概率
Figure FDA0003937248270000031
对于渐晕去除图像
Figure FDA0003937248270000032
中灰度溢出最大取值255的像素部分进行正则化，计算溢出灰度像素占图像中所有像素的比例Rof，最终得到需要最小化的目标函数
Figure FDA0003937248270000033
具体计算公式为：
Figure FDA0003937248270000034
其中，λ为正则项系数，值取为10，即对灰度溢出的惩罚值取值为[0,10]；
Figure FDA0003937248270000035
为映射后直方图中每个bin在所有bin中对应的概率，将所有bin记为{1..k..K}，K为bin的总数，k为其中一个bin。
8.根据权利要求7所述的一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统的工作方法，其特征在于，所述步骤3.2)中，根据每个粒子的位置参数得到渐晕校正模型的过程具体为：
V(r)＝1+ar2+br4
其中，V(r)表示渐晕校正模型；r为编码图像中任一像素点P(x,y)到光心点Pc(xc,yc)的归一化径向距离，取值为[0,1]；a和b为粒子的位置参数；
将所有像素点P(x,y)对应的渐晕校正模型V(r)组成渐晕校正矩阵V；
根据渐晕校正矩阵V计算渐晕去除图像
Figure FDA0003937248270000036
Figure FDA0003937248270000037
其中，V为渐晕校正矩阵；I′为渐晕图像，渐晕图像为包含渐晕问题的编码图像。
9.根据权利要求7所述的一种包含渐晕去除算法的编码光圈光学成像系统的工作方法，其特征在于，所述步骤3)中，全局最优值为所有粒子迭代过程中的最优值，历史最优值为每个粒子迭代过程中的最优值，最优值为迭代过程中最小的目标函数值
Figure FDA0003937248270000038
对应的位置参数a和b。
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