波前编码超分辨成像技术

赵惠; 魏静萱; 庞志海; 刘美莹

doi:10.3788/IRLA201645.0422003

波前编码超分辨成像技术

doi: 10.3788/IRLA201645.0422003

1.
中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学应用研究室,陕西西安 710119;
2.
西安电子科技大学计算机科学与技术学院,陕西西安 710071

基金项目:

国家自然科学基金(61107008,61203372,61105017)

详细信息

作者简介:
赵惠(1981-),男,副研究员,博士,主要从事新型光学成像技术方面的研究。Email:zhaohui@opt.ac.cn

中图分类号: O439

Wave-front coded super-resolution imaging technique

1.
Space Optics Lab,Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi'an 710119,China)
2.
School of Computer Science and Technology,Xidian University,Xi'an 710071,China

摘要: 波前编码作为一种经典的计算成像技术,以能够大幅度拓展光学成像系统的焦深而闻名,并得到了学术界及工业界长期的关注。实际上,除了焦深的拓展,波前编码还具备实现超分辨率成像的潜力,而这在已有的研究中鲜有讨论。一方面,相位掩膜板的引入在降低光学系统传递函数并使其对离焦不敏感的同时,也有效降低了欠采样数字成像系统中的混叠效应,从而提供了更适合于进行超分辨率重构的数据源。另一方面,相位掩膜板所引起的点扩散函数支持域的巨大化效应使得以数字的方式、从采样间隔可以被认为是无限小的、理想的光学焦平面点扩散函数来计算与特定探测器物理像元大小相对应的采样点扩散函数成为可能。因此,从这两个特点出发,提出了一种为波前编码系统定制的、基于单帧图像放大的超分辨率重构算法,并且研制了原型样机对超分辨率的效果进行了检验。试验表明:焦距50 mm/F数4.5的Cooke三片系统除了焦深拓展超过20倍且具有接近衍射受限成像品质之外,利用复原算法能够实现至少3倍的高品质超分辨率重建效果。
- 波前编码 /
- 计算成像 /
- 焦深拓展 /
- 超分辨率
Abstract: Wave-front coding is a classical computational imaging technique and famous for its capability in extending the depth of focus(DOF) of incoherent imaging system. In fact, besides the DOF extension, this technique has the potentials in realizing super-resolution imaging, which is rare to be investigated in existing literatures. On the one hand, the introduction of phase mask makes defocus invariance of optical transfer function(OTF) possible and the dramatic decrease of modulus of OTF alleviates the aliasing effect owned by most digital imaging systems. In this case, a better image data suitable for super-resolution imaging could be provided. On the other hand, the prominent expansion of point spread function(PSF) allows us to obtain the real sampled PSF corresponding to any specific pitch size in a digital way using the ideal continuous optical PSF whose sampling interval could be considered as unlimitedly small. Therefore, based on these two characteristics, an amplification based single image super-resolution reconstruction algorithm was especially designed for wave-front coded imaging system and an experimental prototype camera has been fabricated to verify the effectiveness of the algorithm. The results demonstrate that the extended DOF which is more than 20 times original DOF has been obtained and at least 3X super-resolution reconstruction effect could be achieved. Besides that, the quality of reconstructed image approaches the diffraction limited level.
- wave-front coding /
- computational imaging /
- depth of focus extension /
- super-resolution

[1]	Dowski E R, Cathey W T. Extended depth of field through wave-front coding[J]. Appl Opt, 1995, 34(11):1859-1866.
[2]	Sherif S S, Cathey W T, Dowski E R. Phase plate to extend the depth of field of incoherent hybrid imaging systems[J]. Appl Opt, 2004, 43(13):2709-2721.
[3]	Zhao H, Li Q. Improved logarithmic phase mask to extend the depth of field of an incoherent imaging system[J]. Opt Lett, 2008, 33(11):1171-1173.
[4]	Yang Qingguo, Liu Liren, Sun Jianfeng. Optimized phase pupil masks for extended depth of field[J]. Opt Commu, 2007, 272:56-66.
[5]	Angel Sauceda, Jorge Ojeda-Castaneda. High focal depth with fractional-power wave fronts[J]. Opt Lett, 2004, 29(6):560-562.
[6]	Caron Nicolas, Sheng Yunlong. Polynomial phase masks for extending the depth of field of a microscope[J]. Appl Opt, 2008, 47(22):E39-E43.
[7]	Hsin-Yueh Sung, Sidney S Yang, Horng Chang. Design of mobile phone lens with extended depth of field based on point-spread function focus invariance[C]//SPIE, 2008, 7061:706107.
[8]	Andrews H C, Hunt B R. Digital Image Restoration[M]. Beijing:Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1997.
[9]	Rafael C Gonzalez, Richard E Wood. Digital Image Processing[M]. 2nd ed. Beijing:Publishing House of Electronics Industry, 2003:207-210.
[10]	Prasad S, Torgersen T C. Engineering the pupil phase to improve image quality[C]//SPIE, 2003, 5108:1-12.
[11]	Prasad S, Torgersen T C, Pauca V P, et al. High-resolution imaging using integrated optical systems[J]. Wiley Periodicals, 2004, 14:67-74.
[12]	Zhang Wenzi, Chen Yanping, Zhao Tingyu, et al. Simple Strehl ratio based method for pupil phase mask's optimization in wavefront coding system[J]. Chin Opt Lett, 2006, 4(9):515-517.
[13]	Liu Qinxiao, Zhao Tingyu, Chen Yanping, et al. Pupil design based on Fisher information optimization to extend the depth of field in practical optical system[J]. Chin Opt Lett, 2010, 8(2):159-161.
[14]	Liu Qinxiao. Theory research and application of the decoding algorithms based on wave-front coding imaging system[D]. Hangzhou:Zhejiang University, 2010. (in Chinese)刘钦晓. 波前编码系统解码算法理论研究及其应用[D]. 杭州:浙江大学, 2010.
[15]	Zhao Yingyu. Theory analysis, design and realization of imaging system with deep-field depth and large-viewing angle based on wave-front coding[D]. Hangzhou:Zhejiang University, 2009. (in Chinese)赵廷玉. 大景深大视场波前编码成像系统理论研究、设计及实现[D]. 杭州:浙江大学, 2009.
[16]	Zhang Xin. Research on the image restoration in wave-front coding technology[D]. Changchun:Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2010. (in Chinese)张欣. 波前编码技术中的图像复原研究[D]. 长春:中国科学院长春光学精密机械研究所, 2010.
[17]	Xu Zhigao. Research on the imaging property of wave-front coding optical system and its application in cell phone lens[D]. Harbin:Harbin Engineering University, 2012. (in Chinese)许志高. 波前编码光学成像系统特性及其在手机摄像头的应用研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2012.
[18]	Wang Jinyu. Study on the wave-front coding technique and its application in measuring crack width[D]. Tianjin:Tianjin University, 2008. (in Chinese)王金玉. 波前编码技术及其在裂缝宽度测量中的应用研究[D]. 天津:天津大学, 2008.
[19]	Wang Shuai. Design of microscope objective with deep depth of field based on the wave-front coding theory[D]. Harbin:Harbin Engineering University, 2012. (in Chinese)王帅. 基于波前编码技术的大景深显微物镜理论及其设计[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2012.
[20]	Lv Tianyu. Athermalization of infrared optical system based on wave-front coding[D]. Harbin:Harbin Engineering University, 2010. (in Chinese)吕天宇. 基于波前编码技术红外光学系统无热化设计[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2010.
[21]	Eric J Tremblay, Joel Rutkowski, Inga Tamayo, et al. Relaxing the alignment and fabrication tolerances of thin annular folded imaging systems using wavefront coding[J] Appl Opt, 2007, 46(27):6751-6758.
[22]	Deokhw Hong, Kangmin Park, Hyungsuck Cho, et al. Flexible depth-of-field imaging system using a spatial light modulator[J]. Appl Opt, 2007, 46(36):8591-8599.
[23]	S Lee, N Park, Y Park. Breaking diffraction limit of a small F-number compact camera using wavefront coding[J]. Opt Express, 2008, 16:13569-13578.
[24]	Zhang Xiaoling, Shen Lansun. A survey of super resolution imaging reconstruction[J]. Measurement Control Technology, 2005, 24(5):1-5. (in Chinese)张晓玲, 沈兰荪. 超分辨率图像复原技术的研究进展[J]. 测控技术, 2005, 24(5):1-5.
[25]	Zhuo Li, Wang Suyu, Li Xiaoguang. Image/Video Super Resolution[M]. Beijing:Posts Telecom Press, 2011:81-94. (in Chinese)卓力, 王素玉, 李晓光. 图像视频的超分辨率复原[M]. 北京:人民邮电出版社, 2011:81-94.
[26]	S C Park, M K Park, Moon Gi Kang. Super-resolution image reconstruction:a technical review[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2003, (5):21-36.
[27]	Zhang X L, Lam K M, Shen L S. Image magnification based on adaptive MRF model parameter estimation[C]//Proceedings of International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems, 2005:653-656.
[28]	S Borman, R Stevenson. Spatial resolution enhancement of low-resolution image sequences:a comprehensive review with directions for future research[R]. Lab of Image and Signal Analysis, University of Notre Dame, 1998.

[1]	陈钱. 先进夜视成像技术发展探讨 . 红外与激光工程, 2022, 51(2): 20220128-1-20220128-8. doi: 10.3788/IRLA20220128
[2]	左超, 陈钱. 计算光学成像：何来，何处，何去，何从？ . 红外与激光工程, 2022, 51(2): 20220110-1-20220110-184. doi: 10.3788/IRLA20220110
[3]	赵海博, 刘彦丽, 杨雯铄, 苏云, 高大化, 孙权森, 赵慧洁. 双通道衍射计算成像光谱仪系统 . 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20220077-1-20220077-8. doi: 10.3788/IRLA20220077
[4]	史泽林, 冯斌, 冯萍. 基于波前编码的无热化红外成像技术综述（特邀） . 红外与激光工程, 2022, 51(1): 20210454-1-20210454-11. doi: 10.3788/IRLA20210454
[5]	廖兆琨, 王汉, 陈文, 孙鸣捷. 紧凑双光路单像素成像系统（特邀） . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210723-1-20210723-7. doi: 10.3788/IRLA20210723
[6]	程永强, 王宏强, 曹凯程, 刘康, 罗成高. 微波关联成像研究进展及展望（特邀） . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210790-1-20210790-21. doi: 10.3788/IRLA20210790
[7]	郑培霞, 刘亦辰, 刘宏超. 单像素成像与超表面成像（特邀） . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20211058-1-20211058-12. doi: 10.3788/IRLA20211058
[8]	孙宝清, 江山, 马艳洋, 蒋文杰, 殷永凯. 单像素成像在特殊波段及三维成像的应用发展 . 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0303016-0303016-16. doi: 10.3788/IRLA202049.0303016
[9]	范斌, 刘彦丽, 赵海博, 徐婧, 孙权森, 王旭. 新型深空高光谱衍射计算成像探测技术（特约） . 红外与激光工程, 2020, 49(5): 20201005-20201005-6. doi: 10.3788.IRLA20201005
[10]	周军, 陈守谦, 甄政, 欧文, 熊健. 基于波前编码的大焦深弹载双色红外探测系统 . 红外与激光工程, 2020, 49(4): 0404001-0404001-5. doi: 10.3788/IRLA202049.0404001
[11]	张子邦, 陆天傲, 彭军政, 钟金钢. 傅里叶单像素成像技术与应用 . 红外与激光工程, 2019, 48(6): 603002-0603002(19). doi: 10.3788/IRLA201948.0603002
[12]	刘正君, 耿勇, 谭久彬. 基于柱透镜多旋转测量的计算成像 . 红外与激光工程, 2019, 48(6): 603016-0603016(5). doi: 10.3788/IRLA201948.0603016
[13]	刘永峰, 王年, 王峰, 李从利, 刘晓, 徐国明. 基于谱间相似性的高光谱图像稀疏超分辨率算法 . 红外与激光工程, 2019, 48(S1): 181-192. doi: 10.3788/IRLA201948.S128003
[14]	刘正君, 郭澄, 谭久彬. 基于多距离相位恢复的无透镜计算成像技术 . 红外与激光工程, 2018, 47(10): 1002002-1002002(16). doi: 10.3788/IRLA201847.1002002
[15]	李生福, 赵宇, 陈光华, 罗振雄, 叶雁. 选择型照明傅里叶叠层成像提取粒子尺度 . 红外与激光工程, 2017, 46(11): 1103005-1103005(8). doi: 10.3788/IRLA201746.1103005
[16]	袁影, 王晓蕊, 吴雄雄, 穆江浩, 张艳. 多孔径压缩编码超分辨率大视场成像方法 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 824001-0824001(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0824001
[17]	刘子伟, 许廷发, 王洪庆, 申子宜, 饶志涛. 深度成像理论与实现 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 726001-0726001(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0726001
[18]	王新伟, 刘晓泉, 游瑞蓉, 范松涛, 何军, 周燕. 距离选通超分辨率三维成像及其应用 . 红外与激光工程, 2016, 45(8): 824001-0824001(8). doi: 10.3788/IRLA201645.0824001
[19]	郭小虎, 赵跃进, 吴益剑. 波前编码技术在同轴三反系统的应用及其分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(7): 2075-2079.
[20]	王强, 张勇, 郝利丽, 靳辰飞, 杨旭, 徐璐, 杨成华, 赵远. 基于奇相干叠加态的超分辨率量子激光雷达 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2569-2574.

点击查看大图

计量

文章访问数: 858
HTML全文浏览量: 85
PDF下载量: 754
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

留言板

波前编码超分辨成像技术

doi: 10.3788/IRLA201645.0422003

作者简介:
赵惠(1981-),男,副研究员,博士,主要从事新型光学成像技术方面的研究。Email:zhaohui@opt.ac.cn

Wave-front coded super-resolution imaging technique

计量

波前编码超分辨成像技术

doi: 10.3788/IRLA201645.0422003

1. 中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学应用研究室,陕西西安 710119;

2. 西安电子科技大学计算机科学与技术学院,陕西西安 710071

作者简介:
赵惠(1981-),男,副研究员,博士,主要从事新型光学成像技术方面的研究。Email:zhaohui@opt.ac.cn

English Abstract

Wave-front coded super-resolution imaging technique

1. Space Optics Lab,Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi'an 710119,China)

2. School of Computer Science and Technology,Xidian University,Xi'an 710071,China

全文HTML

目录

留言板

波前编码超分辨成像技术

doi: 10.3788/IRLA201645.0422003

作者简介: 赵惠(1981-),男,副研究员,博士,主要从事新型光学成像技术方面的研究。Email:zhaohui@opt.ac.cn

Wave-front coded super-resolution imaging technique

计量

出版历程

波前编码超分辨成像技术

doi: 10.3788/IRLA201645.0422003

1. 中国科学院西安光学精密机械研究所 空间光学应用研究室,陕西 西安 710119; 2. 西安电子科技大学 计算机科学与技术学院,陕西 西安 710071

作者简介: 赵惠(1981-),男,副研究员,博士,主要从事新型光学成像技术方面的研究。Email:zhaohui@opt.ac.cn

English Abstract

Wave-front coded super-resolution imaging technique

1. Space Optics Lab,Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi'an 710119,China) 2. School of Computer Science and Technology,Xidian University,Xi'an 710071,China

全文HTML

目录

作者简介:
赵惠(1981-),男,副研究员,博士,主要从事新型光学成像技术方面的研究。Email:zhaohui@opt.ac.cn

1. 中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学应用研究室,陕西西安 710119;

2. 西安电子科技大学计算机科学与技术学院,陕西西安 710071

作者简介:
赵惠(1981-),男,副研究员,博士,主要从事新型光学成像技术方面的研究。Email:zhaohui@opt.ac.cn

1. Space Optics Lab,Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi'an 710119,China)

2. School of Computer Science and Technology,Xidian University,Xi'an 710071,China