本发明专利技术公开一种集成成像超分辨率微单元图像阵列采集与重构方法，主要解决现有相机分辨率不能满足集成成像要求的问题。本发明专利技术的成像方法包括：(1).设置多值编码掩膜阵列；(2).获取低分辨率压缩编码微单元图像阵列；(3).图像预处理；(4).重构超分辨率微单元图像阵列。本发明专利技术在微透镜阵列的中间像平面添加多值编码掩膜阵列，记录多幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列，采用稀疏优化重构算法获得超分辨率微单元图像阵列。本发明专利技术具有微单元图像阵列超分辨率重构，集成成像显示视场范围大的优点。本发明专利技术可用于3D电影、医学成像等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于图像处理
，更进一步涉及三维光学成像与立体显示超分辨率图像成像
中的一种集成成像超分辨率微单元图像阵列采集与重构方法。本专利技术可用于3D电影、医学成像等领域，实现集成成像微单元图像的超分辨率的采集和重构。
技术介绍
观看分辨率低是限制集成成像技术发展的一个重要因素。其中，集成成像的分辨率取决于探测器的像元，提高微单元图像阵列的分辨率意味着要在更大的传感器基底上面制造更多更小尺寸的像元。然而受到探测器加工工艺和制作成本的限制，很难通过采用减小像元尺寸和增加像元数量的方式来提高分辨率。长春理工大学在其申请的专利“一种提高计算机集成图像重构分辨率的方法”(专利申请号201210500935.7，公开号CN 103021014 A)中公开了一种通过低分辨率采样及元素图像拼接的高分辨率成像方法。该方法利用集成成像微单元图像阵列中相邻微单元图像具有部分相似信息的特点，在计算机重构时对微单元图像集合进行周期性选取，从每个选取的微单元图像中提取若干像素进行拼接，从而获得最终的高分辨率重构图像。该方法存在的不足之处是，通过简单拼接重组重构的高分辨率微单元图像比较模糊，重构本身仍然受低分辨率微单元图像的限制，不能解决现有技术中难以通过减小像元尺寸或增加像元数量的方式提高成像分辨率的问题，集成成像显示端观测视场范围变化不大。Dong-Hak Shin和Chun-Wei Tan等人在其发表的论文“Resolution-enhanced three-dimensional image reconstruction by use of smart pixel mapping in computational integral imaging.”(《Applied Optics》47(35):6656-6665 2008)中提出了一种基于智能像素映射的计算集成成像高分辨率重建方法。该方法利用智能像素映射将记录远距离的微单元图像阵列转换为记录微透镜阵列附近的微单元图像阵列，通过计算集成成像技术得到远距离场景的更高分辨率微单元图像阵列。该方法存在的不足之处是，采用的智能像素映射只是简单的将远距离的三维场景映射到靠近微透镜阵列的位置，三维图像的分辨率仍然受到探测器像元大小的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种集成成像超分辨率微单元图像阵列采集与重构方法，以实现利用低分辨率的探测器阵列获得超分辨率微单元图像阵列，提升集成成像显示质量，降低成像系统的实现难度和图像重构复杂度。实现本专利技术的基本思路是：设置多值编码掩膜阵列，将多值编码掩膜阵列放在在微透镜阵列的中间像平面，多值编码掩膜阵列对进入微透镜阵列的光束进行空域调制，利用时变技术控制多值编码掩膜阵列变换，记录多幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列，利用稀疏优化重构算法对多幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列进行重构，获得超分辨率微单元图像阵列。实现本专利技术目的的具体步骤如下：(1)建立集成成像模型：(1a)在相机的探测器阵列中心的前端设置中继镜头，探测器阵列的平面与中继镜头之间的距离等于中继镜头的焦距；(1b)在中继镜头中心的前端设置M×V的微透镜阵列，M表示微透镜水平排列的数目，V表示微透镜垂直排列的数目，相邻微透镜之间间距为d；中继镜头与微透镜阵列之间的距离等于微透镜阵列的焦距，不同微透镜记录来自不同方向的光线，微透镜阵列经过中继镜头在探测器阵列上成像的大小等于探测器阵列的大小，每一个微透镜对应探测器阵列上S×S个像元，S表示一个微透镜对应的探测器阵列上像元水平和垂直排列的数目；(2)设置多值编码掩膜阵列：(2a)在空间光调制器的工作区域模板的左上角上，划分一个正方形区域，该正方形区域边长等于单个微透镜通光孔径的直径；(2b)在正方形区域上，按水平和垂直方向划分为多个与微透镜对应探测器阵列上像元尺寸相同的小正方形区域，将每一个小正方形按水平和垂直方向设置为m×m的多值编码掩膜，m表示探测器阵列上单个像元对应的多值编码掩膜的垂直和水平排列的数目；(2c)以相邻微透镜间距d为间隔，按水平方向M-1次和垂直方向V-1次复制设置好的多值编码掩膜的正方形区域，得到多值编码掩膜阵列，M表示微透镜水平排列的数目，V表示微透镜垂直排列的数目；(2e)将多值编码掩膜阵列置于集成成像模型中微透镜阵列的中间像平面处，多值编码掩膜阵列上的每个正方形区域中心与每个微透镜中心对准；(3)获取低分辨率压缩编码微单元图像阵列：(3a)将采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的帧数i赋值为1，0<i<R，R表示采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的总次数；(3b)按下相机快门，多值编码掩膜阵列对进入集成成像模型的光束进行空域调制，在探测器阵列平面记录第i幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列，每一个多值编码掩膜对应一个低分辨率压缩编码微单元图像阵列中的一个低分辨率压缩编码像素点；(3c)随机选取满足同一高斯随机分布的一个高斯随机矩阵，用所选取的高斯随机矩阵对每一个多值编码掩膜进行编码，得到同一个空间光调制器上编码后的多值编码掩膜阵列；(3d)判断低分辨率压缩编码微单元图像阵列的帧数i是否等于采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的总次数R，若是，则执行步骤(4)；否则，将低分辨率压缩编码微单元图像阵列的帧数i加1后，执行步骤(3b)；(4)图像预处理：通过中值滤波器，对获得的多幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列进行预处理，滤除多幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中的噪声，获得多幅滤除噪声的低分辨率压缩编码微单元图像阵列；(5)重构超分辨率微单元图像阵列：(5a)将待重构的每一幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中的低分辨率压缩编码像素点的水平坐标x赋值为1，0<x≤M×S；将待重构的每一幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中低分辨率压缩编码像素点的垂直坐标y赋值为1，0<x≤V×S，其中M表示微透镜水平排列的数目，S表示一个微透镜对应的探测器阵列上像元水平和垂直排列的数目，V表示微透镜垂直排列的数目；(5b)按采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的顺序，依次取出每一幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中，坐标为(x,y)的低分辨率压缩编码像素点，组成低分辨率压缩编码像素点列向量；(5c)采用稀疏优化重构方法，对低分辨率压缩编码像素点列向量进行重构，获得重建的超分辨率单元图像列向量；(5d)将重建的超分辨率单元图像列向量组成m×m的超分辨率单元图像矩阵，得到超分辨率微单元图像阵列中坐标为(x,y)的超分辨率单元图像，m表示探测器阵列上单个像元对应的多值编码掩膜的垂直和水平排列的数目；(5e)判断x是否等于M×S，若是，则执行步骤(5f)；否则，将x加1后，执行步骤(5b)，其中，x表示低分辨率压缩编码微单元图像阵列中低分辨率压缩编码像素点的水平坐标，M表示微透镜水平排列的数目，S表示一个微透镜对应的探测器阵列上像元水平和垂直排列的数目；(5f)判断y是否等于V×S，若是，则执行步骤(6)；否则，将y加1，且将x赋值为1后，执行步骤(5b)，其中，y表示低分辨率压缩编码微单元图像阵列中低分辨率压缩编码像素点的垂直坐标，V表示微透镜垂直排列的数目，S表示一个微透镜对应的探测器阵列本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种集成成像超分辨率微单元图像阵列采集与重构方法，包括以下步骤：(1)建立集成成像模型：(1a)在相机的探测器阵列中心的前端设置中继镜头，探测器阵列的平面与中继镜头之间的距离等于中继镜头的焦距；(1b)在中继镜头中心的前端设置M×V的微透镜阵列，M表示微透镜水平排列的数目，V表示微透镜垂直排列的数目，相邻微透镜之间间距为d；中继镜头与微透镜阵列之间的距离等于微透镜阵列的焦距，不同微透镜记录来自不同方向的光线，微透镜阵列经过中继镜头在探测器阵列上成像的大小等于探测器阵列的大小，每一个微透镜对应探测器阵列上S×S个像元，S表示一个微透镜对应的探测器阵列上像元水平和垂直排列的数目；(2)设置多值编码掩膜阵列：(2a)在空间光调制器的工作区域模板的左上角上，划分一个正方形区域，该正方形区域边长等于单个微透镜通光孔径的直径；(2b)在正方形区域上，按水平和垂直方向划分为多个与微透镜对应探测器阵列上像元尺寸相同的小正方形区域，将每一个小正方形按水平和垂直方向设置为m×m的多值编码掩膜，m表示探测器阵列上单个像元对应的多值编码掩膜的垂直和水平排列的数目；(2c)以相邻微透镜间距d为间隔，按水平方向M‑1次和垂直方向V‑1次复制设置好的多值编码掩膜的正方形区域，得到多值编码掩膜阵列，M表示微透镜水平排列的数目，V表示微透镜垂直排列的数目；(2e)将多值编码掩膜阵列置于集成成像模型中微透镜阵列的中间像平面处，多值编码掩膜阵列上的每个正方形区域中心与每个微透镜中心对准；(3)获取低分辨率压缩编码微单元图像阵列：(3a)将采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的帧数i赋值为1，0<i<R，R表示采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的总次数；(3b)按下相机快门，多值编码掩膜阵列对进入集成成像模型的光束进行空域调制，在探测器阵列平面记录第i幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列，每一个多值编码掩膜对应一个低分辨率压缩编码微单元图像阵列中的一个低分辨率压缩编码像素点；(3c)随机选取满足同一高斯随机分布的一个高斯随机矩阵，用所选取的高斯随机矩阵对每一个多值编码掩膜进行编码，得到同一个空间光调制器上编码后的多值编码掩膜阵列；(3d)判断低分辨率压缩编码微单元图像阵列的帧数i是否等于采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的总次数R，若是，则执行步骤(4)；否则，将低分辨率压缩编码微单元图像阵列的帧数i加1后，执行步骤(3b)；(4)图像预处理：通过中值滤波器，对获得的多幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列进行预处理，滤除多幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中的噪声，获得多幅滤除噪声的低分辨率压缩编码微单元图像阵列；(5)重构超分辨率微单元图像阵列：(5a)将待重构的每一幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中的低分辨率压缩编码像素点的水平坐标x赋值为1，0<x≤M×S；将待重构的每一幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中低分辨率压缩编码像素点的垂直坐标y赋值为1，0<x≤V×S，其中M表示微透镜水平排列的数目，S表示一个微透镜对应的探测器阵列上像元水平和垂直排列的数目，V表示微透镜垂直排列的数目；(5b)按采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的顺序，依次取出每一幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中，坐标为(x,y)的低分辨率压缩编码像素点，组成低分辨率压缩编码像素点列向量；(5c)采用稀疏优化重构方法，对低分辨率压缩编码像素点列向量进行重构，获得重建的超分辨率单元图像列向量；(5d)将重建的超分辨率单元图像列向量组成m×m的超分辨率单元图像矩阵，得到超分辨率微单元图像阵列中坐标为(x,y)的超分辨率单元图像，m表示探测器阵列上单个像元对应的多值编码掩膜的垂直和水平排列的数目；(5e)判断x是否等于M×S，若是，则执行步骤(5f)；否则，将x加1后，执行步骤(5b)，其中，x表示低分辨率压缩编码微单元图像阵列中低分辨率压缩编码像素点的水平坐标，M表示微透镜水平排列的数目，S表示一个微透镜对应的探测器阵列上像元水平和垂直排列的数目；(5f)判断y是否等于V×S，若是，则执行步骤(6)；否则，将y加1，且将x赋值为1后，执行步骤(5b)，其中，y表示低分辨率压缩编码微单元图像阵列中低分辨率压缩编码像素点的垂直坐标，V表示微透镜垂直排列的数目，S表示一个微透镜对应的探测器阵列上像元水平和垂直排列的数目，x表示低分辨率压缩编码微单元图像阵列中低分辨率压缩编码像素点的水平坐标；(6)输出超分辨率微单元图像阵列。...
【技术特征摘要】
1.一种集成成像超分辨率微单元图像阵列采集与重构方法，包括以下步骤：(1)建立集成成像模型：(1a)在相机的探测器阵列中心的前端设置中继镜头，探测器阵列的平面与中继镜头之间的距离等于中继镜头的焦距；(1b)在中继镜头中心的前端设置M×V的微透镜阵列，M表示微透镜水平排列的数目，V表示微透镜垂直排列的数目，相邻微透镜之间间距为d；中继镜头与微透镜阵列之间的距离等于微透镜阵列的焦距，不同微透镜记录来自不同方向的光线，微透镜阵列经过中继镜头在探测器阵列上成像的大小等于探测器阵列的大小，每一个微透镜对应探测器阵列上S×S个像元，S表示一个微透镜对应的探测器阵列上像元水平和垂直排列的数目；(2)设置多值编码掩膜阵列：(2a)在空间光调制器的工作区域模板的左上角上，划分一个正方形区域，该正方形区域边长等于单个微透镜通光孔径的直径；(2b)在正方形区域上，按水平和垂直方向划分为多个与微透镜对应探测器阵列上像元尺寸相同的小正方形区域，将每一个小正方形按水平和垂直方向设置为m×m的多值编码掩膜，m表示探测器阵列上单个像元对应的多值编码掩膜的垂直和水平排列的数目；(2c)以相邻微透镜间距d为间隔，按水平方向M-1次和垂直方向V-1次复制设置好的多值编码掩膜的正方形区域，得到多值编码掩膜阵列，M表示微透镜水平排列的数目，V表示微透镜垂直排列的数目；(2e)将多值编码掩膜阵列置于集成成像模型中微透镜阵列的中间像平面处，多值编码掩膜阵列上的每个正方形区域中心与每个微透镜中心对准；(3)获取低分辨率压缩编码微单元图像阵列：(3a)将采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的帧数i赋值为1，0<i<R，R表示采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的总次数；(3b)按下相机快门，多值编码掩膜阵列对进入集成成像模型的光束进行空域调制，在探测器阵列平面记录第i幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列，每一个多值编码掩膜对应一个低分辨率压缩编码微单元图像阵列中的一个低分辨率压缩编码像素点；(3c)随机选取满足同一高斯随机分布的一个高斯随机矩阵，用所选取的高斯随机矩阵对每一个多值编码掩膜进行编码，得到同一个空间光调制器上编码后的多值编码掩膜阵列；(3d)判断低分辨率压缩编码微单元图像阵列的帧数i是否等于采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的总次数R，若是，则执行步骤(4)；否则，将低分辨率压缩编码微单元图像阵列的帧数i加1后，执行步骤(3b)；(4)图像预处理：通过中值滤波器，对获得的多幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列进行预处理，滤除多幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中的噪声，获得多幅滤除噪声的低分辨率压缩编码微单元图像阵列；(5)重构超分辨率微单元图像阵列：(5a)将待重构的每一幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中的低分辨率压缩编码像素点的水平坐标x赋值为1，0<x≤M×S；将待重构的每一幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中低分辨率压缩编码像素点的垂直坐标y赋值为1，0<x≤V×S，其中M表示微透镜水平排列的数目，S表示一个微透镜对应的探测器阵列上像元水平和垂直排列的数目，V表示微透镜垂直排列的数目；(5b)按采集低分辨率压缩编码微单元图像阵列的顺序，依次取出每一幅低分辨率压缩编码微单元图像阵列中，坐标为(x,y)的低分辨率压缩编码像素点，组成低分辨率压缩编码像素点列向量；(5c)采用稀疏优化重构方法，对低分辨率压缩编码像素点列向量进行重构，获得重建的超分辨率单元图像列向量；(5d)将重建的超分辨率单元图像列向量组成m×m的超分辨率单元图像矩阵，得到超分辨率微单元图像阵列中坐标为(x,y)的超分辨率单元图像，m表示探测器阵列上单个像元对应的多值编码掩膜的垂直和水平排列的数目；(5e)判断x是否等于M×S，若是，则执行步骤(5f)；否则，将x加1后，执行步骤(5b)，其中，x表示低分辨率压缩编码微单元图像阵列中低分辨率压缩编码像素点的水平坐标，M表示微透镜水平排列的数目，S表示一个微透镜对应的探测器阵列上像元水平和垂直排列的数目；(5f)判断y是否等于V×S，若是，则执行步骤(6)；否则，将y加1，且将x赋值为1后，执行步骤(5b)，其中，y表示低分辨率压缩编码微单元图像阵列...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓蕊，袁影，穆江浩，郭丹凤，张建磊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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