單透鏡構建高分辨率成像系統

惠澤方 劉長青

摘要：采用一片焦距35 mm的雙凸透鏡和特定的CMOS圖像傳感器對IS012233標準測試卡進行成像。成像圖片顛倒以及水平切除并隨機放置枯葉圖片進行測試，對成像系統的適應能力、自動識別和排除干擾能力有了更高的要求，系統的研究了攝像頭硬件設計制作、光路的搭建、數字圖像處理和存儲以及程序算法等。在硬件設計方面采用USB驅動芯片CY7C68013和同步動態隨機存取存儲器MT48LC16M16A2來傳輸和存儲數據。軟件設計方面通過Visual studio程序的編寫和Quartus Ⅱ12.1來控制EP4CE6E22C8進行主要數據的操作和處理。光學光路方面采用景深延拓和偏振片來增強圖像的采集。算法方面使用超分辨率算法使得圖像的最佳化等。

關鍵詞：偏振片;離焦處理;算法重構

1 引言

利用一片焦距35mm，直徑為25.4mm的凸透鏡，材料為K9玻璃，曲率半徑為34.86mm的單透鏡。單透鏡與前端測試卡的距離為50cm，單透鏡與后端測試卡的距離為80cm。要求成像圖片顛倒以及水平切除并隨機放置枯葉圖片進行測試，對成像系統的適應能力、自動識別和排除干擾能力有了更高的要求。單透鏡成像會使光學系統整體結構簡化、降低成本。但是波前畸變會在單透鏡成像時，影響圖片成像，導致圖片質量較差，因此處理好單透鏡成像的像差對成像的干擾就尤為重要。

2 光學論證

2.1 光的吸收、色散和散射

（1）光的吸收。

光的吸收，就是指光波通過介質后，光強度因吸收而減弱的現象。在實驗設計中采取水管接頭做為鏡筒，套接單透鏡，由于水管接頭是白色且內壁比較光滑，補光所照射的光在鏡筒內壁易產生反射，從而干擾透鏡成像效果。所以，在實驗測試中，了減小單透鏡被反射光干擾，采取將鏡筒內壁磨砂，并且涂成黑色的方法，以最大限度讓鏡筒內壁吸收干擾光，并且使小部分反射光形成漫反射，以最大限度減少因鏡筒內壁光滑而產生反射對透鏡成像效果的干擾。單透鏡的鏡筒處理如圖1所示。

（2）光的色散。

介質中的光速（或折射率）隨光波波長的變化而產生色散。復色光，經過透鏡折射后會色散，單色光不會色散。根據單透鏡的光譜響應圖，如下圖2所示，可以知道透鏡對波長在450-650nm之間光譜響應圖光波響應較高。在補光光源選擇上，為了避免白光經過單透鏡產生的色散對成像質量的影響，所以選擇單色光藍光（波長范圍：450～464nm）作為ISO12233標準測試卡補光的光源。經過暗箱實驗，選擇使用單色光藍光比選擇白光（日光燈作為發光源）和紅光（紅色燈）作為補光的測試效果更清晰。

2.2 偏振片論證與選擇

二向色性材料制作而成的偏振片會對通過的光進行吸收。當對某一正偏振分量吸收較強時，會出現阻止其通過偏振片的現象。同時會對正交偏振的另一分量吸收較弱，可允許其正常通過。因此可以用偏振片將自然光轉換為線偏振光。借用偏振片來消除雜光對成像系統的影響。再經過相位補償后，會使得光的偏振狀態發生改變，從而減小波前畸變，改善成像質量。

2.3 光路結構

由于單透鏡的視場較小，所以選用0.5X的反射式ISO12233標準測試卡。在試驗臺上，需要把前后兩張測試卡在光軸上左右錯開擺放，相互不重疊，便于測試與評價。圖1為整體光路結構實物圖。

3 CMOS圖像傳感器原理與數字圖像處理技術

3.1 CMOS圖像傳感器原理

圖像傳感器是能夠將光學影像轉換成數字信號的電子器件。在本系統中，就是利用CMOS圖像傳感器，將單透鏡對ISO12233標準測試卡的成像進行捕捉并實時傳輸到計算機中。CMOS圖像傳感器是由CMOS半導體構成的，是一種有源像素傳感器。它基于硅的光電效應進行光檢測。在每個傳感器檢測到光能量時，傳感器周圍的對應電路能夠快速直接的將其轉換成模擬電壓信號。為了能夠將圖像傳感器轉換出的模擬電壓信號轉變為數字電壓信號，我在電路板上集成AD模塊。

3.2 數字圖像處理技術

3.2.1 超分辨率重建算法

將一幅低分辨率圖像通過圖像超分辨率技術不斷地進行重建，來獲得高分率的圖像。這對于單透鏡成像的后期處理有著重要意義。單個透鏡成像不同于透鏡組成像，無法利用其他透鏡進行光學調節，有很大的不足，但圖像的超分辨率重建有利于彌補這一點。在計算機機器視覺中，圖像超分辨率重建有很廣泛的應用。圖像超分辨率重建技術能夠在低分辨率圖像中較好地選擇出高分辨率信息并對其做采樣處理，在不斷的識別過程中，保留突出的數據信息，舍棄干擾信息，最終達到圖像的完美重建。

超分辨率重建算法有很多，其中消混疊重建是頻率域方法中最主要的方法。它是通過解混疊來提高低分辨率圖像的空間分辨率以實現超分辨率復原的方法。利用離散傅里葉變換、連續傅里葉變換的性質以及傅里葉逆變換等數學運算就可以實現對低分辨率圖像的復原。這種算法對圖像有很強的識別能力，而且識別精度也比較高。還會通過對原始圖像的不斷重建進行學習，以此來改進算法結構和程序。在本系統后期的圖像處理中，超分辨率算法起到了主要的作用。

4 硬件電路部分

為了獲取最佳的成像效果，我采取視頻流的形式將CMOS圖像傳感器采集到的圖像傳輸到計算機中。為了實現乒乓緩存數據，數據傳輸的帶寬要比較高，傳輸速率要足夠快才符合要求。我選取的FPGA是采用CycloneⅣ系列的芯片EP4CE6E22C8。它內部電路中集成有6272個LE邏輯單元，顯然符合本光學系統的硬件設計需求。

在Altium designer軟件上設計電路圖，將所需要的硬件電路集成到一塊電路板上，其電路板實物如下圖2所示。

4.1 圖像采集與傳輸電路

1/2英寸的像素的CMOS數字圖像傳感器，9M001像素陣列配置為1312列1048行。前16列和第一個八行的像素是光學黑色的，并可以用來監視黑色電平。最后的七列和最后的七行像素也光學黑色。黑行數據用于內部的自動黑電平調整。然而，黑色的行也可以讀出通過設置傳感器原始數據輸出模式（reg0x20，位11=1）。有1289列1033行的光學活性的像素，提供一四像素的邊界在SXGA（1280×1024）的圖像。傳感器默認模式輸出SXGA大小的圖像在30幀每秒（fps），一個片上模數轉換器（ADC）提供每像素10位。圖像傳輸電路如圖3所示。

主芯片EI'CS4SI8N通過使用I/O口66-87的引腳在時鐘脈沖下來完成CMOS數字圖像傳感器產生的數字信號，利用內部的邏輯門電路和SDRAM存儲器MT48LC8Ml6處理和存儲圖像信號，信號存儲后USB控制芯片CY7CG8013與主芯片通信將圖像信號經USB數據線傳送到電腦進行處理。

5 高分辨率重建

MATLAB軟件可以使數據可視化，通過將數據轉化為圖形表現在人面前，其中，人性化的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）有利于幫助人們分析數據和解決問題。在數字圖像處理的過程中，為了將一幅圖像中突出的數據信息進行增強處理并將干擾的數據信息進行抵消，以達到提高.圖像的分辨率的目的。本系統使用MATLAB編寫的圖像處理軟件，軟件GUI將傳輸到計算機中的圖像通過超分辨算法整合做進一步的處理，以達到進一步處理圖片和提高圖像高分辨率的目的。

通過對圖像進行算法優化處理，將處理后的圖像與初始圖像進行對比。顯而易見，圖像變得清晰，圖像質量得到改善，分辨率得到提高。系統初始采集圖像如圖4所示，算法重建后的圖像如圖5所示。Imatest是美國Imatest LCC公司開發的一款被廣泛應用的數碼圖像評測軟件。Imatest采用了更低成本的空間頻率響應（Spatial Frequency Response，SFR）來測量MTF曲線，僅需分析具有一定傾斜角度的黑白雙色斜線圖案（Slanted Edge）即可獲得所需MTF曲線。由Imatest軟件檢測處理后的圖片可得到，空間頻率響應的MTF 50為1028LW/PH，成像質量得到改善。

6 結論

本文主要研究了運用空間光調制器進行波前像差校正和光程補償提高景深的方法構建了單透鏡最佳成像系統。利用干涉儀測量單透鏡的像差，通過Virtual-Lab模擬離焦，得到畸變的波前數據。再使用Matlab軟件重建高分辨率圖像。

參考文獻

[1]蕭澤新.工程光學設計（第三版）.北京：電子工業出版社，2014.

[2]遲澤英.應用光學與光學設計基礎[M].北京。高等教育出版社，2017.

[3]廖玉博等.雙磁透鏡與單磁透鏡分幅變像管空間繁驊特性的比較[J].紅外與激光工程，2017，46（5）：184-189.

[4]阮秋琦譯.數字圖像處理的MATLAB實現（第二版）.北京：清華大學出版社，2013.

[5]章慧賢.光學傳遞函數的發展及其應用.光學儀器，1996，18（4）：28-31.

[6]徐寧等.單透鏡高分辨率成像系統的研究和設計[J].紅外與激光工程，2017，46（11）：230-236：

[7]王矯，楊建峰，馬臻.OTF測試中CCD對測試準確度的影響和修正.光子學報，2007，36（3）：500-501.

[8]Ma Chenhao，Hartmann-Shack sensor based Micro-scanningimage detection[J].Optik-International Journal for Light andElectron Optics，2015，126（6）：609-613.the Power EnvelopForm the Reverberant Signal.IEEE，2003.