專利名稱：波前編碼成像系統(tǒng)的優(yōu)化圖像處理的制作方法
本申請為2003年2月27日提交的、發(fā)明名稱為“波前編碼成像系統(tǒng)的優(yōu)化圖像處理”、申請?zhí)枮?38093715的專利申請的分案申請。
相關(guān)申請
本申請要求2002年2月27日提交的第60/360147號美國專利申請的優(yōu)先權(quán)，該申請內(nèi)容通過引用包含在本說明書中。
背景技術(shù)：
波前編碼是指一組專用的非球面光學系統(tǒng)(aspheric optics)、檢測與信號處理。在現(xiàn)有技術(shù)中，信號處理由非球面光學系統(tǒng)支配，因此能消除因波前編碼導致的空間模糊。非球面光學系統(tǒng)“編碼”波前，以便使抽樣圖像不受與散焦(misfocus)相關(guān)的像差的影響。來自編碼波前的中間圖像(即被檢測器抽樣獲取的圖像)銳度差且不清晰。信號處理對來自檢測器的信號進行處理，以清除由非球面光學系統(tǒng)引致的空間模糊，從而對波前編碼實現(xiàn)“解碼”。
作為例子，

圖1顯示了一個現(xiàn)有技術(shù)波前編碼成像系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括光學系統(tǒng)101和波前編碼的非球面光學元件110，它們協(xié)同工作以在檢測器120形成中間圖像。元件110用于對系統(tǒng)100的波前進行編碼。來自檢測器120的數(shù)據(jù)流125由圖像處理部分140進行處理，以解碼波前并產(chǎn)生最終圖像141。數(shù)字濾波器(“濾波器核心”(filter kernel))130由圖像處理部分140執(zhí)行實現(xiàn)。濾波器核心130由濾波器抽頭(filtertap)，或“權(quán)”組成，“權(quán)”為具有最大動態(tài)范圍的實數(shù)值或整數(shù)值，最大動態(tài)范圍取決于用于處理的硬件和軟件的限制，例如128位擴展浮點運算、實數(shù)數(shù)學計算，以及整數(shù)值的定標/截斷。例如，定標通常可以包括一系列的部分乘積、計算和累加。
在現(xiàn)有技術(shù)中，光學元件110和檢測器120不一定必須與圖像處理部分140所能達到的處理能力相匹配；因此，最終圖像141可能會出現(xiàn)顯著的圖像質(zhì)量劣化情形。假如要使光學元件110和檢測器120與圖像處理部分140所能達到的處理能力相匹配，則需要非常復雜且耗資不菲的硬件設(shè)備，以用在檢測器性能、改進元件110的光學設(shè)計、和/或與圖像處理部分140有關(guān)的計算機處理運算能力等方面。
發(fā)明簡介 如下所述，本發(fā)明所披露的波前編碼成像系統(tǒng)同時實現(xiàn)了對其非球面光學系統(tǒng)和電子裝置的優(yōu)化。在一個實施例中，對光學和電子學同時加以優(yōu)化以提供理想的光學和/或機械性能，因此像差得以控制，使物理透鏡數(shù)目最小化，對機械公差要求降低，等等。在另一個實施例中，對光學系統(tǒng)和電子最終同時加以優(yōu)化，重點在于對電子參量的優(yōu)化，以便減少為硬件處理所需要的硅和/或存儲器的數(shù)量；這有助于優(yōu)化使用非理想檢測器獲取的圖像的質(zhì)量和/或利用固定的硬件處理解決方案(例如，費用低廉的解決方案)來優(yōu)化圖像質(zhì)量。
著重優(yōu)化電子處理例如對涉及很多單元器件數(shù)量和專用硬件處理技術(shù)的成像應用非常重要。這類應用的例子包括用于蜂窩電話、視頻會議以及個人通信裝置中的微型照相機。通過同時優(yōu)化光學和機械以及電子參量，就可以制造出高品質(zhì)的成像系統(tǒng)，其在物理元件、裝置和圖像處理等方面費用低廉。
因此，在一些方面，所披露的波前編碼成像系統(tǒng)具有優(yōu)化的成像處理。在一方面，優(yōu)化圖像處理所用的硬件實施方式，其中數(shù)字濾波器的濾波器抽頭值是一組專用的、簡化了的整數(shù)。而這些整數(shù)又使圖像處理所用硬件的復雜性、尺寸和/或費用得以減小。這組簡化了的濾波器抽頭值例如是“二的冪”數(shù)值，二的冪數(shù)值的和值與差值，且濾波器的相鄰濾波器抽頭值的差值是二的冪。與抽頭值簡化的這些例子有關(guān)的限制使得與圖像處理相關(guān)的乘法運算(或通用的部分乘積累加運算)的次數(shù)減少了。
濾波器抽頭值與濾波器核心的空間位置有關(guān)。另外，濾波器抽頭值的動態(tài)范圍可以是關(guān)于光學元件和波前編碼元件定位的空間位置的函數(shù)。在一個實施例中，接近濾波器核心的幾何中心的抽頭值具有動態(tài)范圍較大，而接近濾波器核心的邊緣的抽頭值則具有動態(tài)范圍較小，當隨著距光軸距離增大而波前編碼響應趨于向小數(shù)值收斂時非常有用。另外，由于當以檢測器或人眼處理時檢測器或人眼對不同波帶響應不同，所以濾波器抽頭值可以是關(guān)于多色成像信道特性的函數(shù)。
例如，兩種便于描述波前編碼光學系統(tǒng)的光學形式且適于實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的方式可以包括，各個冪數(shù)的加權(quán)求和，p(x，y)＝∑ai[sign(x)|x|^bi+sign(y)|y|^bi]，以及余弦形式p(r，θ)＝∑ai r^bi*cos(ci*θ+φi)。
一方面，本發(fā)明提供了一種圖像處理方法，包括步驟對形成光學圖像的波前進行波前編碼；將光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及利用一組簡化的濾波器核心對數(shù)據(jù)流進行處理，反向轉(zhuǎn)換碼波前編碼的作用并形成最終圖像。
處理步驟可包括使用與光學圖像的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)互補(complimentary)的濾波器核心的步驟。
波前編碼步驟、轉(zhuǎn)換步驟以及處理步驟可這樣進行以利用該組簡化的濾波器核心將調(diào)制傳遞函數(shù)與數(shù)據(jù)流數(shù)學運算處理進行空間關(guān)聯(lián)。
一方面，該方法包括以下步驟將該組簡化濾波器核心用公式表示為利用等路徑輪廓光學系統(tǒng)對波前進行相位改變(phase modification)而生成的光學圖像的調(diào)制傳遞函數(shù)。
該方法可包括利用一組簡化的濾波器核心處理數(shù)據(jù)的步驟，所述簡化組濾波器核心由多個區(qū)域組成，其中至少一個區(qū)域具有零值。
波前編碼步驟可包括對波前進行波前編碼以使光學圖像的點散布函數(shù)(PSF)與該組簡化濾波器核心的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)空間相關(guān)的步驟，其中在最終圖像中包含有大量的點散布函數(shù)信息。
另一方面，該方法包括這樣一個步驟修改波前編碼、轉(zhuǎn)換和處理步驟之中的一個步驟，而后優(yōu)化并重復(以一個設(shè)定的循環(huán))波前編碼、轉(zhuǎn)換和處理步驟之中的另一個步驟。例如，處理步驟可包含利用具有加權(quán)矩陣的一組簡化的濾波器核心。
另一方面，本發(fā)明提供了一種圖像處理方法，包括步驟對形成光學圖像的波前進行波前編碼；將光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及利用色彩專用的濾波器核心處理數(shù)據(jù)流，反向轉(zhuǎn)換波前編碼的作用并生成最終圖像。
另一方面，本發(fā)明提供了一種圖像處理方法，包括步驟對形成光學圖像的波前進行波前編碼；將光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；對數(shù)據(jù)流進行色彩空間轉(zhuǎn)換；將經(jīng)色彩空間轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)流的空間信息和色彩信息分離入一個或多個分離的信道；對空間信息和色彩信息之一或兩者進行去模糊(deblur)處理；重新組合這些信道，以對去模糊的空間信息和去模糊的色彩信息實現(xiàn)重新組合；以及對重組合的去模糊的空間與色彩信息進行色彩空間轉(zhuǎn)換，從而生成輸出圖像。該方法可包括一個從數(shù)據(jù)流中濾除噪聲的第一濾除噪聲步驟。一方面，該方法產(chǎn)生光學圖像的調(diào)制傳遞函數(shù)以使得第一濾除噪聲步驟與空間相關(guān)共同存在。第二濾除噪聲步驟可用于處理重組合的去模糊的空間與色彩信息。第二濾除噪聲步驟可包括使用光學圖像調(diào)制傳遞函數(shù)的補數(shù)(complement)的步驟。
另一方面，本發(fā)明提供了一種用于產(chǎn)生光學圖像的光學成像系統(tǒng)。波前編碼元件對形成光學圖像的波前進行編碼。檢測器將光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流。圖像處理器利用一組簡化的濾波器核心處理數(shù)據(jù)流以反向轉(zhuǎn)換波前編碼的作用并生成最終圖像。濾波器核心可與光學圖像的點散布函數(shù)空間互補(complimentary)。濾波器核心的空間頻域型式(version)可與光學圖像的調(diào)制傳遞函數(shù)互補(complimentary)。
另一方面，本發(fā)明提供了一種電子裝置，包括照相機，所述照相機具有(a)波前編碼元件，其對在照相機中形成光學圖像的波前進行相位改變，(b)用于將光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流的檢測器，和(c)圖像處理器，其用于利用一組簡化的濾波器核心處理數(shù)據(jù)流以反向轉(zhuǎn)換波前編碼的作用并生成最終圖像。該電子裝置例如是一種蜂窩電話或遠程會議設(shè)備。
另一方面，圖像處理方法包括步驟利用用以形成光學圖像的等路徑輪廓光學系統(tǒng)對波前進行波前編碼；將光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；和對數(shù)據(jù)流進行處理以反向轉(zhuǎn)換波前編碼的作用并生成最終圖像。
附圖的簡要說明 圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖2顯示了一個采用優(yōu)化圖像處理的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖3顯示了另一個采用優(yōu)化圖像處理的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖4顯示了另一個采用優(yōu)化圖像處理的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖5示意性描述了一個濾波器核心及其相關(guān)的圖像處理部分； 圖6A顯示了一組普通的濾波器核心，而圖6B顯示了一組簡化的濾波器核心； 圖7A顯示了用于一組通用濾波器核心的通用邏輯ALU(算術(shù)邏輯單元)；圖7B和圖7C顯示的是另選的用于一組簡化的濾波器核心的專用邏輯ALU； 圖8顯示了一個具有優(yōu)化的濾波器核心的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖9A顯示了一個具有優(yōu)化圖像處理和采用對角線重構(gòu)的濾波器核心的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖9B顯示了一個具有優(yōu)化圖像處理和采用圓形重構(gòu)的濾波器核心的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖10顯示了一個具有色彩優(yōu)化圖像處理和濾波器核心的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖11A顯示了一個采用具有單次移位差分抽頭的優(yōu)化圖像處理和梯度濾波器核心的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖11B顯示了一個采用定標抽頭的優(yōu)化圖像處理和定標濾波器核心的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖11C顯示了一個采用定標累加抽頭的優(yōu)化圖像處理和分布式濾波器核心的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖11D顯示了一個采用累加定標抽頭的優(yōu)化圖像處理和分布式濾波器核心的波前編碼光學成像系統(tǒng)； 圖12示意性顯示了經(jīng)圖1所示系統(tǒng)處理后所得的最終圖像和經(jīng)圖2所示系統(tǒng)處理后所得的最終圖像； 圖13示意性顯示了經(jīng)圖1所示系統(tǒng)處理后所得的最終圖像和經(jīng)采用圖11濾波器的圖2所示系統(tǒng)處理后所得的最終圖像；和 圖14顯示了在圖12和圖13中所用的濾波器核心的頻率響應特性曲線。
圖15顯示了一個具有優(yōu)化的色彩圖像處理的光學成像系統(tǒng)； 圖16A顯示了一個具有優(yōu)化的色彩圖像處理的光學成像系統(tǒng)； 圖16B描述與圖16A有關(guān)的一個相關(guān)性和色彩成分分析； 圖17-圖23顯示(demostrate)了圖16A各處理階段的圖像分量； 圖24顯示了一個具有特定波前編碼成像系統(tǒng)特性的電子裝置的方框圖； 圖25以示意圖方式顯示了在各系統(tǒng)部件之間進行選擇優(yōu)化折衷的過程，在設(shè)計階段對各系統(tǒng)部件一起優(yōu)化設(shè)計從而構(gòu)建起光學成像系統(tǒng)； 圖26顯示了等輪廓線光學系統(tǒng)的選定輪廓； 圖27顯示了等輪廓線光學系統(tǒng)的選定輪廓； 圖28顯示了等輪廓線光學系統(tǒng)的選定輪廓； 圖29顯示了等輪廓線光學系統(tǒng)的選定輪廓； 圖30顯示了針對圖16的一個輪廓，沿路徑表面形狀的表面輪廓和所得到的調(diào)制傳遞函數(shù)，以及橫穿路徑表面形狀的表面輪廓和所得到的調(diào)制傳遞函數(shù)； 圖31顯示了沿路徑表面形狀的表面輪廓和所得到的調(diào)制傳遞函數(shù)，以及橫穿路徑表面形狀的表面輪廓和所得到的調(diào)制傳遞函數(shù) 圖32顯示了針對圖16的一個輪廓，沿路徑表面形狀的表面輪廓和所得到的調(diào)制傳遞函數(shù)，以及橫穿路徑表面形狀的表面輪廓和所得到的調(diào)制傳遞函數(shù)； 圖33顯示了另一種關(guān)于圖26一個型面的表面輪廓、調(diào)制傳遞函數(shù)、沿輪廓線表面形式和橫跨輪廓線表面形式； 圖34顯示了圖32實施例的未進行波前編碼的抽樣的點散布函數(shù)； 圖35顯示了圖32實施例的進行了波前編碼的抽樣的點散布函數(shù)； 圖36和圖37顯示并對比了圖34和圖35的抽樣點散布函數(shù)的橫斷面； 圖38顯示了一個二維數(shù)字濾波器的實施例； 圖39顯示了一個經(jīng)過圖38濾波器處理的點散布函數(shù)； 圖40描述了大量的關(guān)于焦點對準的抽樣點散布函數(shù)分別和圖35和圖38所示數(shù)字濾波器的秩-冪數(shù)據(jù)點。
圖41顯示了在空間頻域中的濾波之前和之后的相應調(diào)制傳遞函數(shù)；和 圖42顯示了一種設(shè)計方法，用于優(yōu)化光學系統(tǒng)、檢測器、波前編碼光學元件、數(shù)字濾波器(濾波器核心)、和/或圖像處理硬件。
具體實施例的詳細說明 圖2顯示了一個具有優(yōu)化圖像處理的波前編碼光學成像系統(tǒng)200。系統(tǒng)200包括光學系統(tǒng)201和波前編碼的非球面光學元件210，兩者協(xié)同工作以在檢測器220中形成中間圖像。光學元件210用于對系統(tǒng)200中的波前進行編碼；例如，光學元件210是可改變波前相位的相位掩模。來自檢測器220的數(shù)據(jù)流225為圖像處理部分240所處理，從而對波前加以解碼并形成最終圖像241。系統(tǒng)200具有濾波器核心230，濾波器核心230具有一組簡化的濾波器核心值，其與圖像處理部分240的具體的圖像處理執(zhí)行過程有最佳匹配?？梢岳迷摻M簡化的濾波器核心值構(gòu)建并配置濾波器核心230，以便使系統(tǒng)200的最終圖像241基本上等同于系統(tǒng)100的最終圖像141。如下所詳述，適用于與濾波器核心230一起使用的一組簡化的濾波器核心值(即，抽頭或權(quán)重值)特定實施例包括(i)二的冪，(ii)二的冪的和與差，(iii)限定為二的冪的相鄰抽頭之間的差，以及(iv)具有被處理圖像的空間位置或色彩所指定的數(shù)值范圍的抽頭。
圖3顯示了另一個具有優(yōu)化圖像處理的波前編碼光學成像系統(tǒng)300。系統(tǒng)300包括光學系統(tǒng)301和波前編碼的非球面光學元件310，兩者協(xié)同工作以在檢測器320中形成中間圖像。光學元件310用于對系統(tǒng)300中的波前進行編碼。來自檢測器320的數(shù)據(jù)流325為圖像處理部分340所處理，從而對波前加以解碼并形成最終圖像341。圖像處理部分340利用濾波器核心330來處理數(shù)據(jù)流325。檢測器320、數(shù)據(jù)流325、濾波器核心330和圖像處理部分340構(gòu)造并配置形成了在復雜度、尺寸大小和/或成本方面優(yōu)化的系統(tǒng)300。最終圖像341基本上等同于圖1的最終圖像141。如下所詳述，檢測器320和數(shù)據(jù)流325可采用稍后實現(xiàn)對角線重構(gòu)的對角線讀出(readout)，和/或用于濾色器陣列檢測器的多信道讀出。當進行濾色器陣列處理時使用對角線重構(gòu)是有用的，因為對圖像中的對角線元素執(zhí)行了許多顏色插值算法。與對所有顏色都均等地進行處理相比，用于專門顏色的濾波器核心以及數(shù)據(jù)處理具有更少的花費和提高的性能。濾波器核心330可與圖2中濾波器核心230完全相同；盡管本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都能意識到(apprecitate)，濾波器核心230可包括如下所述的顏色和方向(例如，對角線方向)的卷積效果。
圖4顯示了另一個具有優(yōu)化圖像處理的波前編碼光學成像系統(tǒng)400。系統(tǒng)400包括光學系統(tǒng)401和波前編碼的非球面光學元件410，兩者協(xié)同工作以在檢測器420中形成中間圖像。光學元件410用于對系統(tǒng)400中的波前進行編碼。來自檢測器420的數(shù)據(jù)流425為圖像處理部分440所處理，從而對波前加以解碼并形成最終圖像441。圖像處理部分440利用濾波器核心430來處理數(shù)據(jù)流425。圖像處理部分440可進行優(yōu)化處理，以使最終圖像441效果基本上等同于圖1的最終圖像141。對光學系統(tǒng)401和圖像處理部分440一起進行優(yōu)化，以用于執(zhí)行可選擇的重構(gòu)算法，例如對角線處理或利用一組簡化的核心值進行處理，從而有助于以較低花費、較小尺寸等條件實現(xiàn)較高性能。
圖5描述了濾波器核心530和圖像處理部分540的一個實施方案；濾波器核心530和圖像處理部分540例如可用于上述的系統(tǒng)特定實施例200-400中(例如，用做圖4中的濾波器核心430和圖像處理部分440)。如圖所示，檢測器520捕獲光學系統(tǒng)的中間圖像，就像上述檢測器220、320、420那樣；數(shù)據(jù)流525輸入到圖像處理部分540，就像上述數(shù)據(jù)流225、325、425那樣。濾波器核心530是一具有符合如下條件的數(shù)值的簡化的組濾波器核心，這些數(shù)值被限定為其絕對值是二的冪(包含零)，這例如{-2N，...，-4，-2，1，0，1，2，4，...，2N}。如下所詳述，圖像處理部分540如圖所示僅通過移位實現(xiàn)與濾波器核心530的乘法；只使用這種操作方式是因為濾波器核心530被限定為2的冪。在一個實施方案中，濾波器核心530可表示為指數(shù)形式或者等值表示為系數(shù)移位。
更具體地講，數(shù)字濾波是線性濾波和非線性濾波兩者乘積的總和。在圖5實施例中，濾波器核心530作用于檢測器520采樣得到的模糊中間圖像。考慮到濾波器核心530和模糊中間(intemediate)圖像是分離的二維物體，將濾波器核心530居中到自檢測器520輸出的特定圖像像素上。在與圖像像素重疊的每個濾波器核心處，求取相應濾波器核心值和圖像像素的乘積；而后累加這些乘積。對于線性濾波，這個累加之和就是經(jīng)過濾波的最終圖像像素。為了進行卷積(convolution)處理，而后以相同步驟使濾波器核心530居中到在整幅圖像中的其它各個像素上，從而針對各個像素都產(chǎn)生一個類似的值。因此，對于N×N二維濾波器核心的線性濾波，每個經(jīng)過濾波的圖像像素都具有N2個乘積以及N2-1次這些乘積的累加。因此，對波前編碼光學成像系統(tǒng)200、300、400，可利用各個光學元件以及與圖像處理部分之特定硬件實現(xiàn)手段相匹配的濾波器核心加以優(yōu)化，以便減少乘法、求和的次數(shù)并減少相關(guān)實施費用。注意濾波器核心值0只需要存儲，從而控制核中的稀疏度(sparseness)，這也使實施費用得以減少。
圖6A和圖6B分別顯示了一組普通濾波器核心示意圖和(基于2n值的)一組簡化的濾波器核心示意圖。在圖6A中，普通組濾波器核心的系數(shù)不僅僅局限于為二的冪；因此需要通用算術(shù)邏輯單元(ALU 550)來執(zhí)行對各個濾波器系數(shù)(即濾波器核心值)和圖像像素的乘法運算，如圖所示。通用ALU 550執(zhí)行一系列中間邏輯運算(稱做部分乘積552)以及為了形成最終乘積(像素輸出)而對中間結(jié)果所做的累加運算(在累加器554)。另一方面，在圖6B中，由于簡化組濾波器核心具體實現(xiàn)是核心值為二的冪，所以用以形成乘積的運算邏輯裝置(logic)是移位器560。每個圖像像素的移位位數(shù)由濾波器值二的冪的冪指數(shù)確定。例如簡化組濾波器核心由兩個濾波器核心值為二的冪的組成，則運算邏輯裝置只需要兩個移位器和一個加法器。所有移位器560的累加得出最終產(chǎn)物(像素輸出)。因此，與圖6A中的通用ALU 550相比，圖6B是簡化情形，因為移位和加和邏輯被預先設(shè)定為移位-加和次序，而不是對一般部分乘積的累加。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應該意識到，圖6B的運算邏輯與其它乘法或通用定標(scaling)實施方式相比要有利得多。例如基于整數(shù)的查詢表(LUT)乘法。位數(shù)較短的ALU通常對在LUT中的標量操作數(shù)進行運算，以提高速度并簡化指令集，因為一系列的部分乘積的求和運算與LUT方法相比運算次數(shù)更多并占用更多寄存空間。與通用的部分乘積累加器乘法器相同，LUT乘法器也為通用的定標運算保留資源。另一方面，圖6B的運算邏輯具有一組簡化的定標運算，通過利用二的冪系數(shù)的移位邏輯運算實現(xiàn)。通用ALU 550需要對通用濾波器核心值進行運算處理，因此，圖6B的運算邏輯與通用ALU 550相比，運算次數(shù)少，速度快。
圖7A、圖7B和圖7C進一步詳細顯示出了圖6A和圖6B中運算邏輯裝置，比較用在線性濾波器中各個抽頭上的通用的和專用的運算邏輯功能圖7A示意性說明了通用ALU 550；圖7B和圖7C示意性說明了專用ALU 560的可選擇結(jié)構(gòu)。在這個實施例中，假定一組通用濾波器核心和一組簡化濾波器核心，簡化組濾波器核心的范圍為在1和128之間的正整數(shù)值。通用組濾波器核心可具有1和128之間的所有的值。簡化組濾波器核心只可以是在這個范圍內(nèi)為二的冪的數(shù)值，即1、2、4、8、16、32、64和128。現(xiàn)在假定來求取圖像像素p和值為7的一組通用的濾波器核心的乘積。使用通用ALU 550，總共需要三次移位，(4+2+1)×p，或如圖7A所示，Q＝3。這三次移位用于形成與因子4(二次移位)、而后是2(一次移位)、再而后是1(不移位)的部分乘積。因此，值為127的一組通用的濾波器核心實施作用需要七次移位和七次中間求和。
相比之下，由于使用值為二的冪的簡化組濾波器核心，ALU 560A只進行一次移位。通用ALU 570非常復雜，諸如向量機或流水線設(shè)備，與這樣一種單次移位相比需要占用更多資源。
圖7C所示另一專用ALU 560B表示的是一種對已知的不為二的冪的系數(shù)的移位-減法次序。繼續(xù)前述實施例，假如給像素值p的系數(shù)是127，則127p采用二的冪的加和實施方式為64+32+16+8+4+2+1＝127。因此，在ALU560B中，邏輯算法是減法即累加二的冪的負值，以實現(xiàn)128-1＝127，只需要一次移位和一次減法運算就可以生成最終結(jié)果(像素輸出)。
圖8顯示了具有一組簡化濾波器核心的波前編碼光學成像系統(tǒng)800。系統(tǒng)800包括光學系統(tǒng)801和波前編碼的非球面光學元件810，兩者協(xié)同工作以在檢測器820形成了中間圖像。光學元件810用于對系統(tǒng)800中的波前進行編碼。來自檢測器820的數(shù)據(jù)流825為圖像處理部分840所處理，從而對波前加以解碼并形成最終圖像841。圖像處理部分840利用濾波器核心830來處理數(shù)據(jù)流825。通過簡化濾波器核心830中的一組濾波器核心，該組濾波器核心是值的函數(shù)和空間位置的函數(shù)，可以針對光學系統(tǒng)801、波前編碼非球面光學元件810以及檢測器820，對圖像處理部分840的硬件實現(xiàn)加以優(yōu)化。濾波器核心830的區(qū)域A、B、C和D表示出簡化的幾何組。對于這個實施例，濾波器核心830的值在區(qū)域A和D中被限定為零值，在區(qū)域B中被限定為中等范圍(或動態(tài)范圍)的值，而在區(qū)域C中被限定為大范圍的值。在前述范圍內(nèi)所有特定的核值都具體體現(xiàn)為二的冪值、二的冪值的和與差等等。
波前編碼光學成像系統(tǒng)800因而得以優(yōu)化，以硬件方式實現(xiàn)濾波器核心的簡化幾何組(例如，通過濾波器核心830和圖像處理部分840)。簡化幾何組核心在具有專門硬件處理器的系統(tǒng)中非常重要，與各種不同的波前編碼光學系統(tǒng)和檢測器一起使用，或者與改變特性的光學系統(tǒng)一起使用，例如波前編碼的變焦光學系統(tǒng)。例如，光學系統(tǒng)801和光學元件810可調(diào)整場深，還可以在核心尺寸內(nèi)調(diào)整定標。通過將濾波器核心830的系數(shù)值定位在適當空間位置上而獲取前述動態(tài)范圍。通過設(shè)計光學系統(tǒng)801和光學元件810以便使定標核值位于適當?shù)膭討B(tài)范圍內(nèi)，圖像處理部分840針對設(shè)定最大核約束條件的這種光學系統(tǒng)801和光學元件810進行優(yōu)化。雖然在幾何區(qū)域A-D內(nèi)不同濾波器核心具有不同值，但是對值的優(yōu)化安排是相對于圖像處理部分840的能力加以進行的。例如，光學元件810的轉(zhuǎn)動(例如轉(zhuǎn)動45度角)將要求核心等價轉(zhuǎn)動；這是不能被允許的，因為B區(qū)域?qū)⒁虼颂幱趦H具有近零系數(shù)而非中等動態(tài)范圍B區(qū)域系數(shù)的處理空間。該轉(zhuǎn)動(rotaion)僅當處理空間和核心空間都轉(zhuǎn)動的情形下才可被允許。
圖9A顯示了一個其檢測器和數(shù)據(jù)流讀取得到優(yōu)化的波前編碼光學成像系統(tǒng)900A。系統(tǒng)900A包括光學系統(tǒng)901A和波前編碼的非球面光學元件910A，兩者協(xié)同工作以在檢測器920A中形成中間圖像。光學元件910A用于對系統(tǒng)900A中的波前進行編碼。來自檢測器920A的數(shù)據(jù)流925A為圖像處理部分940A所處理，從而對波前加以解碼并形成最終圖像941A。圖像處理部分940A利用濾波器核心930A來處理數(shù)據(jù)流925A。在這個實施例中，檢測器920A和數(shù)據(jù)流925A并不是依典型的行列格式進行讀??；相反，讀出格式例如是依據(jù)對角線讀出的。利用這樣一種對角線讀出格式，因為圖像格式不是基于行和列的，所以圖像處理部分940A不能采用直線處理方法(例如，矩形可分離的或秩-N處理方法)。假如數(shù)據(jù)格式是對角線的，則對光學系統(tǒng)901A和波前編碼非球面光學元件910A如此進行安排，以使點狀物體(或其點發(fā)散功能)所得到的最終圖像充分包含沿對角線(在某種意義上等同于數(shù)據(jù)流對角線)的所有信息。相應的濾波器核心930A和圖像處理部分940A因此以對角線格式優(yōu)化地作用在圖像數(shù)據(jù)925A上，如圖所示；且可對單個或兩個對角線進行處理。在一個實施方案中，將對角線重新映射為行-列順序并以直線形式操作，而后再以對角線順序的輸出次序進行重新映射。在一個實施例中，可對光學系統(tǒng)901A和光學元件910A與圖像處理部分940A一起進行優(yōu)化，以提供幾何方向中的信息，它減少了成本花費。一個例子就是光學元件910A以這樣一種方式旋轉(zhuǎn)，從而使與讀取的數(shù)據(jù)流925A的對角線角度相對應。
圖9B顯示了一個其檢測器和數(shù)據(jù)流讀取得到優(yōu)化的波前編碼光學成像系統(tǒng)900B。系統(tǒng)900B包括光學系統(tǒng)901B和波前編碼的非球面光學元件910B，兩者協(xié)同工作以在檢測器920B中形成中間圖像。元件910B用于對系統(tǒng)900B中的波前進行編碼。來自檢測器920B的數(shù)據(jù)流925B為圖像處理部分940B所處理，從而對波前加以解碼并形成最終圖像941B。圖像處理部分940B利用濾波器核心930B來處理數(shù)據(jù)流925B。檢測器920B和數(shù)據(jù)流925B并未采用典型的直線設(shè)計，且并不是依典型的行列格式進行讀出的。確切地講，讀出格式例如是依環(huán)形或基于徑向由對數(shù)-極坐標(log-polar)檢測器讀出數(shù)據(jù)。利用這樣一種讀出格式，因為圖像格式不是基于行和列的，所以圖像處理部分940B不能采用直線處理方法(例如，矩形可分離的或秩-N處理方法)。假如數(shù)據(jù)格式是圓形的或環(huán)形的，則對光學系統(tǒng)901B和波前編碼非球面光學元件910B如此進行安排，以使點狀物體(或其點發(fā)散功能)所得到的最終圖像基本上包含沿環(huán)形或徑向區(qū)域(在某種意義上等同于數(shù)據(jù)流925B)的所有信息。相應的濾波器核心930B和圖像處理部分940B因此以圓形格式優(yōu)化地作用在圖像數(shù)據(jù)925B上，如圖所示。在一個實施例中，將同心環(huán)重新映射為行-列順序并以直線形式操作，而后再以圓形順序的輸出次序進行重新映射。在一個實施例中，可對光學系統(tǒng)901B和光學元件910B與圖像處理部分940B一起進行優(yōu)化，以提供幾何方向中的信息，從而減少了成本花費 圖10顯示了一個優(yōu)化用于彩色成像的波前編碼光學成像系統(tǒng)1000。系統(tǒng)1000包括光學系統(tǒng)1001和波前編碼的非球面光學元件1010，兩者協(xié)同工作以在檢測器1020中形成中間圖像。光學元件1010用于對系統(tǒng)1000中的波前進行編碼。來自檢測器1020的數(shù)據(jù)流1025為圖像處理部分1040所處理，從而對波前加以解碼并形成最終圖像1041。圖像處理部分1040利用濾波器核心1030來處理數(shù)據(jù)流1025。光學系統(tǒng)1001、非球面光學(opticsal)元件1010、檢測器1020、數(shù)據(jù)流1025、濾波器核心1030和圖像處理部分1040協(xié)同工作，因此各個顏色信道在生成最終輸出圖像1041時都具有分立特性。例如，由于顏色的作用，波前編碼光學成像系統(tǒng)1000優(yōu)點在于人眼可“看見”各種顏色有差別。人眼對于綠色光亮非常敏感，而對于藍色光亮敏感度最低。因此，在藍色信道的與濾波器核心1030和圖像處理部分1040有關(guān)的空間分辨率、空間帶寬和動態(tài)范圍，可遠遠小于綠色信道的-從而不會使圖像1041為人眼觀察所察覺到的圖像質(zhì)量變劣。與以均等地處理所有顏色信道相比，通過減少對顏色作用的需求，使系統(tǒng)1000的光-機械的和光-電的實施方式得以進一步優(yōu)化。
圖11A-11D顯示了利用專用濾波器(即，在圖像處理部分1140中)得到優(yōu)化的波前編碼光學成像系統(tǒng)1100的幾個相關(guān)實施方案。各個系統(tǒng)1100A-1100D都包括有光學系統(tǒng)1101和波前編碼的非球面光學元件1110，兩者協(xié)同工作以在檢測器1120中形成中間圖像。光學元件1110用于對系統(tǒng)1100中的波前進行編碼。來自檢測器1120的數(shù)據(jù)流1125為圖像處理部分1140所處理，從而對波前加以解碼并形成最終圖像1141。圖像處理部分1140利用濾波器核心1130來處理數(shù)據(jù)流1125。光學系統(tǒng)1101、非球面光學元件1110、檢測器1120和數(shù)據(jù)流1125協(xié)同工作，因此濾波器核心1130采用專用濾波手段而圖像處理部分1140采用專用抽頭1145，從而提供了實現(xiàn)所需的成本節(jié)約和/或設(shè)計性能。
更具體地講，圖11A-11D光學系統(tǒng)分別描述了四個最優(yōu)情況，考慮了任意給定系數(shù)或系數(shù)子群，使其具體結(jié)構(gòu)得以最佳實施。圖11A-11D實施例的任意組合或各種組合都可用有效的圖像處理部分加以實現(xiàn)。
圖11A具體顯示了一個梯度濾波處理的實施方案。光學系統(tǒng)1101A、非球面光學元件1110A、檢測器1120A和數(shù)據(jù)流1125A協(xié)同工作，從而濾波器核心1130A采用梯度濾波而圖像處理部分1140A采用專用差分抽頭1145A。濾波器核心1130A的簡化組濾波器核心使相鄰系數(shù)的差值支持具有效率的執(zhí)行方式。例如，通過配置濾波器核心1130A和圖像處理部分1140A，可使第一與第二抽頭之間的差值、第二與第三抽頭之間的差值、第三與第四抽頭之間的差值等等都是二的冪(或者另外能夠得以有效執(zhí)行的數(shù)值或數(shù)值組)。如果濾波器核心1130A各個差值是二的冪值的簡化組，則各個被執(zhí)行濾波器抽頭的幾何結(jié)構(gòu)就是差分抽頭1145A。差分抽頭1145A是一種具有效率的執(zhí)行方式，因為對核心1130A中任意系數(shù)值只需要進行單次求和運算。在線性濾波現(xiàn)有技術(shù)中，例如為FIR抽頭延遲線所采用的，只是將原始圖像像素值傳播到下一抽頭，而先前定標值卻不會進入到下一階段。在差分抽頭1145A恢復先前定標值1146A，進行單次加法或減法運算即可生成下一值。由于在前結(jié)果1146A被傳播到了下一抽頭，所以圖像處理部分1140A的硬件實現(xiàn)設(shè)備的尺寸大小和成本費用都可以得到進一步減小。在差分抽頭1145A中也可以結(jié)合其它的加法和減法組合；差分抽頭1145A并不局限于單次加法(或減法)，相反本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可認識到，任意組合的加法和減法都可以連同使用于向前傳播在前結(jié)果1146A-恰是向前傳播動作1146A提供了生成優(yōu)化方案的能力，這與特定的差分抽頭設(shè)計方案相反。
利用數(shù)值為單次加法差分抽頭提供一個非常清楚的例子；假定系數(shù)順序為[3，-5，11，7，-1，0]。假如輸入像素值p，則第一抽頭產(chǎn)生結(jié)果為3p。下一抽頭產(chǎn)生結(jié)果為-5p，或者，另選地利用來自前一步驟的3p，生成-8p，而將這兩個值相加得到3p-8p＝-5p。類似地，系數(shù)11是由前一-5p加上16p后得到的。注意在這個例子中，通過單次移位(p至16p)和單次加法就得到了定標因子11x，而11x傳統(tǒng)的實現(xiàn)方式是基于部分乘積的，需要8+2+1，或者說，需要兩次移位和兩次加和運算。該實施例接下來是7p＝(11p-4p)和-1p＝(7p-8p)。在一些實施例中，差值可以為零，在這種情形下梯度核就轉(zhuǎn)變?yōu)榱硕撕?，定標核在圖11B中有詳細描述。
圖11B具體顯示了一個定標濾波處理的實施方案。光學系統(tǒng)1101B、非球面光學元件1110B、檢測器1120B和數(shù)據(jù)流1125B協(xié)同工作，從而濾波器核心1130B采用定標濾波而圖像處理部分1140B采用專用定標抽頭1145B。濾波器核心1130B的簡化組濾波器核心使相鄰系數(shù)之間定標因子支持具體效率的執(zhí)行方式。例如，配置濾波器核心1130B和圖像處理部分1140B，使得第一與第二抽頭之間的定標因子、第二與第三抽頭之間的定標因子、第三與第四抽頭之間的定標因子等等都是二的冪(或者另外能夠得以有效執(zhí)行的數(shù)值或數(shù)值組)。例如，假設(shè)相鄰濾波器核心系數(shù)的各個定標因子是作為二的冪的一組簡化值，則各個用以實施濾波器抽頭的幾何結(jié)構(gòu)都是定標抽頭1145B，且可在二進制計算機上以簡單的移位加以實施(可通過其它裝置以比2的冪更加有效的方式而有效實施其它定標因子)。無論選擇的是什么定標因子，定標濾波器抽頭1145B都是一種具體效率的執(zhí)行方式，因為在任意一個抽頭上只需要圖像像素的定標值被傳送到下一抽頭以及核累加器。在線性濾波現(xiàn)有技術(shù)中，例如為FIR抽頭延遲線所采用的，雖然定標值也被傳播(propogated)到累加器，但還不得不將原始圖像像素值傳播到下一抽頭。對兩種數(shù)值的存儲(延遲像素值和定標像素值)需要兩種寄存器。在圖11B中，由于濾波器核心1130B的定標濾波，所以只需要一個寄存器用以存儲定標像素值(定標自前一抽頭)。由于原始圖像像素信息不會傳播到所有后續(xù)抽頭，所以圖像處理部分1140B的硬件實現(xiàn)設(shè)備的尺寸大小和成本費用都可以得到進一步減小。一個濾波器核心實施例是[3，-12，6，0，-3，0]，相鄰像素之間定標是二的冪的因數(shù)。
圖11C顯示了一個進行分布運算特性濾波處理的實施方案。光學系統(tǒng)1101C、非球面光學元件1110C、檢測器1120C和數(shù)據(jù)流1125C協(xié)同工作，從而濾波器核心1130C采用分布運算特性濾波而圖像處理部分1140C采用專用分布運算抽頭1145C。抽頭1145C執(zhí)行對定標值的累加。濾波器核心1130C的簡化組濾波器核心能使分布的所有系數(shù)都支持具體效率的執(zhí)行方式。例如，配置濾波器核心1130C和圖像處理部分1140C，使得只有兩個被執(zhí)行的定標因子或乘法器，以提供五個用于重構(gòu)的獨特系數(shù)(5個系數(shù)包括兩個系數(shù)的正值和負值，外加零系數(shù))。定標濾波器抽頭1145C支持有效的執(zhí)行，因為單個抽頭可以被“過計時(overclocked)”以服務于多個像素。一些執(zhí)行方式優(yōu)選過計時如在1145C中的乘法器，另有一些執(zhí)行方式可以優(yōu)選過計時如在圖11D所示1145D中的累加器。在線性濾波現(xiàn)有技術(shù)中，例如為FIR抽頭延遲線所采用的，每個像素和系數(shù)都需要一個分離而獨特的運算符。
圖11D顯示了一個進行分布運算特性濾波處理的實施例。光學系統(tǒng)1101D、非球面光學元件1110D、檢測器1120D和數(shù)據(jù)流1125D共同作用，應能使濾波器核心1130D采用分布運算特性濾波而圖像處理部分1140D采用專用分布運算抽頭1145D。抽頭1145D執(zhí)行對累加值的定標。濾波器核心1130D的簡化組濾波器核心應能使分布的所有系數(shù)都支持富有效率的執(zhí)行方式。例如，配置濾波器核心1130D和圖像處理部分1140D，應使得只有兩個被執(zhí)行的定標因子或乘法器，以提供五個用于重構(gòu)的獨特系數(shù)(5個系數(shù)包括兩個系數(shù)的正值和負值，外加零系數(shù))。如圖11C所示，定標濾波器抽頭1145D支持有效的執(zhí)行，因為單個抽頭可以被“過計時(overclocked)”以服務于多個像素。一些執(zhí)行方式優(yōu)選地過計時如在1145D中的累加器。在線性濾波現(xiàn)有技術(shù)中，例如為FIR抽頭延遲線所采用的，每個像素和系數(shù)都需要一個分離而獨特的運算符。
一種設(shè)計特定的波前編碼非球面光學元件(例如，圖11A-D中的獨特元件1110)和特定的濾波器核心(例如，圖11A-D中的獨特濾波器核心1130)的方法，其采用了多個目的在于進行圖像處理的加權(quán)矩陣。系統(tǒng)設(shè)計的其它目標，例如圖像質(zhì)量、像差敏感度等，也可以具有相關(guān)的權(quán)矩陣。作為設(shè)計和優(yōu)化處理的一部分，可優(yōu)化連接加權(quán)矩陣以達到所設(shè)定目標。由于對光學和信號處理可以一起進行優(yōu)化，所以可以達成許多種類型的解決方案，例如，如果只對光學或信號處理的一種進行優(yōu)化的話，則這許多種類型的解決方案不是難于認識到就是根本不可能認識到。
例如，用于通用整數(shù)濾波器(例如，為圖6A邏輯裝置所采用的)的一個加權(quán)矩陣對于所有可能的整數(shù)值具有零值。相反，為二的冪的簡化組濾波器核心(例如，為圖6B邏輯裝置所采用的)的加權(quán)矩陣僅對于那些為二的冪的整數(shù)值才是零值。整數(shù)零具有零權(quán)重值，因為這個值對于執(zhí)行實施而言并不重要。其它整數(shù)具有較高的權(quán)重值。當對那些不為二的冪但卻大于零的整數(shù)設(shè)定權(quán)重值時，可在光學、濾波器核心、圖像處理和最終圖像之間進行最佳條件選配，通過設(shè)定大于零的適當權(quán)重值，在成本花費和性能之間尋求最佳性價平衡點。
在一個實施例中，在采用二的冪的和的簡化組濾波器核心中，加權(quán)矩陣對于那些為二的冪的整數(shù)是零值，對于那些由兩個二的冪值的和或差構(gòu)造出的整數(shù)(例如6＝4+2或7＝8-1)則是一個較高的值，而那些由三個二的冪值的和或差構(gòu)造出的整數(shù)(例如11＝8+2+1，或11＝8+4-1)則是一個更高些的值。當同時使用二的冪的正值和負值時，則整數(shù)例如七的權(quán)重被減小了，因為7＝8-1。相反，通常實施方式(例如圖6A)需要三個數(shù)求和，例如，7＝4+2+1。
加權(quán)矩陣還可用于優(yōu)化梯度濾波器(例如圖11A中的濾波器1130A)或定標濾波器(例如圖11B中的濾波器1130B)。相鄰整數(shù)值可以根據(jù)它們的差值或梯度或定標因子而設(shè)定權(quán)重。在一個實施例中，假如它們的差值或比值是二的冪，則每一對整數(shù)值都被賦予一個零值，否則被賦予一個大值。該系數(shù)對還取決于像素的讀取方式，因為讀取方式?jīng)Q定了鄰近像素的相鄰規(guī)則，且因為讀取和核心的取向都包含在加權(quán)矩陣中。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到，當整數(shù)的差值是一系列二的冪的和值等時，其它梯度核心濾波器可賦予小值。
圖12圖示出了經(jīng)由圖1所示系統(tǒng)100處理過后的最終圖像1201和經(jīng)由圖2所示系統(tǒng)200處理過后的最終圖像1202。在這個實施例中，系統(tǒng)100、200分別都具有相同的光學系統(tǒng)101、201和檢測器120、220，但是具有不同的濾波器核心和圖像處理部分(分別在矩形可分離處理中執(zhí)行一維核濾波器)。圖像1201是利用作為通用整數(shù)濾波器的濾波器核心1 30形成的。圖像1202是利用作為采用二的冪值的簡化組濾波器的濾波器核心230形成的。圖像1201、1202相同，但是圖像1202與圖像1201相比其對比度較高，如圖所示。而且，進行比較，簡化組濾波器核心230與濾波器核心130通用整數(shù)濾波器相比，其執(zhí)行實施的體積尺寸小且花費代價小。
圖13圖示出了經(jīng)由圖1所示系統(tǒng)100處理過后的最終圖像1301和經(jīng)由圖2所示系統(tǒng)200處理過后的最終圖像1302。與圖12相同，系統(tǒng)100、200分別都具有相同的光學系統(tǒng)101、201和檢測器120、220，但是具有不同的濾波器核心和圖像處理部分(分別在矩形可分離處理中執(zhí)行一維核濾波器)。系統(tǒng)200采用圖11A所示核濾波器1130A作為圖2中的核濾波器230。系統(tǒng)100采用通用整數(shù)濾波器作為核濾波器130；因此圖像1301是由通用整數(shù)濾波器形成的。圖像1301、1302相同，只是圖像1302與圖像1301相比其對比度較低而已。由于對比度也是一個可能的成像要求指標，所以可設(shè)定降低的對比度以符合這項指標要求。而且，用于處理圖像1302的簡化組梯度濾波器核心與通用整數(shù)濾波器相比，其執(zhí)行實施的體積尺寸小且花費代價小。
圖14顯示了關(guān)于圖12和圖13中使用的三種數(shù)字濾波器的頻率響應特性曲線。每個濾波器的頻率響應特性曲線都稍有不同，且具有不同的實施方式。特定成像應用優(yōu)選一條頻率響應特性曲線，而另外的成像應用優(yōu)選另一條不同的頻率響應特性曲線。二的冪簡化組的頻率響應特性曲線(例如為圖2濾波器核心230所采用)具有最大對比度。在這個實施例中，通用整數(shù)頻率響應特性曲線具有第二高的對比度，而簡化組梯度為二的冪的濾波器核心1130具有最低的頻率響應特性曲線。這當然不是普遍情形。因此，根據(jù)應用用途，選擇適當?shù)念l率響應特性曲線；假如濾波器核心采用簡化組濾波器核心值，則具體實施可以節(jié)約花費成本并降低復雜程度。
再來看圖10，用于顏色的優(yōu)化圖像處理具有特定優(yōu)點。圖15因此描述了另一種進行顏色優(yōu)化圖像處理的光學成像系統(tǒng)。系統(tǒng)1500包括光學系統(tǒng)1501和波前編碼非球面光學元件1510，兩者協(xié)同工作以在檢測器1520中形成中間圖像。光學元件1510用于對系統(tǒng)1500中的波前進行編碼。來自檢測器1520的數(shù)據(jù)流1525為一系列處理模塊1522、1524、1530、1540、1552、1554、1560所處理，從而對波前加以解碼并形成最終圖像1570。塊1522和塊1524用于預處理數(shù)據(jù)流1525以降低噪聲。具體講，F(xiàn)PN塊1522用于校正檢測器1510的固定模式噪聲(例如，像素增益和偏差，以及非線性響應)；預濾波塊1524利用波前編碼非球面光學元件1510的知識用以進一步減少數(shù)據(jù)流1525的噪聲。顏色轉(zhuǎn)換塊1530將RGB顏色分量(由數(shù)據(jù)流1525)轉(zhuǎn)換到新的色彩空間。模糊&濾波塊1540通過一個或多個新色彩空間信道的濾波從新色彩空間圖像中去除模糊。塊1552和塊1554用于后處理來自塊1540的數(shù)據(jù)，以進一步降低噪聲。具體講，SC塊1552利用塊1540中數(shù)字濾波的知識來濾除各單個數(shù)據(jù)信道中的噪聲；MC塊1554利用塊1540中數(shù)字濾波的知識來濾除多個數(shù)據(jù)信道中的噪聲。在生成圖像1570之前，另一個顏色轉(zhuǎn)換塊將色彩空間圖像分量轉(zhuǎn)換回RGB顏色分量。
圖16A示意性描述了一個色彩處理系統(tǒng)1600，其由色彩濾波器陣列檢測器1602生成最終的三色圖像1660。系統(tǒng)1600采用光學系統(tǒng)1601(其具有一個或多個波前編碼的光學元件或表面)對系統(tǒng)1600的波前進行編碼，并且在檢測器1602生成中間光學圖像。光學系統(tǒng)1601對波前編碼因此在檢測器1602上形成了模糊圖像。這個中間圖像而后為噪聲消減處理(NRP)與色彩空間轉(zhuǎn)換塊1620所處理。塊1620的噪聲消減處理例如用于去除檢測器的非線性添加性噪聲；而塊1620的色彩空間轉(zhuǎn)換用于去除合成圖像之間的空間相關(guān)性，以便減少為模糊去除處理(在塊1642、1644)所需的硅和/或存儲器的數(shù)量。源自塊1620的數(shù)據(jù)還被切分為兩種信道空間圖像信道1632以及一個或多個色彩信道1634。因此，主要的空間信道1632在處理塊1642中被去除了大量模糊。色彩信道基本上在處理塊1644中得到較少的模糊去除。在模糊去除處理之后，信道1632和1634重新組合并在噪聲消減處理與色彩空間轉(zhuǎn)換塊1650中進行處理。這樣進一步去除了為模糊去除處理所加重的圖像噪聲；而色彩空間轉(zhuǎn)換將圖像轉(zhuǎn)換為RGB格式形成最終圖像1660。
圖17-圖23進一步圖示出了對系統(tǒng)1600具體實施例的色彩空間轉(zhuǎn)換和模糊去除處理。檢測器1602是CCD檢測器，具有拜耳(bayer)濾色器陣列。圖17分別顯示出了通過系統(tǒng)1600成像但在光學系統(tǒng)1601中未采用波前編碼(即，在光學系統(tǒng)1601中沒有波前編碼光學元件)的實際物體的紅色、綠色和藍色分量的圖像1700、1702和1704。在圖像1700、1702和1704中，各個彩色圖像都具有高度空間相似性，而且圖像的許多部分都模糊不清。如下所述，沒有波前編碼就無法校正模糊的(blured)圖像。
圖18分別顯示了通過采用波前編碼光學系統(tǒng)1601的系統(tǒng)1600成像的原始的紅色、綠色和藍色分量的圖像1800、1802和1804。圖像1800、1802和1804表示自數(shù)據(jù)流1625導出的并且處在為塊1620處理之前的圖像。各分量圖像1800、1802和1804彼此非常相似；并且各圖像都因非球面光學系統(tǒng)1601而導致存在模糊。
圖19顯示的是經(jīng)過塊1642模糊去除處理之后的圖18色彩分量圖像；圖像1900是圖像1800經(jīng)過塊1642處理過后的對應圖像；圖像1902是圖像1802經(jīng)過塊1644處理過后的對應圖像；圖像1904是圖像1804經(jīng)過塊1644處理過后的對應圖像。對于這個實施例，處理塊1644不執(zhí)行任何處理。還有，不使用處理塊1620和1650。各個分量圖像1900、1902和1904尖銳而清晰；并且組合這三個分量圖像將可產(chǎn)生尖銳而清晰的三色圖像。
圖20顯示的是經(jīng)過從RGB到Y(jié)IQ的色彩空間轉(zhuǎn)換(塊1620)之后、在空間與色彩信道1632和1634處理之前的分量圖像2000、2002和2004。分量圖像2000、2002和2004因此表示經(jīng)過塊1620處理之后的在信道1632和信道1634的圖18的分量圖像。注意，Y信道圖像2000與圖18中紅色與綠色圖像1800、1802相同。但是，I與Q信道圖像2002、2004與圖18中所有信道的圖像都有很大區(qū)別。YIQ色彩空間變換(塊1620)致使Y信道分量圖像2000包含有大量主要的空間信息。I信道分量圖像2002含有的空間信息比Y信道分量圖像2000要少得多，盡管某些空間信息是可以看得見的。注意，在各張圖像的右側(cè)標示有強度標。在這些圖像所示的強度標度內(nèi)，Q信道分量圖像2004基本上不含空間信息。
圖21顯示的是經(jīng)過空間信道1632的模糊去除處理1642之后的YIQ波前編碼圖像2100、2102、2104。I與Q信道圖像2002、2004沒有在塊1644中經(jīng)過濾波，從而節(jié)省了處理與存儲空間；因此，圖像2102、2104與圖像2002、2004相同。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明白，在塊1644可以分辨率低且位深度小的濾波器對圖像2002、2004進行濾波。在將經(jīng)過濾波的圖21YIQ圖像變換回RGB空間(塊1650)之后，最終的三色圖像1660色彩尖銳圖案清晰，并且具有比產(chǎn)生基于圖19的最終圖像所需的處理更少的處理。
YIQ色彩空間是可用的許多線性與非線性色彩空間變換中的一種。一種執(zhí)行色彩空間變換的方法是選擇單個空間來表示整個圖像。波前編碼的光學系統(tǒng)和處理器可共同工作，因此能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化的(optimimal)、動態(tài)的、色彩空間變換，減少信號處理量并提高圖像質(zhì)量。例如，在圖16A中，波前編碼系統(tǒng)1600可采用色彩空間處理塊1620，在空間上改變整個圖像。這種空間變化可定義為動態(tài)色彩空間(DCS)。這種空間改變的色彩空間變換1620在一個區(qū)域內(nèi)執(zhí)行單次變換，所述區(qū)域是動態(tài)的且并不限于封閉區(qū)域。例如，一幅上半邊是藍天、下半邊是沙灘的圖像就非常適合于下面的分割色彩空間對圖像上半邊進行“藍色空間信息保存”色彩空間變換，而對圖像下半邊進行“斑褐色信息保存”色彩空間變換。隨著每一場景的改變，可將這種空間變化區(qū)域以優(yōu)化方式限定，限定為一組有序的直線塊，或者限定為任意給定的像素，或者限定為動態(tài)分配的輪廓。在轉(zhuǎn)換處理部分1620中的動態(tài)塊分配方法對總計算能力非常敏感，而理想的總處理能力和精度折衷是成像系統(tǒng)所期望的，并且受到關(guān)于光學系統(tǒng)1601的空間校正效應的知識的導引或限制。
通常，DCS可提供組合的噪聲消減、色彩面陣列插值、以及費用成本降低了的圖像去模糊處理。DCS算法適合用于各種軟硬件系統(tǒng)中的處理方法。一種DCS方案執(zhí)行動態(tài)線性色彩空間變換。其它DCS方案執(zhí)行動態(tài)非線性色彩空間變換?？梢愿鶕?jù)處理系統(tǒng)的資源和應用目的，通過非線性色彩空間變換或其它諸如HSV的變換來組合或先后處理(preceeded)DCS。
通用DCS算法可以理解為圖16B的徹底校正和主成分分析。圖16B完全適合用于圖16A的塊1620中。拜耳傳感器1602和輸出圖像1632的附圖標記數(shù)字與圖16A相同，從而表明了之間的聯(lián)系。由于DCS是可逆變換，所以本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都明白無論精確還是近似，逆DCS處理完全發(fā)生在圖16A的塊1650內(nèi)。通過對在具有任意數(shù)目(多于一個)色彩信道的任意像素區(qū)域的多信道圖像中顏色估算相關(guān)性來確定主成分(或主顏色)，為該具體區(qū)域確定最優(yōu)化(以最小二乘法)的色彩空間變換。換言之，DCS允許圖16A中的塊1620(和逆DCS變換的塊1650)連同所有其它波前編碼系統(tǒng)參量一起進行優(yōu)化。在具有圖16B檢測器1602的拜耳檢測器實施例中，通過把采樣色彩信道收集到矩陣1603A的列中，從而形成色彩信道矩陣?？梢允褂酶鞣N方案提供對在各個理想位置上的圖像色彩信道的估算。在整個區(qū)域內(nèi)并非所有像素都需要進行估算。例如，圖16B顯示了一種零級保持方法，其本質(zhì)上是將附近的紅色與藍色像素值拷貝道各個綠色像素位置上，并且由4×4區(qū)域內(nèi)的16個像素生成8×3矩陣中的8行數(shù)據(jù)。通過對色彩信道矩陣1603A的相關(guān)性估算1603B的主成分分析，實現(xiàn)色彩空間轉(zhuǎn)換1603C。這只是這樣的一個例子而已，通過堆疊數(shù)值形成多信道彩色系統(tǒng)(sytems)的色彩信道矩陣；本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明白，只要不背離本發(fā)明精神實質(zhì)范圍則采用其它方式也是可以的。
對相關(guān)矩陣1603B進行主成分估算1603C形成針對選定的具體區(qū)域和信道的最優(yōu)的色彩空間轉(zhuǎn)換矩陣(marix)。通過將第一主成分施加到色彩信道矩陣1603A(在圖16B中)形成經(jīng)過轉(zhuǎn)換的空間圖像1632(在圖16A中)，從而獲得空間強度圖像1632(在圖16A中)。而后對空間圖像1632進行模糊去除處理1642，提供圖像重構(gòu)并同時進行能拜耳型式插值(Bayer-pattern interpolation)處理。而后在塊1650，通過利用各個區(qū)域的色彩信道轉(zhuǎn)換矩陣(matricies)1603C的逆形式對經(jīng)過重構(gòu)的空間信道進行再次轉(zhuǎn)換，而回到原始色彩空間，生成最終圖像1660。在這個實施例，色彩信道圖像1634還可通過利用第二與第三主成分由DCS析取得到。
但是，在DCS轉(zhuǎn)換時，不能確保只對空間信道1632進行空間信道模糊去除處理1642。被轉(zhuǎn)換的各塊或區(qū)域包含有其自身唯一映射矩陣，但所有區(qū)域都共享一個公共的空間圖像1642。在多數(shù)情形下，對給定區(qū)域的最佳轉(zhuǎn)換并不能把所有空間信息都轉(zhuǎn)換到空間圖像1642。在這種情形下，可以通過模糊去除處理塊1644對色彩信道進行去模糊處理。因此，通過利用各個色彩空間轉(zhuǎn)換矩陣(matricies)1650給動態(tài)區(qū)域“上色”從而實現(xiàn)最終圖像組合。
圖22顯示了經(jīng)過利用DCS算法進行的色彩空間轉(zhuǎn)換之后的圖18的分量圖像。在進行具有動態(tài)改變的色彩空間的轉(zhuǎn)換之后，基本上所有空間信息都包含在信道1(2200)中。其它兩個色彩信道2(2202)、3(2203)在所示強度標度內(nèi)基本上不含空間信息。圖23顯示了經(jīng)過濾波去除了圖像模糊情形之后的這些分量圖像。在這個實施例中只有信道1(2300)經(jīng)過了濾波，這還是因為信道2(2302)、3(2303)中的低分辨率造成的。在由DCS轉(zhuǎn)換到RGB(處理塊1650)之后，最終圖像再次尖銳和清晰，與圖21所示最終圖像相比，其色彩的人工產(chǎn)物(artifact)更小(且具有更少的嚴格處理與存儲需求)。
當用于諸如蜂窩電話、視頻會議設(shè)備和小型照相機之類的電子裝置時，這里討論的波前編碼成像系統(tǒng)具有一些特定優(yōu)點。圖24顯示了這樣一種電子裝置2400，其可用于說明這些特定優(yōu)點。裝置2400具有光學透鏡2402，其將來自物空間2404的圖像形成在數(shù)字檢測器2406上(例如，3-色CMOS陣列的數(shù)字檢測器)，如圖所示。檢測器2406將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流2408。微處理器2410處理數(shù)據(jù)流以生成最終圖像2412。
光學透鏡2402是波前編碼的；透鏡2402的一個表面2414例如是波前編碼的非球面光學元件。因此，光學透鏡2402和元件2404可用做前面討論過的光學系統(tǒng)和波前編碼光學元件(例如，圖2中的光學系統(tǒng)201、光學元件210)。微處理器2410例如是前面討論過的處理部分(例如，圖2中的圖像處理部分240)。微處理器2410采用濾波器核心處理數(shù)據(jù)流2408，從而對受透鏡2402的相位操作影響的波前進行解碼，并生成清新的圖像(crisp image)2412。圖像2412例如可顯示于LCD顯示屏2414或者其它顯示屏上。
例如，構(gòu)造并配置光學透鏡2402的波前編碼作用以及微處理器2410的后處理作用，可減少散焦引起的像差諸如散焦、場彎曲、或者與制造與裝配相關(guān)的散焦。因此，電子裝置2400可采用單個(塑料的)光學元件2402而不需采用其它復雜的光學元件。
而且，通過選擇合適的濾波器核心(例如，一組簡化的值為二的冪的濾波器核心)和相應的相位掩模(phase mask)(即，表面波前編碼元件2414)，微處理器2410工作所需的處理器負載和存儲器需要得以降低。在一個實施例中，微處理器2410采用圖5所示的圖像處理部分540和核心530，用以減少這種處理器負載和存儲器需求。在另一個實施例中，微處理器2410采用圖6B和/或圖7所示的邏輯裝置架構(gòu)(archietectures)，用以減少這種處理器負載和存儲器需求。同樣，微處理器2410可采用圖像處理部分840和核心830以實現(xiàn)其它特性優(yōu)點，如圖8所討論過的那樣。例如，基于包含色彩處理目標在內(nèi)的設(shè)計考慮，微處理器2410可采用圖10、圖16A和/或圖17相關(guān)披露的處理技術(shù)。在另一個實施例中，電子裝置2400可采用具體實現(xiàn)圖9A或圖9B或者圖11A-11D之一所示成像結(jié)構(gòu)的光電元件。通過簡化處理需求，可以利用較便宜的處理器或較少存儲器來構(gòu)造電子裝置2400。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應該意識到，節(jié)省出的存儲器可轉(zhuǎn)用于(translate)其它存儲器件或卡2416，從而導致進一步的節(jié)省。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還應意識到，電子裝置2400可進一步包括其它電子部件2420，用以實現(xiàn)其它所需操作與功能，例如蜂窩電話功能。
因此，顯而易見的是，可對上述波前編碼光學成像系統(tǒng)進行特定的折衷或“優(yōu)化”，用以達成例如圖像特性目標和/或成本花費目標。舉例來講，參看圖25，其中描述了波前編碼成像系統(tǒng)的各個組成部分。作為組成部分的光學系統(tǒng)2501例如是圖2所示光學系統(tǒng)201。相位掩膜2410例如是圖2所示波前編碼非球面光學元件210。作為組成部分的檢測器2520例如是圖2所示檢測器220，而核心濾波器2530例如是圖2所示濾波器核心230。圖像處理部分2540例如是圖2所示圖像處理部分240。
圖25描述了一個三組成部分的優(yōu)化結(jié)構(gòu)2570，其利用一組簡化的濾波器核心2530(例如圖8)實現(xiàn)；優(yōu)化結(jié)構(gòu)2570因此將波前編碼光學元件2510、濾波器核心2530和圖像處理部分2540聯(lián)系在一起(在設(shè)計中)。如果需要，標準檢測器2520和光學系統(tǒng)2501也不必用優(yōu)化結(jié)構(gòu)2570來進行優(yōu)化。在另一個實施例中，一個四組成部分的優(yōu)化結(jié)構(gòu)2572利用具有特定讀取格式的檢測器2520(例如在圖9A、9B中所示)。因此，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)2572中，波前編碼光學元件2510、濾波器核心2530和圖像處理部分2540也都聯(lián)系在一起(在設(shè)計中)。在優(yōu)化彩色圖像的實施例中(例如圖10所示)，一個二組成部分的優(yōu)化結(jié)構(gòu)2574可包括與圖像處理部分2540聯(lián)系在一起(在設(shè)計中)的特定色彩檢測器2520。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應該意識到，光學系統(tǒng)2501例如可利用任意優(yōu)化2570、2572、2574進行優(yōu)化，以達成可支持其它優(yōu)化的成像特性。
在本發(fā)明的特定實施例中，上述成像系統(tǒng)中所用的光學系統(tǒng)和光學元件的型式也是優(yōu)化的。這些型式例如是為類似于散焦的像差提供較低可變性，較高的調(diào)制傳遞函數(shù)，以及較低的噪聲增益值。如下文所詳述，這些光學系統(tǒng)和光學元件可組成或構(gòu)成成像系統(tǒng)，例如顯微鏡、內(nèi)窺鏡、望遠鏡、機器視覺系統(tǒng)、小型照相機、以及蜂窩電話照相機、攝像機、數(shù)碼相機、條線代碼掃描器、生物測量系統(tǒng)等等。兩種實施例方便地描述了波前編碼光學器件的光學型式以及適于進行本發(fā)明所述系統(tǒng)的優(yōu)化，可包括各個冪數(shù)的加權(quán)求和，p(x，y)＝∑ai[sign(x)|x|^bi+sign(y)|y|^bi]，以及余弦形式p(r，θ)＝∑ai r^bi*cos(ci*θ+φi)。如下文所詳述，該光學系統(tǒng)還可包括專門的圍路曲面(contour surface)(在本說明書中有時稱為“等輪廓線光學系統(tǒng)(constant profile path optics)”)，用以在波前編碼光學元件(例如圖2所示光學元件210)中提供相位變化。還有，波前編碼光學元件和光學系統(tǒng)(分別例如光學元件210和光學系統(tǒng)201)可組合為單個的光學元件或系統(tǒng)(例如采用透鏡和/或鏡子)。在一個實施例中，光學系統(tǒng)利用與濾波器核心互補(complimentary)的頻域在光學成像系統(tǒng)中產(chǎn)生調(diào)制傳遞函數(shù)；例如，調(diào)制傳遞函數(shù)的高冪次(high power)意味著濾波器核心的低冪次。調(diào)制傳遞函數(shù)和濾波器核心可提供一定程度的(例如，在濾波器核心和波前編碼非球面光學元件之間的)空間相關(guān)，如上所述。
如上所述，這些波前編碼成像系統(tǒng)具有非傳統(tǒng)的非球面光學系統(tǒng)和圖像處理。這樣的系統(tǒng)的一個合理目標是，生成的最后圖像基本上對類似于散焦的像差不敏感。這種不敏感支持(a)大的場深度或聚焦深度，(b)對例如導致產(chǎn)生散焦像差的制造和/或裝配誤差的容限，和/或(c)光學生成的散焦像差(例如，球像差、散光、佩茨瓦爾場曲像差、色像差、溫度相關(guān)的散焦)。在這種成像系統(tǒng)中的內(nèi)部光學系統(tǒng)形成具有特定模糊情節(jié)的圖像，也對那些類似于散焦的像差不敏感。而且，在這種波前編碼光學成像系統(tǒng)中彗差效應也被減小了。在被檢測器(例如圖2所示數(shù)字檢測器220，捕獲中間圖像以生成數(shù)字數(shù)據(jù)流225)捕獲成像之后，可進行圖像處理以去除中間圖像的模糊部分，從而生成尖銳清晰且具有高信噪比(SNR)的最終圖像。
使這種波前編碼成像系統(tǒng)實現(xiàn)的設(shè)計步驟應能使該光學系統(tǒng)不敏感于類似于散焦的像差，點散布函數(shù)(PSF)的大小和形狀緊密且恒定，它是關(guān)于波長、視場角、物體位置等等的函數(shù)，并且因此而導致的調(diào)制傳遞函數(shù)具有很高的值。下述的等輪廓線光學系統(tǒng)提供了有效設(shè)計，以用于這種系統(tǒng)。
特定等輪廓線光學系統(tǒng)是基于對光學型式的參量化有效描述(例如，少量的參量)；這種型式例如支持具有選定成像和/或成本特性的高性能光學成像系統(tǒng)。通常，不需要這些參量有效型式。即，各部分非球面表面的表面高度可被指定為設(shè)計和優(yōu)化過程中的獨立變量；但是用于優(yōu)化這種通常情形的變量的數(shù)目非常多且不能實用。等輪廓線光學系統(tǒng)因此有助于將功效強大且通用的光學型式用于設(shè)計和優(yōu)化過程中。
在一個實施方案中，等輪廓線光學系統(tǒng)包括非球面光學元件，其表面高度沿路徑限定，且其表面的函數(shù)形式或輪廓與沿路徑的歸一化型式(normalized version)相同。實際表面高度隨路徑不同而不同，但是沿每一路徑的函數(shù)形式或輪廓卻不這樣。這樣的光學元件表面輪廓用于改變在光學系統(tǒng)中的波前的相位；由這些相位改變導致的圖像效應之后在圖像處理中例如通過使用濾波器核心對其進行反向轉(zhuǎn)換。例如，當在光學成像系統(tǒng)中特定等輪廓線光學系統(tǒng)具有被改變的波前相位時，由此引起的在中間圖像(由檢測器捕獲)上的調(diào)制傳遞函數(shù)與圖像處理所用濾波器核心的函數(shù)特性和空間特性相關(guān)。因此，等輪廓線光學系統(tǒng)和濾波器核心彼此互補(complimentary)，用以提供理想的成像特性。
圖26顯示了等輪廓線光學系統(tǒng)的四個實施例2600A-2600D。例如參看在輪廓2600A中的路徑。這些路徑都沿著光學系統(tǒng)的正方形輪廓線；對于這一光學型式，在正方形輪廓線的歸一化型式(normalized versions)上具有相等的歸一化表面高度。輪廓2600B的路徑是五邊形的，沿每個五邊形的歸一化型式的表面高度的函數(shù)形式都相同。輪廓2600C和2600D的路徑分別是十字形的和星形的。與輪廓2600A、2600B相同，這些函數(shù)形式沿公共路徑(common paths)都具有公共的歸一化表面高度。
圖27顯示了等輪廓線光學系統(tǒng)的其它變型2700A、2700B輪廓2700B表示波前編碼光學系統(tǒng)，其路徑軌跡可具有如區(qū)域#1所示的閉合圍線。另一方面，輪廓2700A的路徑軌跡是開放圍線。在兩種輪廓中，區(qū)域#1包含一組相關(guān)路徑。沿區(qū)域#1中各路徑歸一化型式的表面高度函數(shù)形式都相同。對于區(qū)域2、3、4和5而言也是這樣的。沿各區(qū)域中各路徑的實際表面高度可不同。不同區(qū)域的函數(shù)形式可以相關(guān)或不相關(guān)。輪廓2700B光學系統(tǒng)是開放圍線和封閉圍線的組合體；區(qū)域#1路徑軌跡為封閉圍線，而其它四個區(qū)域為開放圍線。因此，對各個區(qū)域而言，沿各路徑的表面高度的函數(shù)形式都是相同的，但是實際表面高度在區(qū)域內(nèi)會有所不同。
如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將能意識到的那樣，有關(guān)圖26和圖27所示路徑輪廓的變型可包括非直線的路徑。即，如圖26和圖27所示的直線路徑可以采用其它形式的由曲線段構(gòu)成的路徑。例如，五邊形形式的輪廓2700A被切分為多個直線區(qū)域，可替代為圓形形式，各個區(qū)域由弧段路徑組成。
如圖28所示，等輪廓線光學系統(tǒng)中的路徑類型還可在不同區(qū)域加以變化。輪廓2800A的外部區(qū)域中的路徑軌跡是封閉的正方形圍線，而其內(nèi)部區(qū)域中的路徑軌跡是封閉的圓形圍線。所述外部區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域可加以對調(diào)，如輪廓2800B所示。如2800B所示，外部區(qū)域中只有一些路徑需要閉合。
圖29顯示了兩個輪廓2900A、2900B，其中光學系統(tǒng)中至少一個區(qū)域是不被等輪廓線光學系統(tǒng)改變的。在輪廓2900A、2900B中，僅在該光學系統(tǒng)的外部區(qū)域由路徑構(gòu)成多邊形；內(nèi)部區(qū)域不存在路徑，且因此不存在特定表面形狀?？梢赃@樣理解，輪廓2900A、2900B光學系統(tǒng)各自與輪廓2600A、2600B關(guān)聯(lián)，只是對內(nèi)部區(qū)域路徑施加的幅度為零。
用于描述圖26-圖29專用表面的參量可被認為是兩個分量的組合1)描述沿專用光學系統(tǒng)之路徑的光學表面高度的輪廓的分量；和2)描述橫跨路徑的表面高度的分量。第二組分量例如可描述在給定區(qū)域內(nèi)各個路徑的幅度改變。假如將在一個區(qū)域內(nèi)的一組路徑的幅度都設(shè)定為零，則可得到如圖29所示的光學系統(tǒng)。
在一個實施例中，等輪廓線光學系統(tǒng)的一個區(qū)域的表面的數(shù)學表達如下 S(R，θ，a，b)＝C(a)D(b) 其中針對該區(qū)域內(nèi)的特定路徑，沿該區(qū)域內(nèi)各條路徑的光學表面都可由參量C(a)表示，而以D(b)估算。參數(shù)“a”和“b”表示特定表面的特性。C(a)的貢獻在于對區(qū)域內(nèi)所有路徑都為恒等常數(shù)。D(b)的貢獻在于對區(qū)域內(nèi)各條路徑都有所改變。參量C(a)的可限定沿各條路徑的表面以及在D(b)區(qū)域內(nèi)各路徑之間或橫跨D(b)區(qū)域內(nèi)各路徑進行調(diào)制的整個表面。等輪廓線光學系統(tǒng)的光學表面還可針對特定光學系統(tǒng)，沿著各路徑或橫跨各路徑加以區(qū)分。
考慮2600A光學表面，其中路徑限定正方形圍線的開放邊。這就導致產(chǎn)生了四個區(qū)域，左側(cè)邊區(qū)域、右側(cè)邊區(qū)域、上邊區(qū)域、下邊區(qū)域。沿著這四個區(qū)域各路徑的表面輪廓的數(shù)學表達例如如下 C(a)＝a0+a1x+a2x2…|x|＜1 因此一組參數(shù)ai構(gòu)成了沿光學系統(tǒng)這四個區(qū)域的各條歸一化路徑的表面高度的多項式表達。在這個實施例中，區(qū)域中各條路徑的長度都歸一化至統(tǒng)一值(unity)，因此對每條路徑都進行基本表面輪廓C(a)“拉伸”。不必一定將路徑長度假定為歸一化的長度，盡管這么做非常有用。
每條路徑都可通過增益或常數(shù)項加以調(diào)制，而無須改變沿各條路徑的表面函數(shù)形式。橫跨區(qū)域內(nèi)各路徑施加增益的一個實施例，可通過數(shù)學方式表達為 D(b)＝b0+b1(路徑號)+b2(路徑號)2+b3(路徑號)3+… 路徑號＝0，1，2，3... 其中路徑號參數(shù)是序列值，用于描述區(qū)域內(nèi)的一組路徑。一個區(qū)域內(nèi)路徑的數(shù)目可以很多。例如，可將逼近光學中心的(輪廓2700A)區(qū)域#1路徑設(shè)定其路徑號＝0，與之相比稍稍偏遠光學中心一些的相鄰路徑設(shè)定其路徑號＝1，再下一個相鄰路徑設(shè)定其路徑號＝2，等等依此類推。因此，整個表面的數(shù)學表達由“沿路徑”表面表述和“橫跨路徑”表面描述的乘積組成。在數(shù)學上，可給出一個區(qū)域的表面描述為 S(R，θ，a，b)＝C(a)D(b)，其中光學表面由參數(shù)向量a和b實現(xiàn)參量表達。
假設(shè)沿路徑的表面的基本形式是二階多項式或更低階的多項式，則沿歸一化路徑的二階導數(shù)是一常數(shù)。在這個特定實施例中，等輪廓線光學系統(tǒng)例如可被稱做“等功率(power)路徑光學系統(tǒng)”。等功率路徑光學系統(tǒng)是對波前編碼光學系統(tǒng)特別有效率的形式。關(guān)于光學參量，二階多項式C(a)可表達如下 C(a)＝厚度+傾角+光功率， 其中，零階項a0描述厚度大小，一階項a1x描述傾角大小，而二階項a2x2描述光功率大小。若使用更高階的項，則光功率大小或二階導數(shù)值，可沿輪廓圍線改變。由于二階多項式是對球面的近似，所以更高階的項還可更加精確地模擬光功率。
對于特定光學成像系統(tǒng)，這些高階項可能非常重要。假如傾角參量是非零階，則所描述的光學表面具有不連續(xù)點。假定現(xiàn)今可以制造加工具有很高精度的不規(guī)則表面，則就不需要回避具有不連續(xù)點的表面。對于特定光學系統(tǒng)，橫跨路徑項D如此選定，以便光學表面的區(qū)域中心是平坦的(或近于平坦的)。通常在接近表面邊緣處，D的斜率變得非常大。中心區(qū)域還對不需要改變的光學成像光束，以便控制散焦像差，而中心區(qū)域之外的光束典型地導致產(chǎn)生成像系統(tǒng)的散焦效應。
由于中心光束的散焦效應比(then)外部光束要小，所以可對中心區(qū)域和外部區(qū)域的輪廓圍線形狀加以區(qū)分改變，從而對這些光束產(chǎn)生不同的作用。這就允許形成在焦點對準的和焦點沒有對準的點散布函數(shù)、高調(diào)制傳遞函數(shù)，以及定制用于數(shù)字濾波的功率譜。數(shù)字濾波的功率譜在濾波之前對附加噪聲的功率譜進行調(diào)制。因此，通過聯(lián)合對用于噪聲消減和成像的光學和數(shù)字處理進行如上所述的設(shè)計，在濾波之后的噪聲消減技術(shù)作用效果更好。
等輪廓線光學系統(tǒng)實施例 如下所述的等輪廓線光學系統(tǒng)的特定實施例都遵從S(R，θ，a，b)＝C(a)D(b)形式，其中所用特定路徑是輪廓2600A中的那些路徑，正方形圍線的每一邊都限定歸于四個區(qū)域中的一個。圖30顯示了一個表面輪廓3000，其在焦點對準的調(diào)制傳遞函數(shù)3002，以及沿路徑表面形式C(a)3004和橫跨路徑表面形式D(b)3006。橫跨路徑的幅度3006采用三階多項式表達，而沿路徑表面形式3004采用二階多項式表達。這種類型的光學系統(tǒng)，沿歸一化的正方形路徑圍線具有近似為常數(shù)量的光功率。表面輪廓3000和在焦調(diào)制傳遞函數(shù)3002通過等表面與等調(diào)制傳遞函數(shù)高度的圍線表示。注意，等高圍線沿著表面的直徑，從大致圓形變?yōu)榫匦巍Ｒ虼硕a(chǎn)生的在焦調(diào)制傳遞函數(shù)具有大致呈“+”形的非圓形圍線。在底部的曲線圖3004、3006中顯示的是沿路徑的和橫跨路徑幅度的以波標示的函數(shù)型式。沿路徑邊(sides)使用大約一個波的光功率(如圖所示，從最小的2.8至最大的3.8個波)，橫跨路徑的幅度變化介于-0.1和-0.4之間。
等輪廓線光學系統(tǒng)的另一實施例如圖31所示。使用多項式形式S(R，θ，a，b)＝C(a)D(b)，C(a)是二階等光功率多項式，而D(b)是三階多項式。注意，表面輪廓3100和調(diào)制傳遞函數(shù)3102與圖30所示的那些存在很大差別。這一實施例中的調(diào)制傳遞函數(shù)3102與圖30中調(diào)制傳遞函數(shù)3002相比更為緊密，不對稱性不顯著。沿路徑圍線邊(sides)使用大約六個波的光功率(如圖中3104所示)，橫跨路徑的增大幅度最大值約為4。
圖32顯示了大體上遵從圖30、圖31形式的另一實施例，具有描述沿路徑函數(shù)形式的二階常數(shù)光功率多項式和描述橫跨路徑幅度的三階多項式；只是幅度函數(shù)形式有所改變，因此使中心區(qū)域平坦。表面輪廓3200具有四個側(cè)邊區(qū)域，中心區(qū)域平坦，而其相應產(chǎn)生的調(diào)制傳遞函數(shù)3202大致為四邊金字塔形。這樣一種調(diào)制傳遞函數(shù)形狀3202適合用于非均勻采樣，例如三色拜耳濾色器陣列檢測器(參見圖16-23)中綠色信道所見。沿路徑3204使用小于一個波(wave)的光功率，則橫跨路徑3206所用的幅度變化為從0至-9。
圖33顯示了等(contant)輪廓線光學系統(tǒng)的一個實施例，其具有如圖26中的輪廓2600B所示的多邊形路徑。對于這個實施例，在五個五邊形(pentagan)路徑區(qū)域中各直線段的表面函數(shù)形式都一樣?？捎枚A光功率多項式描述沿路徑的表面的函數(shù)形式(3304)，而用三階多項式描述橫跨路徑的幅度(3306)。光學表面(輪廓3300)具有十個形狀不同的波瓣和一個非常平坦的中心區(qū)域。相應的調(diào)制傳遞函數(shù)3302具有以二維調(diào)制傳遞函數(shù)平面中心為中心的近似圓形。沿路徑3304使用約1.5個波的光功率，則橫跨路徑3306所用的幅度變化為從0至18。
圖34顯示了未進行波形編碼且針對一系列散焦值的圖32實施例的采樣PSF(點散布函數(shù))。各個點散布函數(shù)格網(wǎng)圖中的小正方形表示單個像素采樣(輸出自檢測器)。用于生成這些點散布函數(shù)的物理參量是10微米的照明波長；具有25.4微米中心和100％填充因數(shù)的灰度級像素；光學系統(tǒng)的工作F-值為1.24；散焦像差系數(shù)W20在0-2波內(nèi)變動。因此，顯而易見的是，若不采用波前編碼，則采樣點散布函數(shù)將由于散焦效應而不可避免具有很大的尺寸變化。
圖35類似地顯示了圖32實施例的采樣PSF，但是已進行了波形編碼。注意，(對于系列散焦值的)采樣點散布函數(shù)具有一個尖峰以及隨著距尖峰距離而減低的寬闊的基底區(qū)。各個點散布函數(shù)都相同，且基本上不受散焦的影響。格網(wǎng)圖中的小正方形表示單個像素。
圖36和圖37顯示對比關(guān)于圖34和圖34采樣點散布函數(shù)的截面圖。圖36和圖37所示點散布函數(shù)具有五個散焦值，均勻分布在0-2波之間。圖36所示采樣點散布函數(shù)被歸一化為固定容量，而圖37所示點散布函數(shù)被歸一化為恒定峰值。因此圖36和圖37描述了不采用波前編碼條件下系統(tǒng)的采樣點散布函數(shù)中的改變，以及在采用波前編碼條件下系統(tǒng)的采樣點散布函數(shù)中缺少變化的情形。
圖38顯示了一個二維數(shù)字濾波器的實施例(作為圖像且基于零散焦點散布函數(shù)進行繪制)，可用于從圖35采樣點散布函數(shù)中去除波前編碼模糊。這個數(shù)字濾波器例如是作為濾波器核心用于圖像處理(例如，在圖2所示部分240中)中。注意，這個核只在濾波器接近中心處才具有很高的值，并隨著距該中心的距離增大而縮減。該濾波器以及圖35采樣點散布函數(shù)在空間上都是緊湊的。
在使用圖38二維濾波器對圖35采樣點散布函數(shù)進行處理之后，得到圖39點散布函數(shù)。注意，這些點散布函數(shù)(表示的點散布函數(shù)采用了波前編碼，且在圖像處理部分經(jīng)過了濾波處理)具有近乎理想的形狀，并且基本上不隨散焦變化而改變。
圖40分別描述了針對圖35在焦采樣點散布函數(shù)和圖38數(shù)字濾波器的大量的在稱為“秩”(rank)幾何概念中包含的功率。矩形地(Rectangulaly)可分離的光學系統(tǒng)，例如P(x)P(y)＝exp(j[X^3+Y^3])所描述的立方體，形成一個逼近近似為p(x)p(y)的采樣點散布函數(shù)，其中獨立變量x和y是在一個方形柵格上限定的橫軸和垂軸。這種可分離特性使得矩形可分離濾波能夠得以有效計算。矩形可分離光學系統(tǒng)的一個缺點是，點散布函數(shù)會因散焦而產(chǎn)生空間偏移。特定等輪廓線光學系統(tǒng)的一個有用的特征就在于，它們不會導致點散布函數(shù)產(chǎn)生空間偏移。等輪廓線光學系統(tǒng)還可產(chǎn)生點散布函數(shù)、調(diào)制傳遞函數(shù)以及相應數(shù)字濾波器，逼近低秩，有助于進一步提高處理效率。圖39的上部的圖表示出只有兩個幾何秩對這個特定采樣點散布函數(shù)具有顯著值；因此這個系統(tǒng)近似為一個二階(rank two)系統(tǒng)。與這個實施例相應的數(shù)字濾波器(圖39下部的圖)也是低秩，且至少可與采樣點散布函數(shù)的一樣低。實際上，對這個實施例點散布函數(shù)的濾波可以利用有效計算的可分離濾波進行。
圖41顯示了在空間頻域中的濾波前和濾波后的相應調(diào)制傳遞函數(shù)。為了便于比較(comparisong)，還顯示出了相同物理系統(tǒng)在未經(jīng)波前編碼處理條件下的調(diào)制傳遞函數(shù)。所示這兩個系統(tǒng)在五個步驟中具有從0到2的波的散焦值。未經(jīng)波前編碼處理的系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)因散焦而呈現(xiàn)出急劇變化。具有等輪廓線光學系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)在濾波之前基本上不隨散焦改變而變化。經(jīng)過濾波的調(diào)制傳遞函數(shù)，是由圖38二維數(shù)字濾波器濾波所得結(jié)果；這樣的調(diào)制傳遞函數(shù)具有很大的值，而僅當最大散焦值時才有所降低。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應能明白，其它型式的等輪廓線光學系統(tǒng)可通過采用更大處理能力和/或更低的濾波前調(diào)制傳遞函數(shù)，而就較大數(shù)量散焦實現(xiàn)控制調(diào)制傳遞函數(shù)輪廓。
圖32所示輪廓圍線光學系統(tǒng)的數(shù)學形式可表達如下。在四個區(qū)域中沿路徑的函數(shù)形式的多項式表示為 C(x)＝0.4661-0.7013x^2，|x|＜1 橫跨路徑幅度的多項式表示為 D(y)＝-1.8182+0.5170y+2.520y^2-10.1659y^3，0.25＜y＜1 ＝-1.8182，0＜y＜0.25 在這個實施例中，沿路徑圍線的形式給定為一個單調(diào)的二階多項式；而橫跨路徑的幅度給定為一個三階多項式，改變形式以便使中心區(qū)域比較平坦。在所示的這些實施例中，對沿路徑和橫跨路徑幅度使用更高階的多項式，則可支持更高的性能。
可利用專用技術(shù)設(shè)計等輪廓線光學系統(tǒng)，對可具有大量像差、漸暈(vignetting)和寬松公差的非理想光學系統(tǒng)進行優(yōu)化。這些技術(shù)使光學系統(tǒng)設(shè)計不適用于傳統(tǒng)分析方法。圖42描述了設(shè)計流程4200，對這些技術(shù)中的特定例進行了描述。
在流程4200中，如圖所示，(在設(shè)計中)改進光學系統(tǒng)并可重復循環(huán)進行。例如，流程4200包括用于設(shè)計等輪廓線光學系統(tǒng)的步驟4202。為了精確模擬采樣點散布函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)，可利用光學表面模型(步驟4202)，對關(guān)于數(shù)字檢測器的信息(步驟4206)添加透鏡像差效應(步驟4204)。這些透鏡像差通常是場角、波長、物位置和變焦距位置的函數(shù)；該像差還可以是等輪廓線光學系統(tǒng)的特定表面形式的函數(shù)(步驟4202)。在設(shè)計流程步驟4204中考慮的一個像差是漸暈。漸暈通常在傳統(tǒng)光學系統(tǒng)設(shè)計中用以折衷銳度聚光，在波前編碼光學系統(tǒng)中的漸暈，會導致光學設(shè)計和實際光學系統(tǒng)之間匹配很差。光學表面和像差導致產(chǎn)生采樣點散布函數(shù)，光學表面和像差既可以通過基于光束方法進行模擬，也可以通過傅立葉變換方法進行模擬，傅立葉變換方法取決于所設(shè)計透鏡速率和數(shù)字檢測器的空間分辨率。這些通常類型的點散布函數(shù)模擬方法都為光學模擬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知。
在采樣點散布函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)經(jīng)過模擬之后，使用數(shù)字濾波器(步驟4208)去除波前編碼模糊。這種數(shù)字濾波器可以是通用的并為設(shè)計流程4200中每次迭代而計算的，或者也可以是形式固定或限定的。一個有限形式數(shù)字濾波器的例子是矩形可分離濾波器。因此，假如數(shù)字濾波器是有限的，則可優(yōu)化等輪廓線光學系統(tǒng)設(shè)計，因為可分離濾波器的秩為1，所以可以使秩的點散布函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)最小化。其它有限數(shù)字濾波器是這樣一些濾波器，它們的成本花費被分配給專用濾波器值和濾波器值順序，以便優(yōu)化圖像處理部分的具體實施(例如，硬件實施)。作為部分設(shè)計流程4200，這些成本花費可被減少或增大。有限數(shù)字濾波器的再一個實施例是那些具有專門功率譜特性的濾波器。由于數(shù)字濾波器功率譜改進加性噪聲，控制濾波器特性從而控制經(jīng)過數(shù)字濾波的加性噪聲特性。通過限制數(shù)字濾波器，可聯(lián)同優(yōu)化噪聲特性一起來優(yōu)化噪聲消減技術(shù)。
在對采樣點散布函數(shù)/調(diào)制傳遞函數(shù)進行濾波(步驟4208)之后，進行品質(zhì)評估(步驟4210)。評估4210典型地為系統(tǒng)的且專用的，但是可包括(a)在設(shè)計范圍之內(nèi)和之外的經(jīng)濾波的點散布函數(shù)/調(diào)制傳遞函數(shù)的品質(zhì)和/或(b)數(shù)字濾波器的特性(和/或其實施方式和/或噪聲效應)。因此利用非線性優(yōu)化和品質(zhì)估算，修改光學系統(tǒng)并重復迭代流程4200。修改的光學系統(tǒng)可包括喊有波前編碼的特定表面以及其它表面，和/或在該光學系統(tǒng)中的元件的厚度和距離?？梢韵嗤绞綄ρ芈窂胶蜋M跨路徑幅度的函數(shù)形式的參量進行優(yōu)化。
可對上述方法和系統(tǒng)進行改變而不背離其精神實質(zhì)范圍。因此應當注意到，在上述說明書中記載的或在附圖中顯示的內(nèi)容是示例說明性質(zhì)的而非限定性質(zhì)的。例如，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應能意識到，盡管在圖示中經(jīng)常把波前編碼元件與成像系統(tǒng)中光學系統(tǒng)分開表示(例如，光學元件210與光學系統(tǒng)201在圖中分開表示)，但是這些部件可以組合為單一項或組合項，而不背離本發(fā)明精神實質(zhì)范圍，例如圖24所示。后面的權(quán)利要求希望能夠覆蓋本發(fā)明記述的所有通用的與專用的特征，以及本發(fā)明方法和系統(tǒng)的所有描述范圍。
權(quán)利要求
1.圖像處理方法，包括
利用具有四重或五重對稱性的非球面光學元件對形成光學圖像的電磁能量的波前進行波前編碼；
將所述光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
利用一組簡化的濾波器核心處理數(shù)據(jù)流，以反向轉(zhuǎn)換波前編碼的作用并生成最終圖像。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述處理步驟包括根據(jù)所述非球面光學元件的旋轉(zhuǎn)對所述一組簡化的濾波器核心進行旋轉(zhuǎn)。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一組簡化的濾波器核心包括濾波器抽頭值，所述濾波器抽頭值為一組簡化的整數(shù)。
4.光學成像系統(tǒng)，包括
具有四重或五重對稱性的波前編碼元件，用于對形成光學圖像的電磁能量的波前進行編碼；
檢測器，用于將所述光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
圖像處理器，用于利用一組簡化的濾波器核心處理所述數(shù)據(jù)流以生成最終圖像。
5.光學成像系統(tǒng)，包括
波前編碼元件，其對形成光學圖像的電磁能量的波前進行編碼；
檢測器，用于將所述光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
圖像處理器，用于利用一組簡化的濾波器核心處理所述數(shù)據(jù)流以生成最終圖像，所述一組簡化的濾波器核心的空間頻域形式與所述光學圖像的空間頻譜互補；
所述波前編碼元件、所述檢測器和所述圖像處理器協(xié)同工作，以使利用所述一組簡化的濾波器核心對所述數(shù)據(jù)流的處理與所述光學圖像在空間上關(guān)聯(lián)。
6.圖像處理方法，包括
對形成光學圖像的電磁能量的波前進行波前編碼；
將所述光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
利用一組簡化的濾波器核心處理所述數(shù)據(jù)流，以生成最終圖像，
所述一組簡化的濾波器核心具有選自由(a)二的冪系數(shù)，(b)二的冪系數(shù)的和值，(c)二的冪系數(shù)的差值，(d)由所述光學圖像內(nèi)的空間位置規(guī)定的數(shù)值范圍，以及(e)由所述光學圖像內(nèi)的色彩規(guī)定的數(shù)值范圍組成的組中的系數(shù)值。
7.圖像處理方法，包括
對形成光學圖像的電磁能量的波前進行波前編碼；
將所述光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
利用一組簡化的濾波器核心處理所述數(shù)據(jù)流，以生成最終圖像，
所述波前編碼和所述處理的步驟協(xié)同工作，以在存在類似散焦的像差、大的聚焦深度、大的場深度、制造誤差和裝配誤差中至少之一的情況下，在空間頻率響應范圍內(nèi)保持圖像的質(zhì)量。
8.圖像處理方法，包括
對形成光學圖像的電磁能量的波前進行波前編碼；
將所述光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
利用一組簡化的濾波器核心處理所述數(shù)據(jù)流，以生成最終圖像，
其中所述處理包括使用能夠利用所述一組簡化的濾波器核心減少實現(xiàn)所述處理所需的存儲器的數(shù)量的硬件。
9.光學成像系統(tǒng)，包括
波前編碼元件，其對形成光學圖像的電磁能量的波前進行編碼；
檢測器，用于將所述光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
圖像處理器，用于利用一組簡化的濾波器核心處理所述數(shù)據(jù)流以生成最終圖像，所述圖像處理器具有利用所述一組簡化的濾波器核心減少在所述圖像處理器中需要的存儲器數(shù)量的硬件。
10.權(quán)利要求9所述的光學成像系統(tǒng)，其中，所述一組簡化的濾波器核心具有由二的冪系數(shù)、二的冪系數(shù)的和值以及二的冪系數(shù)的差值中至少之一組成的系數(shù)。
11.權(quán)利要求9所述的光學成像系統(tǒng)，其中，所述一組簡化的濾波器核心具有多個區(qū)域，其中至少一個所述區(qū)域具有零值。
12.處理由光學系統(tǒng)形成的光學圖像的光學處理方法，包括
利用波前編碼光學系統(tǒng)在所述光學圖像中引入空間模糊；
將所述光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
利用一組簡化的濾波器核心處理所述數(shù)據(jù)流以去除空間模糊并生成最終圖像。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述最終圖像具有大的場深度、大的聚焦深度、以及制造和/或裝配誤差的容限中的一個或多個。
14.權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述波前編碼光學系統(tǒng)和所述處理協(xié)同工作，以使所述最終圖像對散焦相關(guān)的像差不敏感。
15.權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述散焦相關(guān)的像差包括散焦、場曲像差、制造和裝配相關(guān)的散焦、球像差、散光、佩茨瓦爾場曲像差、色像差以及溫度相關(guān)的散焦中的一個或多個。
16.光學成像系統(tǒng)，包括
等功率路徑光學系統(tǒng)，其對形成光學圖像的電磁能量的波前進行編碼；
檢測器，用于將所述光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
圖像處理器，用于利用一組簡化的濾波器核心處理所述數(shù)據(jù)流以反向轉(zhuǎn)換波前編碼的作用，并生成最終圖像。
17.電子裝置，包括
光學系統(tǒng)，包括至少一個表面，所述表面對穿過其傳輸?shù)碾姶拍芰康牟ㄇ斑M行編碼，所述光學系統(tǒng)配置用于形成光學圖像；
檢測器，用于將光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
微處理器，用于利用一組簡化的濾波器核心處理所述數(shù)據(jù)流以生成最終圖像。
18.權(quán)利要求18所述的電子裝置，進一步包括存儲裝置，所述存儲裝置符合通過使用所述一組簡化的濾波器核心而減小的存儲要求。
19.圖像處理方法，包括
對形成光學圖像的電磁能量的波前在空間頻率范圍內(nèi)進行波前編碼；
將所述光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及
利用一組簡化的濾波器核心處理所述數(shù)據(jù)流，以生成最終圖像，
其中所述一組簡化的濾波器核心的系數(shù)在所述空間頻率范圍內(nèi)改變對比度。
20.權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述一組簡化的濾波器核心的系數(shù)在空間頻率范圍內(nèi)增大對比度。
21.權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述一組簡化的濾波器核心的系數(shù)在空間頻率范圍內(nèi)減小對比度。
全文摘要
一種圖像處理方法，包括步驟對形成光學圖像的波前進行波前編碼；將光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流；以及利用濾波器核心處理數(shù)據(jù)流以反向轉(zhuǎn)換波前編碼的作用并生成最終圖像。例如，該組濾波器核心可以是一組簡化的濾波器核心，或色彩專用的核心。本發(fā)明還披露了用于處理彩色圖像的方法和系統(tǒng)，例如通過將色彩與空間信息分離到分離的信道中而進行處理。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可用于例如形成電子設(shè)備，其具有簡化的光-機械裝置、光-電子裝置以及降低的處理復雜度或成本。
文檔編號G02B27/00GK101118317SQ20071013635
公開日2008年2月6日 申請日期2003年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月27日
發(fā)明者格雷戈里·愛德華·約翰遜, R·道斯基 愛德華, K·梅肯 阿什利, B·瓦奇 漢斯 申請人:Cdm光學有限公司