基于波动光学的光场成像与光场重建的理论研究

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1、硕士学位论文基于波动光学的光场成像与光场重建的理论研究THEORYOFPLENOPTICIMAGINGINWAVEOPTICSANDRECONSTRUCTIONOFLIGHTFIELD史仪哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：O438.2学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开理学硕士学位论文基于波动光学的光场成像与光场重建的理论研究硕士研究生：史仪导师：孙秀冬教授申请学位：理学硕士学科：光学所在单位：物理系答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O438.2U.D.C:535D

2、issertationfortheMasterDegreeinScienceTHEORYOFPLENOPTICIMAGINGINWAVEOPTICSANDRECONSTRUCTIONOFLIGHTFIELDCandidate：ShiYiSupervisor：Prof.SunXiudongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpeciality：OpticsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-

3、Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要光场成像是计算成像领域中的一个重要分支，兼具光学系统的硬件设计与计算机的软件算法。在光信息采集方面，光场系统通过特殊的结构设计，仅通过一次曝光同时记录下目标物体的空间分布和传播方向共四个维度的信息。在光信息处理方面，通过特殊的算法对光场数据进行后期处理，实现光场的重建，根据不同的应用场合，满足不同的需求，如数字重聚焦，深度信息提取等，极大地突破传统成像的局限性。本论文研究微透镜阵列型的光场成像系统，从理论、仿真、信息处理三个层面展

4、开研究，从输入图像经过成像系统正向演化得到成像结果，再到提取光场信息进行逆向的反演重建，形成了一个闭合的环路。首先模型化成像系统，根据匹配条件，参照现有透镜与微透镜阵列工艺水平，给出一组具体的器件参数与结构参数，为后续的模拟仿真提供必要的数据；并从几何结构角度出发，推导系统的景深公式，量化系统景深扩展的性能。其次，采用波动光学中的标量衍射理论建立成像模型，基于模型与选取的参数，对不同物距下的点扩散函数进行了仿真，结合三维物体光学切片成像模型，实现了三种类型的目标物体的正向演化过程。根据正向过程得到的光场信息，提取并反演得到几类视图并进行两种

5、类型重建。第一种是再聚焦重建，在空间域建立了光场数字重聚焦，实现了光场成像重聚焦功能，采用边缘点处灰度阶跃变化作为图像清晰度函数，对重聚焦进行图像重建质量的评价。第二种是对采集的光场进行去卷积重建。通过最近邻域法初步实现了三维去卷积，获得了每一层物体光学切片的信息，并对去卷积结果进行了评价。此外针对半透明物体，考虑物体吸收特性，对三维成像模型与最近邻域法模型进行了修正，重新建立了物体成像模型与三维去卷积模型。关键词：光场成像；微透镜阵列；标量衍射；数字再聚焦；三维去卷积-I-哈尔滨工业大学理学硕士学位论文AbstractLightfield

6、photographyorinotherwordplenopticphotographyisanimportantbranchinthefieldofcomputationalimaging.Itcombinesthehardwaredesignoftheopticalsystemandthesoftwarealgorithmofthecomputer.Intheaspectofinformationcollection,thesystemisdesignedwithspecialstructuretoacquirenumbersoflig

7、htfieldinformationjustinoneexposure.Thedatarecordedbyplenopticcameraincludespatialanddirectiondistributioninformationofthetargetobject.Thereforeweconsidertheplenopticdataasthe4-dementionalinformation.Intheaspectofinformationprocess,weuseseveralalgorithmstorealizelightfield

8、reconstructionwhichplaysdominantrolesinmanyapplicationsandmeetthedifferentneeds,suchasdig