[發明專利]基于自適應光學系統點擴散函數重建的圖像盲卷積方法

有效

• 申請號: 201410026675.3
• 申請日: 2014-01-21
• 公開（公告）號: CN103761712A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 賈鵬;王東;蔡冬梅
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 李富元

技術領域

本發明屬于自適應光學圖像處理領域，具體是一種基于自適應光學系統點擴散函數重建的圖像盲卷積方法。

背景技術

地面通過望遠鏡在對天體進行觀察，成像過程中會受到多種外部作用而影響成像質量，包括：大氣湍流作用，望遠鏡的重力變形和熱變形等。主動光學技術可以部分的校正望遠鏡主鏡的重力變形和熱變形，但是對于沒有配備主動光學的望遠鏡，鏡面在進行觀測時的變形往往難以校正和測量。自適應光學技術主要用來校正大氣湍流對于成像的影響，但是受限于波前測量精度，變形鏡校正自由度，校正速度，系統的光學設計等，往往無法完全校正大氣湍流影響。此外，由于自適應光學系統的測量光路和科學相機成像光路的結構不是完全相同的，非共光路像差對于成像也有很嚴重影響。

為了進一步提高圖像質量，文獻《Deconvolution?from?wave-front?sensing:?a?new?technique?for?compensating?turbulence—degraded?images》提出了使用波前測量信息對圖像進行解卷積處理，來復原圖象的方法，但是受限于波前測量精度，這種方法實用性不佳。

專利申請號為：201210246852.X的專利曾提出過使用基于非迭代自解卷積圖像盲卷積方法的圖像恢復技術，該方法通過選取質量較好的幀圖像作為基礎，并結合波前測量結果確定解卷積中的可調參數。通過累加得到系統的一個接近長曝光的光學傳遞函數，并將這一曝光函數作為解卷積時可調參數的參考，通過一次的解卷積計算去除自適應光學系統校正殘差，以達到提高圖像質量的目的。可見，對于該方法來說，波前測量得到的殘差與成像光路的殘差差距越小，則使用這一方法經過處理后的圖像質量越好。但是，由于波前探測器和變形鏡的物理結構等原因，直接使用波前探測器的測量結果而不考慮變形鏡的結構估計得到的測量殘差，對于高頻誤差的估計往往是不足的。更為重要的是，由于波前測量系統和科學相機所在的為不同的光路，由光路不同造成的非共光路象差對于最終圖像質量影響也比較大。此外，由于望遠鏡的準靜態象差（望遠鏡的重力變形和熱變形）的影響，主鏡拼接結構，以及望遠鏡的副鏡和支撐副鏡的部分的衍射的影響，也會使最終的圖像質量下降，在圖像重建的過程，這一部分也要考慮。因此想要能夠較好的恢復圖像，要求能夠以高的精度估計出整個光學系統的影響，即系統的點擴散函數（PSF）。之后以這一PSF為基礎，可以通過反卷積，提高圖像質量。

文獻《First?Successful?Adaptive?Optics?PSF?Reconstruction?at?W.M.?Keck?Observatory》報告了在Keck望遠鏡上估計自適應光學系統PSF的工作。他們通過使用變形鏡的控制信息以及差分傳感器，估計出了大氣湍流參數和系統的靜態象差等。在對于自適應光學系統的PSF估計的過程中，將光學系統的點擴散函數的估計分為兩個部分：系統的靜態象差部分和系統的動態象差部分。對于系統的動態象差，通過使用變形鏡信號進行了估計；在估計系統的靜態象差時通過使用導星和差分傳感進行了測量。但是，結果表明估計出的PSF和真實的PSF還有一些差距。因此，如果直接使用這樣的方法得到的PSF進行反卷積，其結果還是不理想的。

在PSF未知或者了解不多的情況下，盲卷積是一種使用比較廣泛的后期圖像處理方法，這種圖像盲卷積方法將成像過程用以下的表達式進行描述：???????????????????????????????????????????????，為觀測到的圖像，為真實目標；表示光學系統的點擴散函數；用來描述包括大氣湍流；望遠鏡以及自適應光學系統等對于成像的影響；表示系統的噪聲；表示卷積操作。參考先驗條件，通過優化圖像盲卷積方法迭代逐漸改變PSF和圖像，可以達到恢復圖像的結果。文獻《Total?variation?blind?deconvolution》提出了基于全局變分的盲卷積圖像盲卷積方法，這種圖像盲卷積方法被廣泛的應用在眾多的圖像處理任務中。該圖像盲卷積方法最小化如下評價函數，通過迭代得到優化后的圖像：，上式中，f為目標函數，k為點擴散函數，u為優化之后的圖像，z為原始圖像，和為可以調整的正常數。這一優化圖像盲卷積方法的收斂速度和最終的結果，依賴于點擴散函數的初始值和評價函數。目前所出現的圖像盲卷積方法，一般采用的是人工經驗確定的點擴散函數，很難實現對于點擴散函數的準確估計，導致收斂速度慢，且處理后的圖像效果不佳。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：如何能更好地提高經過自適應光學系統校正之后的天文望遠鏡的圖像質量。