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在运动图像复原中,建立图像退化模型的关键是找到准确的点扩展函数(PSF)。提出了一种基于单幅图像的、改进的任意方向匀速直线运动模糊PSF的估计方法。利用基于图像频谱亮线灰度特征的方向鉴别方法鉴别模糊图像的模糊方向,利用微分自相关的方法对模糊图像的模糊尺寸进行计算,通过计算模糊图像沿二维直线运动方向不同距离的重叠度,来计算得到相应的PSF。通过开展仿真分析和成像实验,演示了PSF估计和图像复原过程。通过采用图像质量评价函数,将图像复原结果与现有算法进行对比,验证了所提出方法的有效性。
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书书书
第
39
卷
第
8
期
中
国
激
光
Vol.39
,
No.8
2012
年
8
月
犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犔犃犛犈犚犛
犃狌
犵
狌狊狋
,
2012
任意方向匀速直线运动模糊的点扩展函数估计
赵妍妍
袁
艳
苏丽娟
(北京航空航天大学精密光机电一体化技术教育部重点实验室,北京
100191
)
摘要
在运动图像复原中,建立图像退化模型的关键是找到准确的点扩展函数(
PSF
)。提出了一种 基 于 单 幅 图 像
的、改进的任意方向匀速直线运动模糊
PSF
的估计方法。利用基于图像频谱亮线灰度特征的方向鉴别方法鉴别模
糊图像的模糊方向,利用微分自相关的方法对模糊图 像 的 模 糊 尺 寸 进 行 计 算,通 过 计 算 模 糊 图 像 沿 二 维 直 线 运 动
方向不同距离的重叠度,来计算得到相应的
PSF
。通过开展仿真分析和成像实验,演示 了
PSF
估 计 和 图 像 复 原 过
程。通过采用图像质量评价函数,将图像复原结果与现有算法进行对比,验证了所提出方法的有效性。
关键词
图像处理;图像复原;点扩展函数;运动模糊;重叠度
中图分类号
TP391.41
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犆犑犔201239.0809003
犘狅犻狀狋犛
狆
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)
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)
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狆
狅狊犻狋犻狅狀
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
100.1455
;
100.1830
;
100.3020
;
100.3190
收稿日期:
20120220
;收到修改稿日期:
20120424
基金项目:国家
973
计划(
2009CB724005
)和长江学者和创新团队发展计划(
IRT0705
)资助课题。
作者简介:赵妍妍(
1987
—),女,博士研究生,主要从事图像处理、光机结构设计等方面的研究。
Email
:
zhao
y
an
y
an1987
@
163.com
导师简介:袁
艳(
1967
—),女,博士,教授,主要从事成像光谱仪方面的研究。
Email
:
y
uan
y
an
@
buaa.edu.cn
1
引
言
近十几年 来,由 于工业 化流水 线的发 展以及 农
业、资源勘探的需要,各种相机被广泛应用于现代化
工厂以及星载、机载 等遥 感 系统 上。由于 相 机受 到
飞行速度和平台振动 等因 素 的影 响,实际 得 到的 图
像会产生运动模 糊,影响 成 像效 果。为获 取 清晰 的
图像,需要对模糊图像进行复原
[
1
~
3
]
,而运动模糊图
像复原的关键是找到 图像 的 退化 模 型,并采 取 逆过
程来求解原始图像,因 此 研究 运 动模 糊 图像 的 点扩
展函数(
PSF
),进而对图像进行复原具有重要意义。
图像复原分为盲复 原 和非 盲 复原
[
4
~
10
]
,盲 复原
是指 图 像和 模 糊
PSF
同时 不 可知 的 情况 下 进行 的
图像复原;非盲复原是指仅仅图像不可知,而模糊点
扩散函数已知的图像复原。运动模糊图像的处理一
般属于盲复原,需要对运动模糊过程中的
PSF
进行
估计,再对模糊图 像 进行 退 卷积 计 算。 针对 运 动模
糊
PSF
的求解,国内 外 已经 开 展了 大 量 研 究。
Tan
等
[
11
]
针对一维直线运动模糊,利用矩形
PSF
进行复
08090031
中
国
激
光
原取得了一定的效果。而针对二维直线运动模糊图
像,
Yitzhak
y
等
[
12
]
首先估计出二维直线运动模糊图
像的 模 糊 参 数,包 括 模 糊 尺 寸 和 模 糊 方 向。 陈 前
荣
[
13
,
14
]
利用旋转 插 值 的 方 法,根 据 模 糊 方 向 将 二
维运动模糊问题转化 为一 维 运动 模 糊问 题,从而 进
行处理。刘 微 等
[
15
,
16
]
根 据 二 维 模 糊 图 像 的 模 糊 路
径直接进行简单的离 散化
,从 而利 用 该方 法 得到 相
应的
PSF
并进 行 图 像 复 原。这 两 种 方 法 进 行 图 像
复原都取 得 了 一 定 的 效 果,但 复 原 效 果 仍 不 理 想。
除此之外,孔维武等
[
17
]
通过将运动点 分别视 为无大
小和像素大小两种情 况进 行 讨论,并 采用 各 像素 中
心到运动直线距离 小于“极 值”的方 法 来估 计
PSF
,
取得了一 定 的 效 果。 徐 树 奎 等
[
18
]
利 用 混 合 编 码 曝
光相机(高速双目立体 相 机和 高 分辨 率 编码 曝 光相
机),利用高速双目相机采集编码相机曝光时间内的
三幅图像,然后利用这 三 幅图 像 来获 取 编码 曝 光相
机获得模糊图像的
PSF
,从 而对 匀 加速 模 糊图 像 进
行复原。陈树越 等
[
19
]
通 过 对 旋 转 运 动 模 糊 图 像 进
行坐标变换,然后在直 角 坐标 空 间下 采 取差 分 方法
对旋转模 糊 图 像 进 行 恢 复。 杨 文 霞 等
[
20
]
利 用 湍 流
模型及其控制方程,计 算 脉动 流 场气 动 光学 效 应所
对应的
PSF
,并对 气 动模 糊 图像 进 行复 原。黎明 和
等
[
21
]
针对背景不 变 的 局 部 匀 速 运 动 模 糊 图 像 利 用
Z
变换,将像平面内任意方向的运动转换成
犡
轴方
向的运动,进而将复杂 的 局部 模 糊复 原 问题 简 化为
前景模糊恢复和背景融合来解决。
本文提出一 种 改 进 的
PSF
求 解 方 法 得 到 二 维
匀速直线运动模糊 图 像的
PSF
,再 对模 糊 图像 进 行
复原。通过计算机仿真和运动模糊实验对所提出算
法进行验证,并与现有 的 图像 复 原方 法 进行 对 比评
价。所提出方法的优势在于,不需要借助外界条件,
仅仅利用单幅模糊图 像,即能 得 到任 意 方向 模 糊图
像的
PSF
,并对模糊图像进行复原。
2
运动模糊的产生
当机载平台以速度
犞
在空中 飞行时,如 图
1
所
示,地面景物
犃
点相对 飞机 向后 移 动到
犃′
。通过 光
学系统成像于
犪′
点,在
CCD
靶面上像移速度为
犞′
=
犞
犎
犳
′
, (
1
)
式中
犞
为飞机飞行 速 度;
犎
为飞 行 高度;
犳
′
为光 学
系统焦距。
在
CCD
摄像机每场积分时间内像移量为
Δ
犾
=
犞′狋
, (
2
)
式中
狋
为
CCD
摄像机的场积分时间。
图
1
像移产生的原因示意图
Fi
g
.1 Schematicofthereasonsofima
g
emotion
像移量的存在将使图像模糊,为得到清晰图像,
必须要对像移进行控制。由(
2
)式可以看出,减小像
移模糊的途径有两个:缩短 曝 光时 间 和降 低 像移 速
度。像移速度与飞机 飞行 速 度成 比 例关 系,不可 能
随意改变,缩短曝光时间会降低探测器靶面照度,影
响图像探测效果。因 此,目前 解 决运 动 模糊 的 主要
手段是通过了解图像 的退 化 过程,建 立运 动 图像 的
复原模型,通过数学模型来解决图像的复原问题。
3
匀速直线运动模糊退化模型
假 定 在 摄 像 机 曝 光 时 间 内 飞 机 是 匀 速 直 线 飞
行,则飞机的前向像移 可 等效 为 地面 景 物与 摄 像机
之间的相对匀速直线 运动 造 成的 成 像模 糊,根据 线
性系统的理论,建立数学模型
[
15
]
如图
2
所示。
图
2
图像退化模型
Fi
g
.2 Ima
g
ede
g
radationmodel
则,最后得到的模糊图像
犵
(
狓
,
狔
)可以表示为
犵
(
狓
,
狔
)
=
犺
(
狓
,
狔
)
犳
(
狓
,
狔
)
+
狀
(
狓
,
狔
), (
3
)
式中
犳
(
狓
,
狔
)为清 晰 图 像,
狀
(
狓
,
狔
)为 噪 声,而
犺
(
狓
,
狔
)即是要求的
PSF
。
对于一维运动模糊,运动模糊
PSF
的表达式为
犺
(
狓
,
狔
)
=
1
/
犔
0
≤
狓
≤
犔
-
1
{
0 others
, (
4
)
式中
犔
为模糊像元。
4
图像复原中
PSF
的估计方法
4.1
现有的
犘犛犉
对于任意 方向匀 速直线 运动模 糊图像,一般有
两种
PSF
估计 方 法。一 种 是 先 将 二 维 运 动 模 糊 图
片旋转到模糊方向为 水平 方 向,将其 作 为一 维 运动
08090032
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