光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算

张烜喆; 王彦; 王佳华; 侯再红; 杜少军

doi:doi:10.3788/IRLA20200053

红外与激光工程, 2020, 49 (11): 20200053, 网络出版: 2021-01-04

光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算下载： 761次

Image clarification and point cloud calculation under turbulence by light field camera

张烜喆 ^1,2,3王彦 ³王佳华 ³侯再红 ^1,2杜少军 ³

作者单位

¹ 中国科学院合肥物质科学研究院，安徽合肥 230031

² 中国科学技术大学科学岛分院，安徽合肥 230026

³ 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南长沙 410073

图 & 表

图 1. 传输截面上光线的相空间坐标示意图

Fig. 1. Phase space coordinates schematic diagram of the ray on transmission cross section

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图 2. 光学相空间的四种密度函数

Fig. 2. Four density functions in optical phase space

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图 3. 光场相机2.0结构示意图

Fig. 3. Light field camera 2.0 structure diagram

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图 4. 前三阶像差与相空间中形变的对应关系

Fig. 4. Relationship of first three order aberration and corresponding deformation in phase space

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图 5. 全场相位图的计算流程图

Fig. 5. Calculation flow chart of full FOV phase map

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图 6. 火焰动态三维重建实验结果

Fig. 6. 3D reconstruction results of dynamic flame

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图 7. 去湍流清晰化成像实验场景及结果

Fig. 7. Turbulence-degraded image clarifications experiment results

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图 8. 室外实验去湍流清晰化效果图

Fig. 8. Outdoor turbulence-degraded image clarifications experiment results

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图 9. 室外实验全场相位图谱（仅离焦项）

Fig. 9. Full FOV phase map (only unfocused item) of outdoor experiment

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图 10. 500 m处目标点云深度分辨率理论预期值

Fig. 10. Theoretical depth resolution of target point cloud at 500 m

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表 1
Analysis of turbulence-degraded imaging clarification quality
湍流清晰化成像质量评价

Table1.
Analysis of turbulence-degraded imaging clarification quality
湍流清晰化成像质量评价

	MSSIM	PNSR/dB	Tenengrad
注：MSSIM（平均结构相似度指数）模拟人眼对图像结构相似性的认知，取值范围[0,1]。PNSR（峰值信噪比指数）是基于误差敏感的图像质量评价指标，PNSR越大则表明图像失真越小。Tenengrad梯度函数是基于图像梯度的评价函数，图像边缘越清晰，Tenengrad函数值越大。
After clarification	0.916	50.234	1.165
Before clarification	0.501	47.103	0.563 3

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表 2
Analysis of imaging quality
成像质量分析

Table2.
Analysis of imaging quality
成像质量分析

	SMD	Tenengrad
注：SMD（灰度方差指数）是图像全像素的灰度差分值之和，根据全聚焦图像中的高频分量最多的原理，将灰度变化作为聚焦评价的依据。根据表2，矫正后图像的SMD与Tenengrad值比未矫正图像的更高，这表明其具有更高的成像清晰度。
After clarification	24.63	1.089
Before clarification	20.97	0.870

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张烜喆, 王彦, 王佳华, 侯再红, 杜少军. 光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(11): 20200053. Xuanzhe Zhang, Yan Wang, Jiahua Wang, Zaihong Hou, Shaojun Du. Image clarification and point cloud calculation under turbulence by light field camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(11): 20200053.

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图 1. 传输截面上光线的相空间坐标示意图

Fig. 1. Phase space coordinates schematic diagram of the ray on transmission cross section

图 2. 光学相空间的四种密度函数

Fig. 2. Four density functions in optical phase space

图 3. 光场相机2.0结构示意图

Fig. 3. Light field camera 2.0 structure diagram

图 4. 前三阶像差与相空间中形变的对应关系

Fig. 4. Relationship of first three order aberration and corresponding deformation in phase space

图 5. 全场相位图的计算流程图

Fig. 5. Calculation flow chart of full FOV phase map

图 6. 火焰动态三维重建实验结果

Fig. 6. 3D reconstruction results of dynamic flame

图 7. 去湍流清晰化成像实验场景及结果

Fig. 7. Turbulence-degraded image clarifications experiment results

图 8. 室外实验去湍流清晰化效果图

Fig. 8. Outdoor turbulence-degraded image clarifications experiment results

图 9. 室外实验全场相位图谱（仅离焦项）

Fig. 9. Full FOV phase map (only unfocused item) of outdoor experiment

图 10. 500 m处目标点云深度分辨率理论预期值

Fig. 10. Theoretical depth resolution of target point cloud at 500 m

表 1
Analysis of turbulence-degraded imaging clarification quality
湍流清晰化成像质量评价

Table1.
Analysis of turbulence-degraded imaging clarification quality
湍流清晰化成像质量评价

表 2
Analysis of imaging quality
成像质量分析

Table2.
Analysis of imaging quality
成像质量分析

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图 3. 光场相机2.0结构示意图

Fig. 3. Light field camera 2.0 structure diagram

图 4. 前三阶像差与相空间中形变的对应关系

Fig. 4. Relationship of first three order aberration and corresponding deformation in phase space

图 5. 全场相位图的计算流程图

Fig. 5. Calculation flow chart of full FOV phase map

图 6. 火焰动态三维重建实验结果

Fig. 6. 3D reconstruction results of dynamic flame

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Fig. 7. Turbulence-degraded image clarifications experiment results

图 8. 室外实验去湍流清晰化效果图

Fig. 8. Outdoor turbulence-degraded image clarifications experiment results

图 9. 室外实验全场相位图谱（仅离焦项）

Fig. 9. Full FOV phase map (only unfocused item) of outdoor experiment

图 10. 500 m处目标点云深度分辨率理论预期值

Fig. 10. Theoretical depth resolution of target point cloud at 500 m

表 1Analysis of turbulence-degraded imaging clarification quality湍流清晰化成像质量评价

Table1. Analysis of turbulence-degraded imaging clarification quality湍流清晰化成像质量评价

表 2Analysis of imaging quality成像质量分析

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成像质量分析

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成像质量分析