自然界中動物的視覺係統通常高度適應其生存環境，而人類shi界中數字成像係統在被廣泛国产成人在线观看免费网站於(yu) 各種場景的情況下，卻被設計成隻模擬人眼。盡管這種通用設計在有些場合很成功，但是，我們(men) 不禁要問：對於(yu) 一個(ge) 特定的任務，什麽(me) 樣的相機設計才是非常好的呢？為(wei) 了回答這個(ge) 問題，在過去的二十年裏，人們(men) 開始探索針對特定領域的計算相機。通過聯合設計相機光學和圖像處理算法，計算相機能比傳(chuan) 統通用成像係統在特定任務上具有更優(you) 的性能。計算相機已經在一係列国产成人在线观看免费网站中展現出其能力。如拓展景深，超分辨，寬動態範圍成像等。
博覽:2018 ACM Trans. Graph.消色差拓展景深和超分辨成像的光學和圖像處理端到端優(you) 化
技術背景：
自然界中動物的視覺係統通常高度適應其生存環境，而人類shi界中數字成像係統在被廣泛国产成人在线观看免费网站於(yu) 各種場景的情況下，卻被設計成隻模擬人眼。盡管這種通用設計在有些場合很成功，但是，我們(men) 不禁要問：對於(yu) 一個(ge) 特定的任務，什麽(me) 樣的相機設計才是非常好的呢？為(wei) 了回答這個(ge) 問題，在過去的二十年裏，人們(men) 開始探索針對特定領域的計算相機。通過聯合設計相機光學和圖像處理算法，計算相機能比傳(chuan) 統通用成像係統在特定任務上具有更優(you) 的性能。計算相機已經在一係列国产成人在线观看免费网站中展現出其能力。如拓展景深，超分辨，寬動態範圍成像等。
當前不足：
過往在計算相機上的探索是啟發式的，並沒有考慮後處理後的圖像質量。沒有一種端到端的方法來聯合優(you) 化成像光學元件的參數和數據處理算法，為(wei) 特定任務找到計算相機的任務仍然難以實現。
文章創新點：
基於(yu) 此，斯坦福大學的Vincent Sitzmann和Gordon Wetzstein等人提出了一種從(cong) 成像的各個(ge) 器件環節到zui終的圖像重建算法都考慮在內(nei) 的端到端優(you) 化方法。並將該端到端框架国产成人在线观看免费网站於(yu) 消色差拓展景深和快照超分辨成像。優(you) 化完成的衍射元件用光刻技術加工，折射透鏡用金剛石車削加工。經實驗驗證，實際效果與(yu) 模擬效果相符。
原理解析：
(1) 成像模型。首先以近軸光學的方式，不考慮離軸像差，用平麵波看作為(wei) 一個(ge) 無窮遠處的點光源，其經過光學元件的相位調製後，用波動光學理論在自由空間傳(chuan) 播到圖像傳(chuan) 感器表麵得到的光強作為(wei) 點擴散函數。隻考慮點擴散函數為(wei) 平移不變的情況，這樣可以簡化問題。圖像源與(yu) 點擴散函數卷積，在圖像傳(chuan) 感器每個(ge) 像素上隨波長和時間積分，加上傳(chuan) 感器的讀取噪聲，zui終成像。圖像重建可以看作為(wei) 求解一個(ge) Tikhonov正則化zui小二乘問題。
(2) 端到端優(you) 化框架。用隨機梯度法優(you) 化有一個(ge) 光學元件的計算相機。將成像模型的每一步描述為(wei) 一個(ge) 可微的模塊。光學元件的光學高度分布h是一個(ge) 優(you) 化變量，光學元件的尺寸、圖像傳(chuan) 感器像元尺寸、傳(chuan) 輸距離z和圖像傳(chuan) 感器讀取噪聲水平等，均為(wei) 超參數。在一個(ge) RGB圖像數據集上優(you) 化模型。損失函數為(wei) 均方根誤差。
(3) 消色差拓展景深。在成像建模的時候，考慮多色和多深度的場景：將整個(ge) 光譜離散成三個(ge) 波長(460,550和640nm),場景深度設計成五個(ge) 深度(∞,2,1,0.67和0.5m)。從(cong) 1244張高分辨率圖像數據集中進行圖像采樣，隨機對圖像分配五個(ge) 深度中的一個(ge) ，而三個(ge) 波長同時考慮。国产成人在线观看免费网站上述成像模型成像。
實驗效果：
附錄：
(1) 波動光學點擴散函數建模。光學元件對複數波場的相位延遲與(yu) 其厚度h成正比：
入射波場經光學元件出射後的場為(wei) ：
出射場在自由空間傳(chuan) 播一段距離z：
點擴散函數在這裏用一個(ge) 平麵波描述無窮遠處的一個(ge) 點源，經過光學元件後，在自由空間傳(chuan) 播一段距離z，到達圖像傳(chuan) 感器表麵得到：
(2) 從(cong) PSF到圖像。獲得點擴散函數以後，圖像傳(chuan) 感器每一個(ge) 彩色通道感應的光強可以看作各個(ge) 波長下圖像與(yu) 點擴散函數的卷積並乘以圖像傳(chuan) 感器的光譜靈敏曲線的積分。在這裏認為(wei) PSF是平移不變的，隻考慮近軸情況，離軸像差不考慮。
(3) 傳(chuan) 感器上建模。傳(chuan) 感器上接收到的圖像建模為(wei) 每個(ge) 像素上的積分加上高斯讀取噪聲。
(4) 通過求解一個(ge) Tikhonov正則化zui小二乘問題重建。
當PSF離散化大小與(yu) 圖像傳(chuan) 感器像素大小匹配時，像素積分算子S為(wei) 恒等式，可以在圓形邊界條件的簡化假設下用維納濾波以封閉形式解決(jue) 問題(7)，維納濾波操作為(wei) ：
(5) 端到端優(you) 化。優(you) 化求解loss函數為(wei) ：
參考文獻：Vincent Sitzmann, Steven Diamond, Yifan Peng, Xiong Dun, Stephen Boyd, Wolfgang Heidrich, Felix Heide, and Gordon Wetzstein. 2018. End-to-end optimization of optics and image processing for achromatic extended depth of field and super-resolution imaging. ACM Trans. Graph. 37, 4, Article 114 (August 2018), 13 pages.
DOI：
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