面向復(fù)用成像的像素設(shè)計(jì)研究.pdf

1、復(fù)用成像是指用單個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)同時(shí)采樣多個(gè)成像維度（如，空間、時(shí)間、光譜和明度），而具體需要同時(shí)采樣哪些成像維度是應(yīng)用相關(guān)的。復(fù)用成像的實(shí)例包括使用濾色陣列(color filter array,CFA)的彩色成像，使用空域變曝光(spatially varying exposures，SVE)技術(shù)的高動(dòng)態(tài)范圍(high dynamic range，HDR)成像，以及多幅圖像超分辨率(super-resolution)等。在過去的幾十年間

2、，該問題的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。然而，仍有一些問題需要進(jìn)一步考慮。第一，用于復(fù)用成像的傳感器大多使用正方形像素和規(guī)則布局。然而，以往的研究表明動(dòng)物視網(wǎng)膜的不規(guī)則布局有利于得到高質(zhì)量圖像。所以，使用不規(guī)則像素布局進(jìn)行復(fù)用成像值得研究。第二，大多數(shù)針對復(fù)用成像的像素設(shè)計(jì)忽略了后續(xù)重建算法的特性。為了增強(qiáng)某一類重建算法的性能，可以專門針對該類算法設(shè)計(jì)像素分配方式，并在設(shè)計(jì)過程中充分考慮重建過程。
　　本文針對上述問題進(jìn)行研究，取得了

3、以下創(chuàng)新性的成果:
　　(1)本文提出彭羅斯(Penrose)像素布局用于圖像去馬賽克(demosaicking)問題，同時(shí)提出Ammann-Beenker像素布局用于圖像超分辨率和去馬賽克問題。這兩個(gè)像素布局都是非周期且不規(guī)則的，可以均勻三著色，并且僅使用兩種形狀的像素。這些特性使得它們在制造成像傳感器方面優(yōu)于其他不規(guī)則像素布局。在圖像超分辨率和去馬賽克問題上測試這兩個(gè)不規(guī)則像素布局的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明彭羅斯和Ammann-Be

4、enker像素布局優(yōu)于正方形像素布局。
　　(2)本文提出彭羅斯像素布局用于基于SVE技術(shù)的HDR成像。這使得彭羅斯像素布局在曝光和像素分配這兩個(gè)方面都是非周期的。由于彭羅斯像素布局是不規(guī)則和非周期的，現(xiàn)有的HDR重建方法不再適用。以高斯混合模型(Gaussian mixture model，GMM)為正則化項(xiàng)，開發(fā)出一個(gè)新的HDR重建方法。大量實(shí)驗(yàn)表明彭羅斯像素布局有利于緩解重建HDR圖像分辨率降低的問題。
　　(3)基于

5、頻域結(jié)構(gòu)，本文提出一個(gè)針對頻域選擇去馬賽克算法的自動(dòng)CFA設(shè)計(jì)方法。然后，將該方法擴(kuò)展用于設(shè)計(jì)使用全色像素的高光敏感CFA.該設(shè)計(jì)方法使用一個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，并且是全自動(dòng)的。具體地，將使用全色像素的高光敏感CFA設(shè)計(jì)形式化為多目標(biāo)優(yōu)化問題，它同時(shí)最大化對光譜混疊的健壯性和全色像素的比例。在低光照和正常光照數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性。
　　(4)給定一個(gè)合適的字典，本文提出一個(gè)有理論保證的針對稀疏表示去馬賽克算