基于Wigner分布参数化表示的光场成像理论与方法研究

This project intends to study the parametric representation of light fields under the Wigner distribution by combining time-frequency analysis and Fourier optics, and extend the light field imaging to the category of wave optics. We also plan to explore the new theory and methods of light field imaging based on the Wigner distribution. The two-plane parametric representation of the light field is limited to the category of geometric optics, which ignores the wave characteristics of the light. The project intends to explore the intrinsic relationship between light field imaging and Wigner distribution, and establish a parameterized representation theory of Wigner distribution light field with time-frequency properties and certain wave properties. We plan to establish an imaging model based on the Wigner distribution light field parameterization and use regularization modeling to implement computational imaging methods, including digital refocusing, scene depth reconstruction, and all-in-focus imaging. We also plan to explore computational imaging techniques such as virtual phase modulation and virtual wavefront coding. By studying the problem of light field imaging sampling represented by the Wigner distribution parametric representation, a super-resolution iterative method for depth reconstruction of the light field is realized. The development of relevant theories and methods of this project has certain theoretical guiding significance for the set up of light field imaging systems and the design of optical parameters.

本项目以时频分析和傅里叶光学为手段，研究Wigner分布下的光场参数化表示理论，扩展几何光学范畴下的光场成像，形成新参数表示下的光场成像理论和方法。光场双平面参数化表示受限于几何光学的范畴，忽略了光的波动特性。本项目拟探究光场成像和Wigner分布之间的内在联系，建立具有时频性质和一定波动性质的Wigner分布光场参数化表示理论。建立基于Wigner分布光场参数化的成像模型，利用反问题建模和正则化求解实现计算成像方法，包括数字重聚焦、场景深度重建和全聚焦成像。探究虚拟相位调制和虚拟波前编码计算成像技术，丰富计算成像手段。通过研究Wigner分布参数表示下的光场成像采样问题，实现光场深度重建超分辨迭代方法。本项目相关理论和方法的开展，对光场成像系统搭建和光学参数设计具有一定的理论指导意义。

本项目针对Wigner分布参数化表示下的光场成像理论与方法开展了研究，内容包括光场时频分析、基于时频分布的光场参数化表示、基于时频分布的光场成像理论与方法、高精度场景重建方法等问题。取得主要成果如下：.（1）理论上，探究了Wigner分布与光场计算成像的内在深层联系，建立相应Wigner分布下的光场计算成像模型。基于Wigner分布函数对扫描全聚焦成像建模和反卷积重建方法，提出了对聚焦堆栈和聚焦扫描数据的全聚焦计算成像方法。.（2）方法上，利用Wigner分布函数和模糊函数对扫描成像系统（聚焦堆栈成像系统和聚焦扫描成像系统）建模，推演得到了扫描成像系统的点扩散函数。分析了聚焦扫描的光学传递函数和点扩散函数的近似三维空间不变性，并建立反问题求解模型。针对现有光场成像技术遇到的三维重建畸变问题，本项目以Wigner分布函数的角谱性质为基础，研究提高深度重建分辨力、减少深度方向畸变的场景重构方法。在宏像素表达形式下，引入分区域归一化基频、相似程度加权、直方图峰值、区域加权方差实现对宏像素角度一致性的优化判断，建立场景深度重建的优化模型。.（3）在应用技术上，本项目设计与搭建了一种适用于蛇形机器人的高精度被动式视觉传感原型机。针对单目视觉SLAM尺度不确定性问题，基于光场和聚焦堆栈成像技术提出一种适用于蛇形机器人的高精度被动式视觉传感技术。在聚焦堆栈重建光场的理论模型下，由聚焦堆栈重建场景光场、场景深度与全聚焦图像。.本项目基于Wigner分布和光场时频分析形成并发展了新的原创研究思路，取得了具有特色的研究成果。相关理论为景深拓展性能分析与扫描范围的选择提供了理论依据，这一思路进一步可以应用到其他景深拓展成像系统的分析。相关成像方法可应用于三维重建、目标识别、检测技术与场景分析，可提供更有效的手段，有助于光场计算成像技术应用于更多的重要领域。