本發(fā)明屬于計(jì)算攝像學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于卷積稀疏重構(gòu)和logsum算法的光傳輸成分分解方法。

背景技術(shù)：
麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了采集時(shí)間精度為2ps的相機(jī)，對(duì)應(yīng)每幀的時(shí)間內(nèi)，光傳播的時(shí)間為0.6mm的距離，因此也叫這種相機(jī)為光速相機(jī)。這種飛秒成像裝置由三個(gè)部分組成：一是飛秒相機(jī)，以每秒750MHz的頻率發(fā)射時(shí)長(zhǎng)為飛秒級(jí)別的激光脈沖；二是條紋相機(jī)，這種相機(jī)只能采集一維空間的光強(qiáng)隨時(shí)間變化的情況；三是旋轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，由一對(duì)旋轉(zhuǎn)鏡面組成，能夠?qū)崿F(xiàn)相機(jī)在另一維度上的信息的掃描，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二維場(chǎng)景的ps時(shí)間分辨率的信息的捕獲。此外，由于幀間時(shí)間過(guò)短，采集的光強(qiáng)太小，為了提高信噪比和采集精度，所以對(duì)于較條紋相機(jī)采集維度的另一維度的上的每一個(gè)位置需要進(jìn)行多次采集。武迪等人在2012發(fā)表的基于光傳輸信號(hào)分解的論文中提出了一種簡(jiǎn)單地基于梯度的光傳輸成分的分離方法，從最直觀的角度出發(fā)，首先計(jì)算出光傳輸時(shí)間函數(shù)關(guān)于時(shí)間的梯度信息，然后利用梯度變化的趨勢(shì)找到直接反射成分的起點(diǎn)和終點(diǎn)，然后用高斯函數(shù)對(duì)直接反射成分?jǐn)M合，進(jìn)而將直接反射成分和間接反射成分分離開(kāi)。該方法在抗噪和復(fù)雜光傳輸?shù)那闆r下的處理效果均有待改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問(wèn)題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明旨在于提出一種成分分立效果好、不同成分連續(xù)性佳的光傳輸成分分解方法。一種光傳輸成分分解方法，其特征在于，包括如下步驟：S1：利用光傳輸成分結(jié)構(gòu)模式的先驗(yàn)知識(shí)構(gòu)造表示光傳輸不同成分的卷積核；S2：建立卷積稀疏重構(gòu)的光傳輸分解的數(shù)學(xué)模型，并在數(shù)學(xué)模型中加入logsum逼近因子；以及S3：實(shí)現(xiàn)結(jié)合logsum和卷積稀疏重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)某煞址纸?，利用分解出的不同成分進(jìn)行場(chǎng)景的分析與理解。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述光傳輸包括直接反射作用、多次反射作用與亞表面散射作用，所述光傳輸?shù)睦硐霑r(shí)域-輻射度函數(shù)包括反射作用函數(shù)與亞表面散射作用函數(shù)，其中，由于相機(jī)固有的PSF核的模糊作用，所述反射結(jié)構(gòu)模型用核寬度為σ高斯核函數(shù)來(lái)描述，其中，kgauss(t)為高斯核函數(shù)，t0為高斯核中心，σ為高斯核寬度，所述亞表面散射作用函數(shù)為起始于時(shí)刻t0的指數(shù)衰減函數(shù)和由相機(jī)模糊核函數(shù)高斯模糊核函數(shù)卷積得到的結(jié)果，kexp(t)=yexp(t)*kcamera其中其中，yexp(t)為對(duì)應(yīng)的指數(shù)衰減函數(shù)，kcamera為場(chǎng)景采集系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的模糊核函數(shù)，α為指數(shù)函數(shù)的衰減系數(shù)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，針對(duì)理想時(shí)域-輻射度函數(shù)，通過(guò)調(diào)整反射作用的高斯和寬度，亞表面散射作用的起始作用衰減系數(shù)α來(lái)構(gòu)建表示光傳輸作用的核。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)調(diào)整反射作用的高斯和寬度，亞表面散射作用的起始作用衰減速度α來(lái)構(gòu)建表示光傳輸作用的核，構(gòu)建光速相機(jī)采集范圍內(nèi)基本光傳輸模式組成的表示光傳輸作用的核字典，所述核字典的每一成分對(duì)應(yīng)不同參數(shù)的可能的形式。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟S3中，考慮實(shí)際相機(jī)采集的精度模型，實(shí)際采集的光強(qiáng)時(shí)間函數(shù)是理想光強(qiáng)時(shí)間函數(shù)卷積高斯模糊核后的結(jié)果。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述模糊核為時(shí)域上的高斯函數(shù)，函數(shù)寬度由光速相機(jī)的采集參數(shù)決定。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述具有稀疏約束的成像模型方程為：其中，*為卷積操作，為表示光傳輸作用的卷積核，為待重構(gòu)的信號(hào)，也就是輸入的光強(qiáng)時(shí)間信號(hào)，為光傳輸基本構(gòu)成模式的函數(shù)的表征向量，其具有稀疏特性，考慮卷積作用的平移不變性，光傳輸成分的位置信息和幅值信息都包含在該重構(gòu)的向量中，K為卷積核集合的核個(gè)數(shù)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，利用卷積稀疏約束和logsum算法求解所述成像模型方程，得到光傳輸?shù)幕緲?gòu)成模式的函數(shù)的表征向量綜上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光傳輸成分分解方法基于卷積稀疏重構(gòu)和logsum算法，重構(gòu)并分解得到了光傳輸?shù)幕緲?gòu)成模式，提高了深度邊緣與分離的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)在深度邊緣的分離效果更符合物理實(shí)際，不需要預(yù)先知道某種成分可能的個(gè)數(shù)也能通過(guò)卷積稀疏重構(gòu)實(shí)現(xiàn)很好的分離效果。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。附圖說(shuō)明本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：圖1為本發(fā)明實(shí)施例的光傳輸成分分解方法的流程圖；圖2為某場(chǎng)景中某一點(diǎn)在整體圖像中的位置的示意圖；圖3為對(duì)應(yīng)圖2中該點(diǎn)的光強(qiáng)隨時(shí)間變化的函數(shù)曲線；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的光傳輸成分分解方法中構(gòu)建的核的矩陣展開(kāi)形式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為相機(jī)采集到的時(shí)域-輻射度值和重構(gòu)結(jié)果的比較示意圖；圖6為武迪2012CVPR論文中基于梯度的分離效果和本發(fā)明的基于卷積稀疏重構(gòu)和logsum分解效果的比較示意圖。具體實(shí)施方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。如圖1所示，本發(fā)明提出了一種光傳輸成分分解方法，包括如下步驟：S1：利用光傳輸成分結(jié)構(gòu)模式的先驗(yàn)知識(shí)構(gòu)造表示光傳輸不同成分的卷積核。S2：建立卷積稀疏重構(gòu)的光傳輸分解的數(shù)學(xué)模型并在數(shù)學(xué)模型中加入logsum逼近因子。S3：實(shí)現(xiàn)結(jié)合logsum和卷積稀疏重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)某煞址纸猓梅纸獬龅牟煌煞诌M(jìn)行場(chǎng)景的分析與理解。本發(fā)明的基于卷積稀疏重構(gòu)和logsum算法的光傳輸成分分解方法的具體步驟如下：第一步：利用光傳輸成分結(jié)構(gòu)模式的先驗(yàn)知識(shí)構(gòu)造表示光傳輸不同成分的卷積核，由于光傳輸作用包括基本的反射作用及亞表面散射作用，其時(shí)域-光強(qiáng)（輻射度）函數(shù)具有特定表征模式，光傳輸?shù)睦硐霑r(shí)域-輻射度函數(shù)包括反射作用函數(shù)與亞表面散射作用函數(shù)，其中，反射函數(shù)為一個(gè)沖激函數(shù)和一個(gè)高斯函數(shù)的卷積得到的結(jié)果形式：其中，kgauss(t)為高斯核函數(shù)，t0為高斯核中心，σ為高斯核寬度。亞表面散射作用函數(shù)為起始于時(shí)刻t0的指數(shù)衰減函數(shù)和由相機(jī)模糊核函數(shù)高斯模糊核函數(shù)卷積得到的結(jié)果。kexp(t)=yexp(t)*kcamera其中其中，yexp(t)為對(duì)應(yīng)的指數(shù)衰減函數(shù)，kcamera為場(chǎng)景采集系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的模糊核函數(shù)，α為指數(shù)函數(shù)的衰減系數(shù)。圖2為某場(chǎng)景中某一點(diǎn)在整體圖像中的位置的示意圖，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)場(chǎng)景中包含成分比較復(fù)雜的點(diǎn)，在場(chǎng)景中的邊緣部分，對(duì)應(yīng)該點(diǎn)有一個(gè)輻射度時(shí)間函數(shù)曲線如圖3所示。圖3的曲線中有兩個(gè)明顯的高斯峰，對(duì)應(yīng)該點(diǎn)，有直接的從場(chǎng)景中的物體邊緣上反射回來(lái)的一次反射成分，有從該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景中的物體邊緣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的后面的墻上點(diǎn)反射回來(lái)的直接反射成分，還有從場(chǎng)景中的物體內(nèi)部射出的全局反射成分。第二步：建立卷積稀疏重構(gòu)的光傳輸分解的數(shù)學(xué)模型，并在數(shù)學(xué)模型中加入logsum逼近因子；對(duì)應(yīng)實(shí)際情況中，直接反射（一次反射）成分對(duì)應(yīng)高斯核寬度參數(shù)，亞表面散射成分對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)參數(shù)α。在本實(shí)施方式中，首先利用高斯擬合大致確定場(chǎng)景中所有點(diǎn)對(duì)應(yīng)高斯核寬度的大致的分布范圍，然后分別構(gòu)造對(duì)應(yīng)不同高斯核寬度和指數(shù)衰減系數(shù)的基核，這些核在不同位置處的分布能夠用光傳輸基矩陣的形式表示出來(lái)，如圖4所示，其中，圖4（a）是僅考慮反射作用的基核用矩陣表示出來(lái)的形式，圖中為只考慮了一種核寬度的情況。圖4（b）是考慮反射及亞表面散射的基核用矩陣表示出來(lái)的形式，圖中對(duì)兩種情況分別只考慮了一種核寬度和一種指數(shù)衰減系數(shù)的情況。第三步：實(shí)現(xiàn)結(jié)合logsum和卷積稀疏重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)某煞址纸?，利用分解出的不同成分進(jìn)行場(chǎng)景的分析與理解。建立具有卷積稀疏約束的成像模型，方程為：其中，*為卷積操作，為表示光傳輸作用的卷積核，為待重構(gòu)的信號(hào)，也就是輸入的光強(qiáng)時(shí)間信號(hào)，K卷積核集合的核個(gè)數(shù)，為光傳輸基本構(gòu)成模式的函數(shù)的表征向量，其具有稀疏特性，考慮卷積作用的平移不變性，光傳輸成分的位置信息和幅值信息都包含在該重構(gòu)的向量中。圖5為相機(jī)采集到的時(shí)域-輻射度值和重構(gòu)結(jié)果的比較示意圖。圖6為武迪2012CVPR論文中基于梯度的分離效果和本發(fā)明的基于卷積稀疏重構(gòu)和logsum分解效果的比較。從圖6（a）和圖6（b）中可以看出，在處理場(chǎng)景邊緣的點(diǎn)的光傳輸分解時(shí)，我們的方法能夠?qū)⑼瑫r(shí)對(duì)應(yīng)光傳輸直接反射成分的兩個(gè)峰值都分離出來(lái)，而武迪的方法只能分離出其中一個(gè)，而且分離的效果非常的不準(zhǔn)確。從圖6（c）和圖6（d）可以看出，在場(chǎng)景信號(hào)成分比較簡(jiǎn)單的情況下，武迪的方法能夠分解好的地方我們也能得到比較好的結(jié)果。綜上，我們的方法在普通的情況下，能夠達(dá)到和武迪提出的方法類似的分解效果，而在更復(fù)雜的情況下能夠得到比武迪的方法更符合物理解釋的分解效果。綜上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光傳輸成分分解方法基于卷積稀疏重構(gòu)和logsum算法，重構(gòu)并分解得到了光傳輸?shù)幕緲?gòu)成模式，提高了深度邊緣與分離的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)在深度邊緣的分離效果更符合物理實(shí)際，不需要預(yù)先知道某種成分可能的個(gè)數(shù)也能通過(guò)卷積稀疏重構(gòu)實(shí)現(xiàn)很好的分離效果。需要說(shuō)明的是，流程圖中或在此以其他方式描述的任何過(guò)程或方法描述可以被理解為，表示包括一個(gè)或更多個(gè)用于實(shí)現(xiàn)特定邏輯功能或過(guò)程的步驟的可執(zhí)行指令的代碼的模塊、片段或部分，并且本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的范圍包括另外的實(shí)現(xiàn)，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據(jù)所涉及的功能按基本同時(shí)的方式或按相反的順序，來(lái)執(zhí)行功能，這應(yīng)被本發(fā)明的實(shí)施例所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。