利用ZEMAX仿真PSF无法对模拟成像结果进行复原解决方案

mqjk

最近课题在利用三次相位版做景深拓展，想利用ZEMAX仿真PSF（如FFT PSF 或 惠更斯 PSF）对ZEMAX图像模拟结果并在matlab中去卷积处理。理论上来说，我们用这个方法可以得到接近原始图像的高清图像，然而在实际操作时却怎么都无法得到理想的复原图像。这个问题看了论坛上的几个回答，未能给出令人满意的答复。自己尝试后分享一下我的解决方案。

以ZEMAX软件给出的案例图片Demo picture -  640 x 480作为物面进行成像

成像结果为：

读取FFT PSF文件作为点扩散函数

如果我们什么都不管，直接在matlab中利用维纳滤波进行去卷积，那么我们的结果将会非常差


为什么会出现这种现象？本质原因在于点扩散函数和成像图片不匹配。具体的，我们可以参考07年的一篇文章：
Levin, Anat; Fergus, Rob; Durand, Frédo; Freeman, William T.. (2007). Image and depth from a conventional camera with a coded aperture. , 26(3), 70–0. doi:10.1145/1276377.1276464
这篇文章中很好的介绍了不同大小（距离）下的PSF对图像去卷积效果的影响。

当PSF尺寸大于实际尺寸时，去卷积图像就会出现严重的振铃现象，严重降低图像恢复质量。而当PSF尺寸大于实际尺寸时，去卷积图像会得到和正常尺寸下相仿的去卷积效果，但经我自己的仿真实验，过小的PSF也会出现图像失真现象。
因此我们在去卷积时，首先要考虑好PSF与像面对应的实际物理尺寸，并按照进行适当的上采样\下采样，便可以得到较为理想的恢复图像：

模拟成像时对源位图进行过采样设置也是重要的考量参数，以图片Demo picture -  640 x 480为例，由于源位图自身分辨率就较低，ZEMAX在做卷积时自身就出现了图像失真现象，成像时会出现鬼影。
此外，如果光学系统不同视场PSF形状不一，那么用单一的PSF去做卷积肯定也会出现错误，在利用ZEMAX自带图像模拟做去卷积时一定要考虑好物理过程，设置好物理参数。

注意，本文未对ZEMAX成像原理作过多考量，我查阅了ZEMAX自带的系统说明文档，但是该文档并未对ZEMAX模拟成像卷积过程作明确说明，可能存在谬误。如大家发现问题，敬请批评指正。

相关帖子：
利用zemax中提取的PSF值在Matlabe中对图像进行卷积运算，无法得到仿真图？
http://www.optzmx.com/thread-15646-1-1.html
关于利用zemax导出的psf和模拟图像进行图像复原
http://www.optzmx.com/thread-27581-1-1.html

by：sjt

sunnyshine

没有用过PSF进行图像复原，这里请教一下几个问题哈。
一是文中提出：当PSF尺寸大于实际尺寸时，去卷积图像就会出现严重的振铃现象，严重降低图像恢复质量。而当PSF尺寸大于实际尺寸时，去卷积图像会得到和正常尺寸下相仿的去卷积效果，但经我自己的仿真实验，过小的PSF也会出现图像失真现象。
这里的的PSF尺寸是不是要改成小于实际尺寸呢？适当小于实际物理像面，但过小肯定也会失真。总之PSF尺寸不要大于实际物理尺寸。
二是采样问题。过采样设置的有什么依据吗？多大程度的采样是满足需求的呢？文中写的是适当的上采样和下采样。

mqjk

理论上来说PSF大小等于实际尺寸时，恢复出来的图像最接近真值（原始图像），图像恢复质量评价函数（PSNR或ISNR或其他）最低，所以说最好使用等于实际尺寸的PSF。PSF小于实际尺寸时恢复出来的图像只能说近似于真值，肉眼难以分辨，但是从图像评价函数来说就能看出明显的区别。
第二个问题很好哇，也是我不懂的地方，目前我也没办法给出具体的解释。在ZEMAX图像模拟功能仿真的精度最终受到输入源位分辨率的限制，如果你的光学系统分辨率足够，源位图的离散像素性质所带来的影响可能是非常明显的，所以在实际应用中需要根据仿真效果进行适当调节。我的仿真实验中是将一个512*512像素分辨率的源位图以1：1放大倍率投到了512*512像素分辨率的探测器上，感觉受到了影响。而ZEMAX软件也没有给出它的PSF卷积过程，所以我不知道这中间发生了什么，也请知道的前辈多多赐教。