中文摘要：

传统相机把物空间的景物成像在其探测器上，记录了景物不同空间位置的辐射强度，但损失了目标辐射传播的方向信息；光场成像系统可以获取辐射光场传递的空间信息和方向信息，通过计算机处理，利用光学系统拍摄的单幅图像，重构出成像系统物空间不同深度截面上的序列的清晰图像，相对于传统相机"先调焦，再拍摄"而获取清晰图像，光场成像仪可以实现"先拍摄，后调焦"的功能，从而实现数字对焦成像，拓展了光学成像的应用范围。但数字对焦光场成像技术往往以牺牲光学成像系统的空间分辨率的形式，换取必需的方向信息，导致重构的图像分辨率较低，成为该技术实用化的瓶颈。本项目以光线传播理论和成像理论为基础，从研究光场成像原理着手，建立光场成像和数字对焦数理模型，针对模型设计数字对焦图像重构算法；在此基础上提出对焦图像空间分辨率增强方法，修正光场成像模型，优化和改进图像重构算法；搭建实验平台，进行原理和算法演示验证。

结论摘要：

光场成像系统能够在探测器上同时获取空间光线的二维位置分布和二维传输方向，通过对四维光场的数字对焦处理，可以计算出不同深度场景的清晰图像，从而实现“先拍照，后调焦”的功能。然而，传统的数字对焦技术牺牲了成像系统的空间分辨率来换取同样倍数的光场方向分辨率，导致对焦图像的分辨率较低，使其难以满足常规的应用需求。为了有效提高光场成像的空间分辨率，本项目依次从理论分析、计算机仿真和实验验证三个层次对数字对焦图像分辨率增强技术开展了深入研究，主要内容包括首先，从理论上分析了光场成像技术原理，建立了光场成像数理模型；提出了光场成像过程的计算机仿真流程和方法，分别利用MATLAB语言编程和ZEMAX软件设计实现了理想光场图像和实际光场图像的模拟仿真。其次，分别从空间域和频率域分析了数字对焦重构技术的理论，提出了空域和频域实现数字对焦技术的算法流程，并对计算机仿真得到的光场图像开展了数字对焦重构，获得对焦在不同深度平面的清晰图像；提出了光场成像的数字对焦性能评价方法，仿真分析了光场相机与传统相机的三维调制传递函数。第三，基于超分辨率重构技术，提出了利用光场子孔径图像序列进行数字对焦图像空间分辨率增强的方法；分析了现有的典型超分辨重构方法，确定了采用基于最大后验概率估计的超分辨算法来提高数字对焦图像的空间分辨率；通过图像配准和重建，对仿真光场图像完成了超分辨率数字对焦重构，并对重构结果开展了图像质量评价和分析。最后，分析了光场成像系统设计中的参数匹配问题，设计了光场成像系统的实验装置；提出了光场相机的定标预处理方法，确定光场四维坐标与探测器图像二维坐标之间的映射关系；开展了成像实验，演示和验证了光场相机的景深扩展能力和高分辨率数字对焦技术。