Optimal Depth Estimation from a Single Image by Computational Imaging Using Chromatic Aberrations / Optimale Tiefenschätzung in einer Einzelaufnahme mittels Computational Imaging anhand chromatischer Aberrationen

Abstract

We present a computational imaging approach to estimate the depth from a single image using axial chromatic aberrations. It includes a co-design of optics and digital processing to select the optimal parameters of a lens such as focal length, f -number, and chromatic focal shift according to the performance of a depth estimation algorithm on the digital side. A simulation framework evaluates the complete systems performance in different imaging conditions including optimal axial chromatic lens aberration. A low-complexity algorithm estimates the depth map of real scenes. Experiments on real and synthetic scenes show the feasibility of the proposed system for depth estimation. In the case of relatively broadband object spectra and a lens with focal length of 4 mm, depth is estimated with an RMS error of 6-10%.Zusammenfassung In diesem Beitrag stellen wir einen neuartigen Ansatz vor, der es ermöglicht, die Tiefe aus einer einzigen Aufnahme anhand chromatischer Aberrationen zu bestimmen. Ferner wird ein optisches Designverfahren zur Auffindung der bestmöglichen optischen Parameter, wie die Brennweite, die Blendenzahl und die axiale chromatische Aberration in Abstimmung mit der Leistung des Algorithmus für die Tiefenschätzung auf digitaler Seite beschrieben. Für verschiedene Aufnahmebedingungen wird die Leistung des Gesamtsystems in einer Simulationsumgebung unter der Annahme einer optimal vorliegenden chromatischen Aberration untersucht. Ein Algorithmus geringer Komplexität schätzt die Tiefenkarte für reale Aufnahmen. Untersuchungen an realen Szenen zeigen die Machbarkeit des hier vorgestellten Systems zur Tiefenschätzung. Im Falle relativ breitbandiger Objektspektren und einer Linse mit einer Brennweite von 4 mm wird die Tiefe mit einem RMS-Fehler von 6-10% geschätzt.

Use Case for Computational Imaging

“…To make the best out of it, we intentionally even strengthened the chromatic aberration in order to utilize it for an extended depth of field, EDoF. The basic concept is known from literature [2,3]. The refractive index n(λ) of optical glass or plastic material decreases with increasing wavelength.…”