專利名稱：一種獲取三維運動物體計算全息圖的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種獲取三維運動物體計算全息圖的裝置和方法，特別涉及到利用 微透鏡陣列和數(shù)字處理技術同時獲取三維運動物體的多幅投影，并根據(jù)三維傅里葉旋轉 拋物面獲取三維物體頻譜的理論提取三維物體頻譜信息，這是一種有效的減少了三維物 體計算全息圖合成成本和計算量的獲取方法。
背景技術：
圖1表示記錄三維物體的虛擬光學系統(tǒng)。設0(x，y，ζ)代表具有空間相位不 變物體的反射強度，經(jīng)過傅里葉變換后的頻譜為gfa,凡)=- ix^Jpz]}dxdydz(1)是入射光的虛擬波長，f是三維物體和透鏡之間的焦距。為獲得上式與物光波 O(x, y，ζ)的三維傅里葉變換頻譜之間的關系，令u = Xtl/ f，ν = y0/ f,式(1)可寫 作g(ti,v) = J|jO(x, y, ζ) exp {-i2n[ux + vy- — (u2 + v2)z]}dxdydz^{^[[(^(太，少，之；以口卜口對似+炒+計幻；！辦辦由}^]^^ (2)= ηθ(χ,γ,ζ)]1___λ{ιι1+ν2)/2其中w = -X (u2+v2) /2 (3)F[ ·]代表三維傅里葉變換，式⑵代表三維傅里葉空間(u，ν, w)的旋轉拋 物面，U-V平面如圖5所示。因此，我們能夠確定傅里葉平面上的波分布完全與O(X， y，ζ)的三維傅里葉空間上的拋物面等同。利用上述原理，通過提取投影的頻譜信息獲取三維旋轉拋物面上的信息，并編 碼得到三維物體的計算全息圖。目前的技術是，通過一個拍攝系統(tǒng)的多角度旋轉逐一獲 取三維物體的多幅投影，提取每幅投影的頻譜信息并編碼得到計算全息圖。由于所需要 的投影數(shù)量多，且不能同時拍攝三維物體的多幅投影，因此這種技術不能應用于三維運 動物體的計算全息圖獲取。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術中的不足一一不能同時拍攝物體的多幅投影， 提供一種通過微透鏡陣列獲取投影與投影合成技術相結合，獲取三維運動物體計算全息 圖的裝置和方法。為達到上述目的，本發(fā)明的構思是通過多透鏡陣列獲取投影并采用中間視點 投影合成技術獲得圍繞視軸旋轉的多幅投影；從每幅投影的頻譜上提取一個全圓的頻譜 信息填充二維矩陣，并對矩陣編碼獲得三維物體計算全息圖。
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本發(fā)明的全息圖獲取方法，在投影的獲取方面，利用微透鏡陣列和攝像機同時 獲取一系列三維運動物體的二維投影，分別提取這些投影并按順序編號、存貯，在相鄰 的兩幅投影之間，采用運動補償方法插入中間視點的投影圖像；從每幅投影的頻譜上提 取一個全圓的頻譜信息填充二維矩陣，并對矩陣編碼獲得三維運動物體的計算全息圖。 本發(fā)明的硬件包括以下單元，如圖2示環(huán)形微透鏡陣列單元如圖2單元3所示，微透鏡陣列由18個微透鏡緊密相連 組成，每個微透鏡的中心都在大環(huán)形上，且均勻分布。通過環(huán)形微透鏡陣列單元，能夠 同時從多個不同的角度獲得三維運動物體的場景信息。攝像機單元如圖2單元4所示，攝像機放在環(huán)形中心的直線上，以攝像機的中 心與微透鏡陣列的環(huán)形中心連線為視軸，調節(jié)微透鏡與視軸的夾角為；攝像機就可以同 時獲取18幅不同角度的三維場景的二維投影，將攝像機獲取的投影存貯在計算機中。計算機單元如圖2單元5所示，計算機將獲取的投影進行處理。首先是在相 鄰圖像之間進行一系列投影圖像的合成，對相鄰投影圖像之間進行運動匹配和運動補償 獲取合成的投影，然后把合成好的圖像連同最初獲取的18幅投影按順序排列，最后根據(jù) 計算全息圖合成算法提取這些投影的頻譜，編碼成三維物體的計算全息圖。根據(jù)上述發(fā)明構思，本發(fā)明采用下述技術方案一種獲取三維運動物體計算全息圖的裝置，包括一臺攝像機聯(lián)接一個計算機， 其特征在于在被攝三維運動物體與攝像機之間設置一個環(huán)形微透鏡陣列。所述環(huán)形透鏡陣列單元是由18個微透鏡組成，所有透鏡均勻分布且緊密相 連，每個透鏡的中心都位于環(huán)形上，該環(huán)形與被攝物體和攝像機連線相垂直，且環(huán)形的 中心位于該連線上。透鏡陣列能夠同時獲得三維場景的18幅二維投影，且每幅投影的視 點位置不同。所述攝像機單元的功能是通過環(huán)形微透鏡陣列能夠同時拍攝三維場景的18幅二 維投影。所述計算機單元的功能是首先分別提取攝像機獲得的18幅二維投影，通過投影 合成技術獲取相鄰投影中間視點的圖像；并對所有的投影進行傅里葉變換，然后提取特 定的頻譜填充二維矩陣并編碼獲得計算全息圖。一種獲取三維運動物體計算全息圖的方法，其特征在于首先同時獲取三維運動 物體的多幅二維投影，然后在相鄰投影之間合成一系列中間視點的投影圖像，最后提取 每幅投影上的頻譜信息并通過編碼獲得計算全息圖。上述方法具體操作步驟如下1)利用微透鏡陣列同時獲取三維運動物體的18幅投影，所述微透鏡陣列由18個 微透鏡緊密排列，組成一個環(huán)形的裝置，每個微透鏡的中心位置都位于環(huán)形陣列上，攝 像機通過環(huán)形微透鏡陣列拍攝三維物體，同時得到18幅三維物體的不同角度下的二維投 影，分別提取這些二維投影，并按順序編號排列；2)根據(jù)相鄰兩幅圖像中大部分的信息相似或相同，利用塊的匹配原理進行運動 矢量的估計獲得每一塊的運動矢量，根據(jù)獲取的運動矢量進行運動補償，得到一系列中 間視點的投影圖像，把通過攝像機獲取的投影圖像和通過運動補償合成的投影圖像按順 序編號并將其存貯在計算機中；
3)對每幅二維投影進行傅里葉變換，在每幅投影頻譜上的特定區(qū)域處提取一 個圓形的信息并填充二維傅里葉平面，最終獲得一個包含三維物體深度信息的二維復矩 陣，對該矩陣進行全息圖編碼，即獲得三維運動物體的計算全息圖。上述同時獲取三維運動物體的多幅二維投影是通過微透鏡陣列能夠獲取三維運 動場景的多幅二維投影，避免了傳統(tǒng)方法中獲取三維物體投影時攝像機的圓形運動，降 低了獲取的難度，而且通過一臺攝像機能夠同時獲取三維運動物體的多幅二維投影。上述相鄰投影圖像之間合成一系列中間視點的圖像是采用中間視點投影合成技 術，在充分獲取三維運動場景信息的同時，有效的降低了獲取多幅投影的復雜度。所述的頻譜提取，是在單幅投影的傅里葉平面提取一個圓形的頻譜信息，把獲 得的頻譜信息填充到一個二維矩陣中，該矩陣包含了三維場景的深度信息，對矩陣編碼 即可獲得三維物體的計算全息圖。本發(fā)明的有益效果1.用途廣泛全息三維顯示有著廣大的應用前景，例如三維照相、三維游戲、 科學可視化、多媒體展示、虛擬現(xiàn)實(快速虛擬成型)等領域，而且，三維動態(tài)全息顯示 在視頻會議、遠程手術和三維物體再現(xiàn)等方面發(fā)揮著獨特的優(yōu)勢。2.動態(tài)記錄通過攝像機和環(huán)形陣列同時獲取18幅三維場景的二維投影，并利 用投影合成技術獲取更多的三維物體的二維投影；提取每幅投影上的頻譜填充矩陣并編 碼，即可獲得三維運動物體的計算全息圖。3.結構簡單該方法僅需要18個微透鏡和一個攝像機裝置。18個微透鏡組成 一個環(huán)形的微透鏡陣列，與攝像機連結起來，具備模塊化的特點，系統(tǒng)單元更為簡單經(jīng) 濟。
圖1是記錄三維物體的虛擬光學系統(tǒng)。其中1是三維物體，2是傅里葉透鏡，3 是接收屏圖2是本發(fā)明中計算全息圖合成的硬件結構圖。其中1是三維物體，2是微透 鏡，3是微透鏡陣列，4是攝像機，5是計算機圖3是傳統(tǒng)方法中攝像機拍攝物體的方式。其中1是三維物體，2是攝像機圖4是運動估計中的塊匹配示意圖。圖5是旋轉拋物面與傅里葉平面相交部分。圖6是傅里葉變換u-v平面上單幅投影的頻譜提取。
具體實施例方式本發(fā)明用于獲取三維運動物體的計算全息圖，其目的是提出一種簡單有效的獲 取三維運動物體計算全息圖的方法。參見圖1所示物光波經(jīng)過傅里葉透鏡后，在接收屏上獲取的頻譜信息如式(1) 所示。經(jīng)過適當?shù)淖儞Q獲得式(2)。式(2)表明，可以通過獲取物光波0(x，y，ζ)的 三維傅里葉旋轉拋物面信息進而獲取三維物體的頻譜分布g(u，v)。由于直接獲取0(x， y，ζ)的三維傅里葉旋轉拋物面信息難度較大，本發(fā)明采用從三維物體的投影頻譜上獲取
5旋轉拋物面頻譜信息的方法。傳統(tǒng)方法中采用圖3所示的拍攝系統(tǒng)，相機與ζ軸成角繞 ζ軸旋轉(0° <動0° )掃描獲取三維物體的多幅投影。盡管獲得的投影不是十分精確 的正交投影，但由于物體到CCD的距離比物體的深度大的多，可以認為獲得的是三維物 體的正交投影圖像。但傳統(tǒng)方法需要對三維場景進行多角度拍攝，因此不能用于合成三 維運動物體的計算全息圖。下面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作詳細說明實施例一參見圖2，本獲取三維運動物體計算全息圖的裝置，包括一種獲取 三維運動物體計算全息圖的裝置，包括一臺攝像機4聯(lián)接一臺計算機5，其特征在于被攝 三維運動物體1與攝像機4之間設置一個環(huán)形微透鏡陣列3。所述微透鏡陣列如圖2單元3所示，該單元由18個微透鏡組成，透鏡均勻排列 在一個大圓環(huán)上。該大圓環(huán)與被攝物體1和攝像機4連線相垂直，且大圓環(huán)中心位于該 連線上。利用該透鏡陣列可獲取三維場景的18個不同視點的信息，避免了攝像機圍繞視 軸做旋轉的操作步驟，使記錄運動的三維場景信息成為了可能。攝像機單元4位于穿過環(huán)形微透鏡中心的視軸線上，通過攝像機單元4與環(huán)形微 透鏡陣列單元3可以同時獲取18幅三維場景的二維投影。攝像機把獲取的18幅投影信息傳送到計算機單元5中。計算機根據(jù)攝像機單元 4獲取信息的特定位置提取每幅投影的信息，并把投影按順序編號，然后在相鄰視點的兩 幅投影之間進行插值操作。實施例二本獲取三維運動物體計算全息圖的方法，首先同時獲取一種獲取 三維運動物體計算全息圖的方法，其特征在于首先同時獲取三維運動物體的多幅二維投 影，然后在相鄰投影之間合成一系列中間視點的投影圖像，最后提取每幅投影上的頻譜 信息并通過編碼獲得計算全息圖。具體操作步驟如下1)利用微透鏡陣列同時獲取三維運動物體的18幅投影，所述微透鏡陣列由18個 微透鏡緊密排列，組成一個環(huán)形的裝置，每個微透鏡的中心位置都位于環(huán)形陣列上，攝 像機通過環(huán)形微透鏡陣列拍攝三維物體，同時得到18幅三維物體的不同角度下的二維投 影，分別提取這些二維投影，并按順序編號排列；2)根據(jù)相鄰兩幅圖像中大部分的信息相似或相同，利用塊的匹配原理進行運動 矢量的估計獲得每一塊的運動矢量，根據(jù)獲取的運動矢量進行運動補償，得到一系列中 間視點的投影圖像，把通過攝像機獲取的投影圖像和通過運動補償合成的投影圖像按順 序編號并將其存貯在計算機中；3)對每幅二維投影進行傅里葉變換，在每幅投影頻譜上的特定區(qū)域處提取一 個圓形的信息并填充二維傅里葉平面，最終獲得一個包含三維物體深度信息的二維復矩 陣，對該矩陣進行全息圖編碼，即獲得三維運動物體的計算全息圖。所述同時獲得三維運動物體的多幅二維投影是通過微透鏡陣列能夠獲取三維運 動場景的多幅二維投影，避免了傳統(tǒng)方法中獲取三維物體投影時攝像機的圓形運動，降 低了獲取的難度，而且通過一臺攝像機能夠同時獲取三維運動物體的多幅二維投影。所述相鄰投影圖像之間合成一系列中間視點的圖像是采用中間視點投影合成技 術，在充分獲取三維運動場景信息的同時，有效的降低了獲取多幅投影的復雜度。
在中間視點投影的合成過程中，采用了運動估計和運動補償原理合成中間視點 的圖像。這種算法通過運動估計(向量匹配)得到平滑的運動向量，利用運動向量進行 運動補償插值。由于考慮了圖像間的運動信息，所得到的合成圖像能夠很好地反映目標 物體的運動及深度信息。運動估計的基本思想是將當前圖像分成許多互不重疊的塊(矩形塊，一般為 8X8像素)，并認定塊內(nèi)所有像素的位移量都相同，對于當前圖像中的每一塊，在前一 幅或后一幅圖像中一定的搜索范圍內(nèi)根據(jù)匹配準則找出與當前塊最相似的塊，即匹配 塊。由匹配塊與當前塊的相對位置計算出運動位移，所得運動位移即為當前塊的運動向 量。如圖4所示在第k-Ι與第k+Ι幅圖像之間插入第k幅圖像，首先對第k-Ι與第k+1 幅圖像進行運動估計，求出每一塊的運動向量。匹配算法主要是計算誤差代價函數(shù)，通常使用SAD (絕對差和)標準作為匹配準 則，SAD定義如下
M NSAD {ij) = Σ Σ ΙΛΟ，")—+Un + j)\(4)
m =1 η = I式(4)中，fk(m，η)與Um，η)分別是當前塊和參考塊圖像，(i，j)為參考 塊相對于當前塊的運動向量，M，N分別為每個塊中的行像素數(shù)和列像素數(shù)。根據(jù)SAD 獲取的最佳運動向量定義如下MV= (MVX, MVy) = (i, j) !MINsad (5)MINsad = MIN[SAD(i, j)] (6)其中MINsad表示當前塊對應的所有SAD中的最小值，MV表示最小的SAD所
對應的運動向量，即最佳運動向量。求出兩幅圖像的完整運動向量后，在兩幅圖像之間進行一系列中間視點投影圖 像的合成。設η代表兩幅圖像間要插入的圖像幅數(shù)，設Ν = η+1，兩幅圖像間插入的第 D幅投影圖像的位置由位移關系D/N得到，其中l(wèi)^tKn。設相鄰的兩幅投影分別是P1, P2,合成的圖像為P。通過pi到込的運動估計，得到水平和垂直方向上的運動向量分別 為dx，dy，則相對位移為D/N的視點圖像為P (x, y) = O.SXPJx-d-D/N) Xdx, y_ (1-D/N) X dy] (7)+0.5XP2[x+D/NXdx, y+D/NXdy]其中，x，y是像素坐標，符號[]為取整號。根據(jù)(7)式，通過相鄰兩幅投影進 行圖像的合成。圖像合成后，把通過攝像機獲取的投影圖像和新合成的中間視點圖像按 順序排列，并存貯在計算機中。對獲取的所有投影進行傅里葉變換，在傅里葉變換U-V平面上獲得三維物體所 有投影的頻譜信息，并編碼獲得計算全息圖。首先對所獲取的二維投影做傅里葉變換， 投影中心與三維旋轉拋物面在傅里葉變換U-V平面上的中心一致。如圖3所示，攝像機 與ζ軸的夾角為，繞ζ軸旋轉獲取三維物體的二維投影，其中旋轉方位角(Os <360° )， 當旋轉方位角=0時，獲得方程w sin θ = v cos θ (8)只有二維投影的傅里葉平面與旋轉拋物面相交的部分才可以從物體投影的傅里 葉平面中提取出來。通過式(3)與式(8)求得交點部分的方程為
權利要求
1.一種獲取三維運動物體計算全息圖的裝置，包括一臺攝像機(4)聯(lián)接一臺計算機(5)，其特征在于在被攝三維運動物體(1)與攝像機(4)之間設置一個環(huán)形微透鏡陣列 ⑶。
2.根據(jù)權利要求1所述的獲取三維運動物體計算全息圖的裝置，其特征在于所述環(huán) 形微透鏡陣列(3)是由18個微透鏡(2)均勻分布且緊密相連布列，它們的中心都位于同 一個環(huán)形上，該環(huán)形與被攝物體(1)和攝像機(4)連線相垂直，且環(huán)形的中心位于該連線上。
3.一種獲取三維運動物體計算全息圖的方法，其特征在于首先同時獲取三維運動物 體的多幅二維投影，然后在相鄰投影之間合成一系列中間視點的投影圖像，最后提取每 幅投影上的頻譜信息并通過編碼獲得計算全息圖。
4.根據(jù)權利要求3所述的獲取三維運動物體計算全息圖的方法，其特征在于如下具體 步驟1)利用微透鏡陣列同時獲取三維運動物體的18幅投影，所述微透鏡陣列由18個微透 鏡緊密排列，組成一個環(huán)形的裝置，每個微透鏡的中心位置都位于環(huán)形陣列上，攝像機 通過環(huán)形微透鏡陣列拍攝三維物體，同時得到18幅三維物體的不同角度下的二維投影， 分別提取這些二維投影，并按順序編號排列；2)根據(jù)相鄰兩幅圖像中大部分的信息相似或相同，利用塊的匹配原理進行運動矢量 的估計獲得每一塊的運動矢量，根據(jù)獲取的運動矢量進行運動補償，得到一系列中間視 點的投影圖像，把通過攝像機獲取的投影圖像和通過運動補償合成的投影圖像按順序編 號并將其存貯在計算機中；3)對每幅二維投影進行傅里葉變換，在每幅投影頻譜上的特定區(qū)域處提取一個圓形 的信息并填充二維傅里葉平面，最終獲得一個包含三維物體深度信息的二維復矩陣，對 該矩陣進行全息圖編碼，即獲得三維運動物體的計算全息圖。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的獲取三維運動物體計算全息圖的方法，其特征在于所述 同時獲取三維運動物體的多幅二維投影是通過微透鏡陣列能夠獲取三維運動場景的多幅 二維投影，避免了傳統(tǒng)方法中獲取三維物體投影時攝像機的圓形運動，降低了獲取的難 度，而且通過一臺攝像機能夠同時獲取三維運動物體的多幅二維投影。
6.根據(jù)權利要求3或4所述的獲取三維運動物體計算全息圖的方法，其特征在于所述 相鄰投影圖像之間合成一系列中間視點的圖像是采用中間視點投影合成技術，在充分獲 取三維運動場景信息的同時，有效的降低了獲取多幅投影的復雜度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種獲取三維運動物體計算全息圖的裝置和方法。本裝置包括一臺攝像機聯(lián)接一臺計算機，在被攝三維運動物體與攝像機之間設置一個環(huán)形微透鏡陣列。本方法是利用微透鏡陣列和中間視點投影合成技術同時獲取三維物體的多幅投影，并根據(jù)三維傅里葉旋轉拋物面獲取三維物體頻譜信息，從獲取的投影頻譜中提取三維物體的頻譜信息填充二維矩陣，對該矩陣編碼即可獲得三維運動物體的計算全息圖。這是一種獲取信息簡單和計算效率高的合成三維運動物體計算全息圖方法。本方法主要工作過程通過微透鏡陣列和攝像機獲取18幅投影并將投影信息傳輸?shù)接嬎銠C中，計算機對特定位置處的投影信息進行提取并按順序編號；采用中間視點投影合成技術獲得相鄰投影之間的合成圖像，進而獲得更多的三維運動物體的二維投影；對所有的投影進行傅里葉變換，從每幅投影頻譜的物體區(qū)域處提取一個圓形的頻譜信息并按特定順序填充二維矩陣，獲得包含三維場景深度信息的二維矩陣，對矩陣編碼即可獲得三維運動物體的計算全息圖。
文檔編號G02B3/00GK102024272SQ201010289608
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權日2010年9月21日
發(fā)明者劉道金, 趙景景, 黃素娟 申請人:上海大學