專利名稱：?jiǎn)慰讖蕉嘀爻上竦墓鈱W(xué)成像測(cè)距裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及物體表面的深度信息，是一種用于測(cè)量視場(chǎng)中物體 表面的深度信息的單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，即物體表面上 點(diǎn)到視點(diǎn)之間的距離。獲得的距離信息可用于物體三維形貌的重建，目 標(biāo)特征識(shí)別，以及自動(dòng)車輛，機(jī)器人導(dǎo)航等。
背景技術(shù)：
普通光學(xué)成像系統(tǒng)的成像過(guò)程一般是三維物空間到二維像空間的映 射，成像過(guò)程中往往丟失了景物的深度信息。而獲得圖像的深度信息即 物體表面上各點(diǎn)到視點(diǎn)的距離在很多應(yīng)用中是非常重要。常用的被動(dòng)式 距離恢復(fù)方法有立體視覺(jué)方法、光學(xué)微分方法、微透鏡陣列的單目立體 方法以及孔徑編碼層析成像方法等。立體視覺(jué)方法是通過(guò)在空間放置兩 臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)對(duì)同一目標(biāo)物體在不同的視點(diǎn)進(jìn)行攝像。由于視點(diǎn)不同， 所成的圖像之間存在著視差，即同一物點(diǎn)的像點(diǎn)分布在各個(gè)相機(jī)像接收 面的不同位置上。如果能夠從每幅視差圖像中找到同一物點(diǎn)的對(duì)應(yīng)像點(diǎn)， 然后根據(jù)三角幾何就可以計(jì)算出物點(diǎn)的距離來(lái)。但是這種方法需要相機(jī) 的精確定位和復(fù)雜標(biāo)定，并且由于在圖像間尋找同一物點(diǎn)的像即圖像的 匹配需要大量極其復(fù)雜的計(jì)算，因此限制了其應(yīng)用范圍。為了解決立體視覺(jué)方法中存在的內(nèi)在困難，人們提出了光學(xué)微分的方法。在先技術(shù)[l](參見(jiàn) RANGE ESTIMATION BY OPTICAL DIFFERENTIATION, Farid H and E. P. Simoncelli， J. Opt. Soc. Am. A， Vol. 15， No. 7， 1998)中提出了利用兩塊光學(xué)掩模板進(jìn)行光學(xué)微分的距 離估計(jì)方法。光學(xué)掩模板中的其中一塊掩模板的掩模函數(shù)是另一塊掩模 板的掩模函數(shù)微分形式，因此不需要空間分開(kāi)放置相機(jī)就能夠獲得景物 的視差圖像，并且此方法能夠解決圖像的匹配困難問(wèn)題，但是由于需要 兩塊掩模板來(lái)獲取兩幅圖像，因此增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。在先技術(shù)[2](參見(jiàn)OPTICAL RANGING APPARATUS, Edward H.
Adelson, United States Patent, Patent Number: 5076687， Date of Patent: Dec.
31,1991)中提出了一種全光相機(jī)的光學(xué)測(cè)距裝置，它利用主透鏡成像， 然后在光電探測(cè)器陣列之前放置一塊微透鏡陣列用于記錄入射光的三維 結(jié)構(gòu)。每一個(gè)微透鏡都代表一個(gè)宏觀像素，它能夠記錄通過(guò)主透鏡后的 光線分布。通過(guò)孔徑平面上不同部分即不同視點(diǎn)的光線成像在宏觀像素 的不同子像素上，數(shù)字圖像處理器按規(guī)則從單幅的復(fù)合圖像中提取來(lái)自 于不同視點(diǎn)景物子圖像，然后通過(guò)簡(jiǎn)單的立體圖像配準(zhǔn)算法就可以計(jì)算 估計(jì)出景物的深度信息。由于采用單個(gè)透鏡成像，避免復(fù)雜的相機(jī)定位 和標(biāo)定問(wèn)題，其次通過(guò)預(yù)濾波，可以大大的減少圖像間的匹配困難。但 是這種方法也存在較大的缺點(diǎn)，最突出的是微透鏡陣列與光電探測(cè)器陣 列之間的對(duì)齊困難，對(duì)齊誤差會(huì)導(dǎo)致較大的圖像深度估計(jì)誤差。另外由 于需要在透鏡成像之前加散射板來(lái)預(yù)濾波，因此整個(gè)成像系統(tǒng)是不完備 的。
另外一種不需要相機(jī)標(biāo)定和立體匹配算法的三維成像方法是空間相 機(jī)的孔徑編碼方法。在先技術(shù)[3](—種基于編碼孔徑成像原理的三維的 三維成像方法，郎海濤，劉立人，陽(yáng)慶國(guó)，光學(xué)學(xué)報(bào)，Vol. 26， No. 1， pp34-38， 2006)提出了利用孔徑編碼方法把相機(jī)陣列按照某種編碼方式排列對(duì)景 物成像，然后利用相應(yīng)的解碼算法，恢復(fù)景物的三維距離信息。這種方 法需要多個(gè)相機(jī)對(duì)物體同時(shí)成像，相機(jī)陣列需要按照孔徑編碼方式排列， 占用了較大的空間，不利于小型化，集成化。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供 --種基于單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，該裝置繼承了上述在先
技術(shù)的一些優(yōu)點(diǎn)而克服了它們的缺點(diǎn)，特點(diǎn)是只需單次成像，即成像完 備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于裝配，不需要復(fù)雜的相機(jī)定位和標(biāo)定，測(cè)距算 法簡(jiǎn)單快速。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是
一種單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成同光
軸地依次包括成像主透鏡、多重成像元件、場(chǎng)鏡和光電探測(cè)器，該光電 探測(cè)器的輸出端接數(shù)字圖像處理器，所述的成像主透鏡與多重成像元件 緊貼在一起，所述的數(shù)字圖像處理器用于處理由光電探測(cè)器采樣的數(shù)字 圖像，提取物體的深度信息的數(shù)據(jù)處理軟件。
所述的單孔徑多重成像是指利用在單個(gè)孔徑范圍內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生多幅同 一視場(chǎng)范圍內(nèi)物體的像。但單幅的像不是分開(kāi)接收，而是作為一個(gè)復(fù)合 圖像最后整體的被像探測(cè)器接收。本實(shí)用新型產(chǎn)生多重圖像的方法是利 用微棱鏡陣列的偏折分光作用或者光波調(diào)制模板陣列的波前調(diào)制作用或 者兩者結(jié)合在一起共同作用。光波攜帶物體三維信息入射到光瞳面時(shí)， 在光瞳面的不同部分受到不同的偏折或者調(diào)制，通過(guò)每一個(gè)微棱鏡或者 光波調(diào)制模板的光束和成像主透鏡一起最后都獨(dú)立單個(gè)成像。由于光瞳 面上各部分光束受到不同改變，因此所成的單幅圖像之間存在著差異。 這種差異正是物體三維信息在多重圖像中的體現(xiàn)。
所述的場(chǎng)鏡的作用是用來(lái)縮小光學(xué)圖像；由于微棱鏡陣列的分光作 用，光學(xué)圖像一般分布在像面上較大區(qū)域范圍內(nèi)，普通的光電圖像探測(cè) 器根本無(wú)法接收，因此在成像透鏡與像面探測(cè)器之間的光路中需要加入 一場(chǎng)鏡，把光學(xué)圖像縮小到光電探測(cè)器有效像面探測(cè)面積的大小。
所述的數(shù)字圖像處理器是一個(gè)專門的數(shù)字處理芯片，內(nèi)置景物深度 提取算法，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。計(jì)算結(jié)果存入芯片存貯單元或者 送到其他圖像顯示或控制單元。
所述的成像主透鏡由一個(gè)雙凸透鏡構(gòu)成，所述的多重成像元件緊貼 在成像主透鏡之后。
所述的成像主透鏡由兩個(gè)平面相對(duì)的平凸透鏡構(gòu)成，所述的多重成 像元件放在緊貼的兩個(gè)平凸透鏡之間。
所述的多重成像元件是微棱鏡陣列，或光波調(diào)制模板陣列，或由微 棱鏡陣列和光波調(diào)制模板陣列組合而成，并整體地置于成像系統(tǒng)的光瞳 平面上。
所述的該微棱鏡陣列是由多個(gè)微棱鏡按照一定規(guī)律分布排列在一系
列方格位置上的一維或者二維微棱鏡陣列。
所述的微棱鏡陣列是圓形陣列，或矩形陣列。
所述的微棱鏡陣列是規(guī)則排列分布的，即在光瞳面上按照事先固定 的間距安排放置微棱鏡，而每一單個(gè)微棱鏡的頂角根據(jù)成像系統(tǒng)的參數(shù) 和微棱鏡的位置確定，以保障每一單個(gè)微棱鏡在像面上所成的單像之間 是無(wú)重疊的規(guī)則排列。
所述的微棱鏡陣列是按孔徑編碼方式排列分布的，即根據(jù)孔徑編碼 成像原理，按照孔徑編碼方式安排微棱鏡的排列，每一個(gè)微棱鏡之間的 間距由編碼函數(shù)給定，每一單個(gè)微棱鏡的頂角根據(jù)成像系統(tǒng)參數(shù)和微棱 鏡的位置確定，以保障每一單個(gè)微棱鏡在像面上所成的單像最后疊加在 一起形成孔徑編碼圖像。
所述的光波調(diào)制模板陣列是由多個(gè)波前調(diào)制元件按照規(guī)律分布排列 在一系列方格位置上的一維或者二維波前調(diào)制元件陣列，該光波調(diào)制模 板陣列整體地放在光瞳面上。
本實(shí)用新型的技術(shù)效果
本實(shí)用新型與上述在先技術(shù)相比，最大的特點(diǎn)是利用單孔徑多重 成像的原理，采用在貼近光學(xué)成像系統(tǒng)的主透鏡的位置放置一多重成像 元件，如微棱鏡陣列或者光波調(diào)制模板陣列或者兩者的結(jié)合，用于對(duì)同 一視場(chǎng)中物體的單次多重成像。多重成像過(guò)程中間接地在多重圖像中記 錄了物體的深度信息，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，只需單次成像，即可 獲得完備的成像，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于裝配，不需要復(fù)雜的相機(jī)定 位和標(biāo)定，測(cè)距算法簡(jiǎn)單，可快速地獲得物體的深度信息。


圖1為本實(shí)用新型單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型兩個(gè)平凸透鏡構(gòu)成的成像主透鏡裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實(shí)用新型由微棱鏡陣列和光波調(diào)制模板陣列構(gòu)成多重成像
元件的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為微棱鏡陣列的單目立體視覺(jué)原理示意圖。 圖5為透鏡的幾何成像原理示意圖。 圖6為規(guī)則排列的微棱鏡陣列示意圖。
圖7為微棱鏡陣列為規(guī)則排列時(shí)的像面上各子圖像的分布示意圖。 圖8為孔徑編碼排列的微棱鏡陣列示意圖。
圖9為微棱鏡陣列為孔徑編碼排列時(shí)的像面上各子圖像的分布示意圖。
圖10為利用相關(guān)濾波方法重建三維層析圖像的數(shù)字圖像處理流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本 實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本實(shí)用新型單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距 裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。即本實(shí)用新型實(shí)施例1的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖
可見(jiàn)，本實(shí)用新型單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置的構(gòu)成是同光
軸地依次包括成像主透鏡2、多重成像元件3、場(chǎng)鏡4和光電探測(cè)器5， 該光電探測(cè)器5的輸出端接數(shù)字圖像處理器6，所述的成像主透鏡2與 多重成像元件3緊貼在一起，所述的數(shù)字圖像處理器6用于處理由光電 探測(cè)器5采樣的數(shù)字圖像，提取物體的深度信息。
一多重成像元件3，用于產(chǎn)生多重光學(xué)圖像，場(chǎng)鏡4用于縮小所成 的多重光學(xué)復(fù)合圖像以適合光電探測(cè)器的接收面積大小， 一光電探測(cè)器 5如CCD接收光學(xué)圖像并將其數(shù)字化。一數(shù)字圖像處理器6如微處理器， 用于計(jì)算處理光電探測(cè)器5所采樣接收到的數(shù)字圖像，從中提取物體的 深度信息。
所述的成像主透鏡2，主要負(fù)責(zé)光學(xué)成像。成像主透鏡可以由一個(gè) 或多個(gè)透鏡組合而成，若是只有一個(gè)透鏡，則多重成像元件直接緊貼放 在透鏡的后面。 一種較好的方法是如圖2所示，把多重成像元件3緊夾
在兩個(gè)平凸透鏡構(gòu)成的成像透鏡之間，這樣能夠保證多重成像元件3在 光學(xué)系統(tǒng)的光瞳面上。
所述的多重成像元件，如圖3所示，是由微棱鏡陣列31或者光波調(diào) 制模板陣列32或者它們兩者組合在一起構(gòu)成的。它們的最終目的都是為 了形成對(duì)同一景物的多重成像。多重成像過(guò)程是一次完成的，且每一單 個(gè)成像之間是互相獨(dú)立的，也是有差別的。
所述的微棱鏡陣列31是由多個(gè)微棱鏡311按照一定規(guī)律分布排列在 一系列方格位置上的一維或者二維陣列。整個(gè)陣列平面位于成像系統(tǒng)的 光瞳平面上。光闌形狀若是圓形的，微棱鏡陣列也被限制在圓形光闌范 圍內(nèi)，如圖6a所示，若光瞳為矩形的，微棱鏡陣列即是矩形陣列，如圖 6b所示。矩形陣列較圓形陣列更容易設(shè)計(jì)和加工。微棱鏡陣列31可以 是規(guī)則排列分布的，所謂的規(guī)則排列，即在光瞳面上按照事先固定的間 距安排放置微棱鏡，而每單個(gè)微棱鏡的頂角也是根據(jù)成像系統(tǒng)的參數(shù)和 微棱鏡的位置確定的，目的是為了使得在像面上各單幅像之間是無(wú)重疊 的規(guī)則排列，如圖7所示。所述的微棱鏡陣列也可以是按某種孔徑編碼 方式排列分布的，所謂的孔徑編碼排列，即根據(jù)孔徑編碼成像原理，按 照某種孔徑編碼方式安排微棱鏡的排列，如圖8所示，微棱鏡之間的間 距由編碼函數(shù)給定，每單個(gè)微棱鏡的頂角同樣也是根據(jù)成像系統(tǒng)參數(shù)和 微棱鏡的位置確定的，目的是為了使得像面上各單幅圖像最后疊加在一 起形成孔徑編碼圖像。
所述的微棱鏡陣列31的每單個(gè)微棱鏡311的頂角，即每單個(gè)微棱鏡 的傾斜程度，是根據(jù)具體的成像需要確定的，它與微棱鏡在光瞳面上的 位置有關(guān)。微棱鏡的頂角越大，其對(duì)光的偏折也越大，對(duì)于傾斜程度較 小的微棱鏡，其產(chǎn)生的偏折角^跟頂角^有如下近似關(guān)系
"tan"(n-1)6 (1)
其中"為微棱鏡的折射率。
所述的光波調(diào)制模板陣列32是由多個(gè)波前調(diào)制元件321按照規(guī)律分 布排列在一系列方格位置上的一維或者二維波前調(diào)制元件陣列。光波調(diào)制模板陣列32整個(gè)也放在光瞳面上。入射到光瞳面不同部分的光波因此受到不同的調(diào)制，從而攜帶物體三維信息的光波被記錄在不同的調(diào)制光 波中，通過(guò)合適的解調(diào)方法就可以恢復(fù)物體的三維信息來(lái)。光波調(diào)制元 件321可采用純振幅型調(diào)制器，如光學(xué)微分方法[參見(jiàn)在先技術(shù)l]一樣， 一部分調(diào)制元件的調(diào)制函數(shù)是另外一部分調(diào)制函數(shù)的微分形式。也可釆 用純相位型調(diào)制器，如一部分調(diào)制元件為正的二次相位調(diào)制如凸透鏡， 另一部分為負(fù)的二次相位調(diào)制如凹透鏡，從而使得入射到不同相位模板 的光波產(chǎn)生不同程度的離焦，利用離焦傳遞函數(shù)的方法就可以恢復(fù)圖像 的深度信息來(lái)。以及采用兩者結(jié)合的復(fù)振幅型調(diào)制器。除此之外，光波 調(diào)制器還可以采用不同周期的光柵對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。 實(shí)施例1本實(shí)施例是基于單目立體視覺(jué)的圖像深度恢復(fù)技術(shù)。要恢復(fù)圖像深 度，必須先獲得視差圖像，即從各個(gè)不同視點(diǎn)觀察同一物體所得到的圖 像。本裝置的多重成像方式提供了在單一孔徑成像(單目)下，獲取多 幅視差圖像的方法。基于本實(shí)施例的原理，只用了微棱鏡陣列31作為多 重成像元件3。如圖3所示，夾在兩平凸透鏡21和22構(gòu)成的成像主透 鏡之間的微棱鏡陣列31具有偏折分光束的作用，微棱鏡陣列31中的每 個(gè)微棱鏡311的頂角不一樣，使得通過(guò)每個(gè)微棱鏡311的光束不再聚焦 一點(diǎn)成像，而是各自分開(kāi)聚焦，每個(gè)微棱鏡311與透鏡21、 22組合成一 個(gè)單獨(dú)成像系統(tǒng)，就像是在孔徑平面上排列了數(shù)目與微棱鏡個(gè)數(shù)相同的 照相機(jī)，但是每個(gè)相機(jī)的位置不同，對(duì)視場(chǎng)中的物體l也就會(huì)成不同視 點(diǎn)的像，這就是視差圖像。視差圖像中包含了物體表面的深度信息。此 實(shí)施例不需要光波調(diào)制模板陣列32，因此每一個(gè)調(diào)制元件321可以用中 空的子孔徑光闌代替，子孔徑光闌321嚴(yán)格對(duì)齊每一個(gè)微棱鏡311。此 實(shí)施例的成像原理如圖4所示，假設(shè)物點(diǎn)7聚焦于像接收面8，如圖2(a) 所示，那么此物點(diǎn)不論向前還是向后移動(dòng)，它在像接收面8上的都是成 散斑像，如圖2(b)和圖2(c)所示。圖4中在像面底下標(biāo)示出了點(diǎn)物7的 像的光強(qiáng)分布，依據(jù)幾何光學(xué)，對(duì)于聚焦情形，像面8上得到的是數(shù)目
與微棱鏡相同的明亮光點(diǎn)，而離焦情形，像面8上的光強(qiáng)分布則是一系 列暗淡的光斑。形狀跟每個(gè)微棱鏡所占光瞳面積相似。另外，對(duì)于不同 遠(yuǎn)近的物點(diǎn)，每個(gè)散斑像在像面8上的位置是不一樣的。對(duì)于規(guī)則分布 的微棱鏡陣列，近物點(diǎn)的像光斑向圖像中心的外側(cè)移動(dòng)，微棱鏡311越 靠光瞳的外側(cè)，這種像移越大；相反，遠(yuǎn)物點(diǎn)的像光斑則向圖像中心的 內(nèi)側(cè)移動(dòng)，同樣，微棱鏡311越靠光瞳的外側(cè)，這種像移越大；因此分 析這種光強(qiáng)的分布與散斑的移動(dòng)方向就可定量地決定物點(diǎn)的距離。這種 利用單一孔徑成像，并且提取孔徑平面不同位置的視差子圖像，然后分 析子圖像間像素位移量得到景物深度信息的方法就是單目立體視覺(jué)測(cè)距 方法。視差圖像間的位移量跟景物的深度可由透鏡成像系統(tǒng)幾何關(guān)系給出。 如圖5所示，設(shè)成像主透鏡焦距為/，像接收面到孔徑平面的距離為" 孔徑平面上偏移量為乂(v)，像面上的偏移為A,(r)，則物距d可以由下式 給出lA"v)卜-來(lái)(v)卜來(lái)(r)i 實(shí)際的計(jì)算中，孔徑平面的偏移量A,(v)就是每一個(gè)微棱鏡在孔徑平面上 的坐標(biāo)差，而像面偏移量A,(r)為視差圖像間的像素偏移量即視差量。 微棱鏡陣列的結(jié)構(gòu)此實(shí)施例的微棱鏡陣列31的排列方式為規(guī)則排列，即微棱鏡311被 放置在一系列具有固定間隔的方格位置上，方格的中心位置距離光軸的 橫向與縱向距離即為此微棱鏡311的坐標(biāo)。圖6(a)表示的是光學(xué)系統(tǒng)的 光闌9形狀為圓形時(shí)的9X9的微棱鏡陣列；圖6(b)表示的是光闌9形狀 為矩形的9X9的微棱鏡陣列。此實(shí)施例除了要求棱鏡陣列31按規(guī)則排 列，其每個(gè)微棱鏡311的頂角也有一定規(guī)律。單目立體視覺(jué)要求每幅視 差子圖像之間不能重疊，因此要求每個(gè)微棱鏡311與透鏡組合子系統(tǒng)所 成的子圖像之間在像接收面8上是足夠分開(kāi)的。圖7表示的是共5X5 個(gè)子圖像81在像面8上剛好分開(kāi)的情形，各個(gè)子圖像81間沒(méi)有重疊。
假設(shè)每幅子圖像大小為w,XMV則在此要求下，微棱鏡陣列31中第(p，q)(陣列中心序號(hào)為(0， O))個(gè)微棱鏡的頂角應(yīng)該滿足-<formula>formula see original document page 12</formula>每塊微棱鏡311的頂角在光瞳面內(nèi)朝向中心光軸一側(cè)。若微棱鏡的總數(shù) 為2Px2e，則可以得到同樣數(shù)目的視差子圖像。若微棱鏡陣列31只有 橫向或縱向一個(gè)方向的傾角，則只可獲得相應(yīng)一個(gè)方向上的視差圖像。 這對(duì)只存在一個(gè)方向上有深度變化的景物的情形是可行的。 數(shù)字圖像處理方法如圖1所示，場(chǎng)鏡4把光學(xué)圖像縮小到光電探測(cè)器5的像接收面上，光學(xué)信號(hào)被轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)并且經(jīng)A\D轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字圖像處理器6。 下一步的工作是從這些數(shù)字圖像中來(lái)提取圖像的深度信息。這里是利用現(xiàn)有的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，簡(jiǎn)單介紹如下首先需要對(duì)獲得的復(fù)合圖像進(jìn)行子圖像分割，由于圖像無(wú)重疊并且規(guī)則排列，因此分割過(guò)程較簡(jiǎn)單； 其次需要對(duì)子圖像進(jìn)行一些圖像預(yù)先處理(如高通濾波等)以濾掉絕大 部分圖像噪聲，增強(qiáng)圖像質(zhì)量；最后對(duì)處理后的視差圖像用合適的距離 估測(cè)算法進(jìn)行深度提取計(jì)算，基于本裝置的特點(diǎn)，可以采用簡(jiǎn)單的立體 圖像配準(zhǔn)算法[請(qǐng)參閱在先技術(shù)2]。采用最小二乘方法，視差圖像間的視 差量可以用下式來(lái)計(jì)算<formula>formula see original document page 12</formula>這里的V/(r;v)表示圖像灰度對(duì)視點(diǎn)(微棱鏡坐標(biāo))的梯度；由于實(shí)際裝 置中微棱鏡311的個(gè)數(shù)是有限的，因此只能用視差子圖像間離散差分梯 度近似，它是各子圖像間的差異量化。V/(r;v)表示的是視差子圖像對(duì)圖像空間坐標(biāo)的梯度，由于數(shù)字圖像的離散化，因此它也是圖像灰度對(duì)圖 像坐標(biāo)的差分梯度。式中的求和是對(duì)圖像在像素r的鄰域J內(nèi)取平均，以增加計(jì)算的可靠性， 一般取5X5到9X9大小的圖像區(qū)域塊。經(jīng)過(guò)(4) 計(jì)算后得到的視差量代入(2)即可得到物體的深度形貌。下面給出本實(shí)施例的成像系統(tǒng)的一個(gè)具體參數(shù)成像透鏡有效焦距 為50mm，光鬧直徑為25mm,場(chǎng)鏡4距成像透鏡2的距離為25mm，光 電探測(cè)器CCD5放在場(chǎng)鏡4的后焦面上6mm處。CCD像素分辨率為 512x480，微棱鏡陣列31大小為5x5的方形陣列，這樣總共可以獲得25 幅視差子圖像。每單幅子圖像的分辨率大概為100x100，每塊微棱鏡311 的所占方格面積為11.79xll.79mm2，微棱鏡介質(zhì)折射率為1.5，微棱鏡的 橫向與縱向的傾角設(shè)置相同，第O塊為傾角為零的平板，第±1塊傾角為 6.32°，第12塊傾角為12.64'。實(shí)施例2本實(shí)施例是基于光學(xué)孔徑編碼三維成像技術(shù)。具體的方法是對(duì)微棱 鏡陣列31按照一定方式進(jìn)行編碼排列，構(gòu)成一個(gè)二值陣列。編碼陣列中 的數(shù)字"0"表示此處不透光，而數(shù)字"1"表示此處放置一微棱鏡311， 每個(gè)微棱鏡311的頂角仍跟它在陣列中的位置有關(guān)。由于微棱鏡陣列31 的分光作用， 一點(diǎn)源經(jīng)過(guò)編碼棱鏡陣列31與成像透鏡2成像后，像面上 的光強(qiáng)分布是與編碼陣列成比例縮放的光斑陣列。每一個(gè)微棱鏡311與 主成像透鏡2的組合子系統(tǒng)仍單獨(dú)成像，最后各個(gè)子圖像在像接收面上 疊加在一起構(gòu)成的編碼圖像。根據(jù)線性平移不變系統(tǒng)的性質(zhì)，編碼圖像/(r)是各層物體所成幾何像O(-+r)與編碼孔徑函數(shù)在像面上投影<formula>formula see original document page 13</formula>卷積的疊加。<formula>formula see original document page 13</formula>若要從編碼圖像解碼重建景物《層的圖像，只要解碼濾波函數(shù)D(r) 應(yīng)該滿足<formula>formula see original document page 14</formula>因此按照編碼孔徑三維成像技術(shù)的原理，采用合適的編碼-解碼函數(shù)對(duì)就 可以從編碼圖像中獲得物體三維層析圖像，包括物體表面的深度信息。 微棱鏡陣列的結(jié)構(gòu)-本實(shí)施例的微棱鏡陣列31的排列方式為孔徑編碼排列，即按照某一 種特定的編碼陣列，如偽隨機(jī)碼陣列、均勻冗余陣列或者非冗余的稀疏 陣列，安排微棱鏡311在光瞳面上的位置，編碼函數(shù)中為數(shù)值"l"的方 格放置微棱鏡311，而數(shù)字"0"的方格為遮擋區(qū)。圖8(a)表示的是光學(xué) 系統(tǒng)的光闌9形狀為圓形的9X9的微棱鏡隨機(jī)編碼陣列；圖8(b)表示的 是光闌9形狀為矩形的9X9的微棱鏡隨機(jī)編碼陣列。此實(shí)施方式除了要 求棱鏡陣列31按孔徑編碼排列，其每個(gè)微棱鏡311的頂角也有一定規(guī)律。 假設(shè)微棱鏡編碼陣列中單個(gè)編碼單元面積，即單個(gè)微棱鏡311所占區(qū)域 面積為/,x/"則微棱鏡編碼陣列31中第(p， q)(陣列中心序號(hào)為(0，O))個(gè)微棱鏡的頂角應(yīng)該滿足/("-1) (7)/("-1)其中，A為縮放比例系數(shù)。(M)為微棱鏡在編碼陣列中的序號(hào)。若總共 有M個(gè)微棱鏡，則可以得到用同樣數(shù)目的子圖像相疊加而形成的編碼圖 像。圖9表示的是像面8上共5X5幅子圖像81疊加后的編碼圖像。 數(shù)字圖像處理-存在許多從編碼圖像中恢復(fù)原物體的三維圖像的方法，主要有逆濾波 法，維納濾波法，解巻積法，全局優(yōu)化法以及相關(guān)濾波方法，幾何反投 影加條件判斷法等[參閱在先技術(shù)3]，不同的方法，具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。 可根據(jù)具體情況選擇。本實(shí)施例，在這里以相關(guān)濾波方法為例簡(jiǎn)單地介 紹怎樣處理編碼數(shù)字圖像。數(shù)字圖像處理流程圖如圖IO所示，首先根據(jù) 微棱鏡編碼陣列函數(shù)選擇匹配解碼函數(shù)或者失匹配解碼函數(shù)，匹配解碼
函數(shù)就是編碼陣列函數(shù)，而失匹配解碼函數(shù)則是把編碼函數(shù)中數(shù)值"0" 改為(流程ll)。之后為解碼函數(shù)選擇放大率；要計(jì)算放大率必先 給定物距，可以先根據(jù)預(yù)先知識(shí)大致估計(jì)物體在空間的縱向深度范圍； 在此范圍內(nèi)離散化的選擇一系列的深度值，計(jì)算成像系統(tǒng)的放大率(流 程12)。接下來(lái)根據(jù)給定的放大率把縮放后解碼函數(shù)與編碼數(shù)字圖作相 關(guān)運(yùn)算(流程13)。得到的圖像包含物體的圖像信息和解碼不完全帶來(lái) 的圖像噪聲。下一步就是用合適的去噪算法去除圖像中的噪聲(流程 14)。對(duì)于均勻的背景噪聲可以簡(jiǎn)單的減法減掉圖像噪聲，而對(duì)于復(fù)雜的 噪聲可以采用迭代濾波的方法去除掉。之后計(jì)算物體圖像的有效區(qū)域并 且記錄物體這一層的深度(流程15)。重復(fù)流程12-流程16，直至物體 所有深度層次上的像都被解碼出來(lái)。最后的工作是把所有這些解碼得到 的層析像利用圖像融合技術(shù)融合成物體的三維立體重構(gòu)像，同時(shí)得到物 體深度形貌(流程17)。
權(quán)利要求1、一種單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，其特征在于構(gòu)成同光軸地依次包括成像主透鏡(2)、多重成像元件(3)、場(chǎng)鏡(4)和光電探測(cè)器(5)，該光電探測(cè)器(5)的輸出端接數(shù)字圖像處理器(6)，所述的成像主透鏡(2)與多重成像元件(3)緊貼在一起。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，其 特征在于所述的成像主透鏡(2)由一個(gè)雙凸透鏡構(gòu)成，所述的多重成像 元件(3)緊貼在成像主透鏡(2)之后。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，其 特征在于所述的成像主透鏡(2)由兩個(gè)平面相對(duì)的平凸透鏡(21、 22) 構(gòu)成，所述的多重成像元件(3)放在緊貼的兩個(gè)平凸透鏡(21、 22)之 間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，其 特征在于所述的多重成像元件(3)是微棱鏡陣列(31)，或光波調(diào)制模 板陣列(32)，或由微棱鏡陣列(31)和光波調(diào)制模板陣列(32)組合而 成，并整體地置于成像系統(tǒng)的光瞳平面上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，其 特征在于所述的該微棱鏡陣列(31)是由多個(gè)微棱鏡(311)按照一定規(guī) 律分布排列在一系列方格位置上的一維或者二維微棱鏡陣列。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置， 其特征在于所述的微棱鏡陣列(31)是圓形陣列，或矩形陣列。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，其 特征在于所述的微棱鏡陣列(31)是規(guī)則排列分布的，即在光瞳面上按 照事先固定的間距安排放置微棱鏡(311)，而每一單個(gè)微棱鏡(311)的 頂角根據(jù)成像系統(tǒng)的參數(shù)和微棱鏡的位置確定。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，其 特征在于所述的微棱鏡陣列(31)是按孔徑編碼方式排列分布的，即根 據(jù)孔徑編碼成像原理，按照孔徑編碼方式安排微棱鏡(311)的排列，每個(gè)微棱鏡(311)之間的間距由編碼函數(shù)給定，每一單個(gè)微棱鏡(311) 的頂角根據(jù)成像系統(tǒng)參數(shù)和微棱鏡的位置確定。
9、根據(jù)權(quán)利要求4所述的單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，其 特征在于所述的光波調(diào)制模板陣列(32)是由多個(gè)波前調(diào)制元件(321) 按照規(guī)律分布排列在一系列方格位置上的一維或者二維波前調(diào)制元件陣 列，該光波調(diào)制模板陣列整體地放在光瞳面上。
專利摘要一種單孔徑多重成像的光學(xué)成像測(cè)距裝置，其特征在于構(gòu)成同光軸地依次包括成像主透鏡、多重成像元件、場(chǎng)鏡和光電探測(cè)器，該光電探測(cè)器的輸出端接數(shù)字圖像處理器，所述的成像主透鏡與多重成像元件緊貼在一起，所述的數(shù)字圖像處理器用于處理由光電探測(cè)器采樣的數(shù)字圖像，提取物體的深度信息的數(shù)據(jù)處理軟件。本實(shí)用新型只需單次成像，即可獲得完備的成像，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于裝配，不需要復(fù)雜的相機(jī)定位和標(biāo)定，測(cè)距算法簡(jiǎn)單，可快速地獲得物體的深度信息。
文檔編號(hào)G01C3/00GK201043890SQ200620047908
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者劉德安, 劉立人, 孫建鋒, 竹 欒, 陽(yáng)慶國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所