本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)與數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一種光場(chǎng)距離估計(jì)方法與光場(chǎng)成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光場(chǎng)相機(jī)因其能夠獲取場(chǎng)景的多維信息，在計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器人等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中利用光場(chǎng)進(jìn)行測(cè)距逐漸成為研究者們關(guān)注的課題。傳統(tǒng)的測(cè)距方法主要分為兩大類：主動(dòng)式測(cè)距和被動(dòng)式測(cè)距。主動(dòng)式測(cè)距包括激光測(cè)距和雷達(dá)測(cè)距等，這種測(cè)距方法不僅需要昂貴的設(shè)備，而且對(duì)環(huán)境的要求較高。被動(dòng)式測(cè)距包括雙目測(cè)距和相機(jī)陣列測(cè)距等，這種方法主要利用立體匹配的原理，但相機(jī)標(biāo)定的過(guò)程較為復(fù)雜，且設(shè)備不易攜帶。因此，研究者們基于對(duì)手持式光場(chǎng)相機(jī)的成像系統(tǒng)的分析提出了光線追跡的測(cè)距方法。這種方法追蹤一系列從傳感器上的像素發(fā)出的光線，并假設(shè)每個(gè)微透鏡下相同位置的像素發(fā)出的光線平行傳播，經(jīng)過(guò)微透鏡陣列和主鏡頭后，每個(gè)微透鏡下的像素發(fā)出的光線會(huì)在物空間交于一點(diǎn)，該交點(diǎn)與主鏡頭之間的距離即為該點(diǎn)所在平面的距離。但是目前這種方法在估計(jì)光場(chǎng)圖像上所有平面的距離時(shí)需要進(jìn)行多次重聚焦，且當(dāng)聚焦平面距離主鏡頭很近時(shí)，需要對(duì)光場(chǎng)圖像進(jìn)行插值而耗費(fèi)較大的計(jì)算內(nèi)存。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光場(chǎng)距離估計(jì)方法與光場(chǎng)成像系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種光場(chǎng)距離估計(jì)方法，使用一光場(chǎng)成像系統(tǒng)，所述光場(chǎng)成像系統(tǒng)包括標(biāo)定物和相機(jī)，其中所述相機(jī)包括主鏡頭、微透鏡陣列和成像單元，所述微透鏡陣列和所述成像單元的距離固定為所述微透鏡陣列的焦距；

所述方法包括以下步驟：

S1：對(duì)所述相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定并獲取所述相機(jī)的光學(xué)參數(shù)；

S2：在水平方向上調(diào)整所述成像單元和所述微透鏡陣列的位置，使所述相機(jī)聚焦在所述標(biāo)定物上，獲取此時(shí)所述微透鏡陣列與所述主鏡頭之間的距離和補(bǔ)償因子；

S3：采集光場(chǎng)圖像，提取所述光場(chǎng)圖像上對(duì)應(yīng)物體的成像直徑；

S4：確定反映物體的成像直徑與物體所在平面的距離之間的關(guān)系的距離估計(jì)模型，利用所述成像直徑和所述距離估計(jì)模型，確定物體所在平面的距離。

進(jìn)一步地：

步驟S1中對(duì)所述相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定包括使所述相機(jī)內(nèi)所有光學(xué)器件的中心在一條水平軸上。

步驟S1中獲取的光學(xué)參數(shù)包括所述主鏡頭的焦距、曲率半徑、光瞳直徑以及中心厚度，所述微透鏡的焦距和所述成像單元上單個(gè)像素的直徑。

步驟S2中通過(guò)使所述標(biāo)定物上的標(biāo)定點(diǎn)在所述成像單元上的像在豎直方向上直徑達(dá)到最小，來(lái)使所述相機(jī)聚焦在所述標(biāo)定物上。

步驟S3中所述光場(chǎng)圖像上對(duì)應(yīng)物體的成像直徑的提取方式為計(jì)算豎直方向上物體的像所覆蓋的像素個(gè)數(shù)與單個(gè)像素的直徑的乘積。

步驟S3中確定豎直方向上物體的像所覆蓋的像素個(gè)數(shù)包括按照以下任一種方法判定像的邊緣的有效像素：(1)建立邊緣像素值的分布直方圖，選取個(gè)數(shù)占整體分布達(dá)到預(yù)定比例所對(duì)應(yīng)的像素值作為閾值，大于該閾值的像素將視為有效像素，并計(jì)入像所覆蓋的像素個(gè)數(shù)中；(2)求取邊緣像素的像素值的平均值，比較當(dāng)前像素的像素值與平均值的大小，大于該值的像素將視為有效像素，并計(jì)入像所覆蓋的像素個(gè)數(shù)中；(3)求取邊緣像素的像素值梯度，設(shè)定一閾值，當(dāng)前像素的梯度變化小于該閾值的將視為有效像素。

所述的距離估計(jì)模型為反向光線追跡模型，步驟S4包括如下步驟：

(a)利用相似三角形原理得到式(1)，聯(lián)合式(2)求解光線的出射位置(p_i,q_i)：

(R-T/2+p_i)²+q_i²＝R², (2)

其中D為主鏡頭的光瞳直徑；f_x為微透鏡陣列的焦距；d_in為聚焦標(biāo)定物后獲取的微透鏡陣列與主鏡頭之間的距離；v_i為像在成像單元上的坐標(biāo)，則|v₁-v₂|即為成像直徑；sgn(i)為符號(hào)函數(shù)，由式(3)確定：

R為主鏡頭的曲率半徑；T為主鏡頭的中心厚度；

(b)忽略掉光線在微透鏡陣列上的折射，得到式(4)：

其中ω_i為光線的出射角度，φ_i由式(5)確定：

出射角度ω_i由式(6)確定：

(c)光線從主鏡頭傳播出去時(shí)在出射位置發(fā)生折射，折射式由式(7)確定：

n₁sin(θ-ψ_i+φ_i)＝sinω_i, (7)

其中n₁為主鏡頭的折射率；ψ_i為光線進(jìn)入主鏡頭后的折射角；θ滿足式(8)：

結(jié)合式(7)和(8)，利用式(9)計(jì)算出角度ψ_i：

(d)光線在進(jìn)入主鏡頭后發(fā)生折射，折射式由式(10)確定：

其中滿足：

其中Δh為物體相對(duì)水平軸的偏移量，若物體在中心軸上，則Δh＝0；d′_out即為物體所在平面的距離；式(10)和式(11)表明：

利用式(12)求解出角度后，偏移量Δh由式(14)解出：

再將Δh和相應(yīng)的代入式(13)即可計(jì)算得到物體所在平面的距離。

所述主鏡頭為單個(gè)凸透鏡，其光圈值與微透鏡陣列的光圈值相匹配。

所述標(biāo)定物的位置可改變且可測(cè)，微透鏡陣列和成像單元的位置根據(jù)標(biāo)定物的位置相應(yīng)地調(diào)整。

一種用于實(shí)施所述的光場(chǎng)距離估計(jì)方法的光場(chǎng)成像系統(tǒng)，所述光場(chǎng)成像系統(tǒng)包括標(biāo)定物和相機(jī)，其中所述相機(jī)包括主鏡頭、微透鏡陣列和成像單元，所述微透鏡陣列和所述成像單元的距離固定為所述微透鏡陣列的焦距。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出了一種光場(chǎng)距離估計(jì)方法和光場(chǎng)成像系統(tǒng)，只需進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的聚焦過(guò)程就可估計(jì)光場(chǎng)圖像上所有平面的距離，且提高了距離估計(jì)的精度。本發(fā)明的思想是：光場(chǎng)圖像聚焦在某個(gè)距離處的平面后，其他平面的散焦度會(huì)因平面與主鏡頭的距離的不同而不同，且物體在成像單元上的像往往不同。提取物體的像的成像直徑大小這一特征，建立成像直徑與平面的距離之間的距離估計(jì)模型，優(yōu)選為光線追跡模型，該光線追跡模型為反向追跡模型，即從成像單元上的像素發(fā)出的光線反向追跡到物空間的平面上。為此，本發(fā)明首先對(duì)光場(chǎng)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，使得主鏡頭、微透鏡陣列和成像單元的中心在一條水平軸上；然后將光場(chǎng)相機(jī)聚焦在已知距離的標(biāo)定物上，獲取此時(shí)相機(jī)內(nèi)部微透鏡陣列與主鏡頭之間的距離和補(bǔ)償因子；保持該距離不變，使用相機(jī)進(jìn)行拍攝以獲取光場(chǎng)圖像；最后提取光場(chǎng)圖像上物體的成像直徑，將成像直徑代入到所建立的距離估計(jì)模型中，求解出物體所在平面與主鏡頭之間的距離。該方法聚焦標(biāo)定物時(shí)只需移動(dòng)微透鏡陣列和成像單元使得標(biāo)定物上的標(biāo)定點(diǎn)的成像直徑達(dá)到最小，不需要復(fù)雜的重聚焦過(guò)程。該成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且所提出的距離估計(jì)模型計(jì)算復(fù)雜度低，距離估計(jì)精度較高。

本發(fā)明的光場(chǎng)成像系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施距離估計(jì)方法復(fù)雜度低，可高精度地估計(jì)光場(chǎng)圖像上物體的距離。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的成像系統(tǒng)示意圖，其中A1為標(biāo)定物，A2為有刻度的可伸縮的拉桿，B1為相機(jī)，從左至右分別為主鏡頭、微透鏡陣列和成像單元；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的光場(chǎng)距離估計(jì)流程圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的像空間光線追跡模型示意圖，為反向追跡模型的子模型；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的物空間光線追跡模型示意圖，為反向追跡模型的子模型。

具體實(shí)施方式

以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

參閱圖1至圖4，在一種實(shí)施例中，一種光場(chǎng)距離估計(jì)方法，采用的光場(chǎng)成像系統(tǒng)包括標(biāo)定物和相機(jī)，其中相機(jī)包括主鏡頭、微透鏡陣列、成像單元，微透鏡陣列和成像單元的距離固定，為微透鏡陣列的焦距。所用主鏡頭可以為單個(gè)凸透鏡，其光圈值與微透鏡陣列的光圈值相匹配。所述光場(chǎng)距離估計(jì)方法包括以下步驟：

S1：對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定并獲取相機(jī)的光學(xué)參數(shù)；

S2：水平方向上同時(shí)調(diào)整成像單元和微透鏡陣列的位置，使相機(jī)聚焦在標(biāo)定物上，獲取此時(shí)微透鏡陣列與主鏡頭之間的距離和補(bǔ)償因子；

S3：采集光場(chǎng)圖像，提取光場(chǎng)圖像上對(duì)應(yīng)物體的成像直徑；

S4：將成像直徑輸入到距離估計(jì)模型中，輸出物體所在平面的距離。

在具體的實(shí)施方式中，可按下面具體方式進(jìn)行操作。需注意的是，在下面的實(shí)施過(guò)程中所述的具體方法(如相機(jī)的標(biāo)定、成像直徑的提取等)都僅為列舉說(shuō)明，本發(fā)明所涵蓋的范圍不局限于所列舉的這些方法。

S1：對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的主要目的在于所有光學(xué)器件的中心在一條水平軸上。所用方法可為：在任意位置處放置一激光光源，水平照射主鏡頭的中心，在豎直方向上調(diào)整微透鏡陣列和成像單元，使得光斑位于成像單元的中心。獲取各光學(xué)器件的參數(shù)，包括主鏡頭的焦距、曲率半徑、光瞳直徑以及中心厚度，微透鏡的焦距，成像單元上單個(gè)像素的直徑。其中主鏡頭的焦距、曲率半徑、光瞳直徑以及中心厚度，微透鏡的焦距等用于距離估計(jì)模型，成像單元上單個(gè)像素的直徑用于提取物體的成像直徑。

S2：水平方向上同時(shí)調(diào)整成像單元和微透鏡陣列的位置，使相機(jī)聚焦在標(biāo)定物上。所用方法可為：(1)在標(biāo)定物所在平面處放置一激光光源與放大物鏡，激光光源與放大物鏡的中心與主鏡頭的中心在同一水平軸上。激光發(fā)出的平行光線聚焦在物鏡的焦點(diǎn)后繼續(xù)發(fā)散傳播，其中光線以發(fā)散角度能覆蓋主鏡頭的光瞳直徑進(jìn)入相機(jī)。水平方向上同時(shí)移動(dòng)成像單元和微透鏡陣列，使得成像單元上呈現(xiàn)的光斑在豎直方向上直徑達(dá)到最小。停止移動(dòng)成像單元和微透鏡陣列，記錄此時(shí)微透鏡陣列與主鏡頭之間的距離；(2)在標(biāo)定物上設(shè)置標(biāo)定點(diǎn)，如角點(diǎn)，水平方向上同時(shí)移動(dòng)成像單元和微透鏡陣列，使得成像單元上所選角點(diǎn)的像在豎直方向上直徑達(dá)到最小。停止移動(dòng)成像單元和微透鏡陣列，記錄此時(shí)微透鏡陣列與主鏡頭之間的距離。聚焦后引入補(bǔ)償因子的原因在于，單個(gè)主鏡頭存在像差，使得物體的實(shí)際成像與理論成像存在偏差。該補(bǔ)償因子用于距離估計(jì)模型中。

S3：采集光場(chǎng)圖像，提取光場(chǎng)圖像上對(duì)應(yīng)物體的成像直徑。提取成像直徑的方式為計(jì)算豎直方向上物體的像所覆蓋的像素個(gè)數(shù)與單個(gè)像素的直徑的乘積。由于物體未聚焦，其像是散焦的，并且主鏡頭存在像差，故像的邊緣不尖銳。因此，為確定豎直方向上物體的像所覆蓋的像素個(gè)數(shù)，需判定像的邊緣的有效像素。判定方法有多種，可為：(1)建立邊緣像素值的分布直方圖，選取個(gè)數(shù)占整體分布達(dá)到一定比例所對(duì)應(yīng)的像素值作為閾值，大于該閾值的像素將視為有效像素，并計(jì)入像所覆蓋的像素個(gè)數(shù)中；(2)求取邊緣像素的像素值的平均值，比較當(dāng)前像素的像素值與平均值的大小，大于該值的像素將視為有效像素，并計(jì)入像所覆蓋的像素個(gè)數(shù)中；(3)求取邊緣像素的像素值梯度，設(shè)定一閾值，當(dāng)前像素的梯度變化小于該閾值的將視為有效像素。

S4：將成像直徑輸入到距離估計(jì)模型中，該估計(jì)模型為反向追跡模型，該模型建立了成像直徑與物體所在平面的距離之間的關(guān)系。具體求解步驟為：

(a)如圖3所示，為反向追跡模型的子模型，即像空間光線追跡模型。在反向追跡模型中，物體被看作是離軸的點(diǎn)光源。由于微透鏡陣列焦距及厚度很小，故忽略光線在微透鏡陣列上的折射，利用相似三角形原理得到式(1)，聯(lián)合式(2)求解光線的出射位置(p_i,q_i)：

(R-T/2+p_i)²+q_i²＝R², (2)

其中D為主鏡頭的光瞳直徑；f_x為微透鏡陣列的焦距；d_in為聚焦標(biāo)定物后獲取的微透鏡陣列與主鏡頭之間的距離；v_i為像在傳感器上的坐標(biāo)，則|v₁-v₂|即為成像直徑；sgn(i)為符號(hào)函數(shù)，由式(3)確定：

R為主鏡頭的曲率半徑；T為主鏡頭的中心厚度。

(b)由于忽略掉光線在微透鏡陣列上的折射，可知式(4)成立：

其中ω_i為光線的出射角度，φ_i由式(5)確定：

進(jìn)一步，出射角度ω_i可由式(6)計(jì)算得到：

(c)光線從主鏡頭傳播出去時(shí)在出射位置發(fā)生折射，折射式由式(7)確定：

n₁sin(θ-ψ_i+φ_i)＝sinω_i, (7)

其中n₁為主鏡頭的折射率；ψ_i為光線進(jìn)入主鏡頭后的折射角，如圖4所示；θ滿足式(8)：

因此，結(jié)合式(7)和(8)，可利用式(9)計(jì)算出角度ψ_i：

(d)如圖4所示的物空間光線追跡模型，光線在進(jìn)入主鏡頭后發(fā)生折射，折射式由式(10)確定：

其中滿足：

其中Δh為物體相對(duì)水平軸的偏移量，若物體在中心軸上，則說(shuō)明Δh＝0；d′_out即為物體所在平面的距離。式(10)和式(11)表明：

則利用式(12)求解出角度后，偏移量Δh可由式(14)解出：

再將Δh和相應(yīng)的代入式(13)即可計(jì)算得到物體所在平面的距離。

參閱圖1，在另一種實(shí)施例中，一種光場(chǎng)成像系統(tǒng)，用于實(shí)施前述任一實(shí)施例的光場(chǎng)距離估計(jì)方法，所述光場(chǎng)成像系統(tǒng)包括標(biāo)定物和相機(jī)，其中所述相機(jī)包括主鏡頭、微透鏡陣列和成像單元，所述微透鏡陣列和所述成像單元的距離固定為所述微透鏡陣列的焦距。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對(duì)這些已描述的實(shí)施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。