專利名稱：三維成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種可見光區(qū)域的三維成像方法，應(yīng)用空間位置編碼的照相機(jī)陣列對(duì)本身發(fā)光或反射發(fā)光物體的拍照記錄，及計(jì)算機(jī)解碼方法再現(xiàn)出三維物體的分層圖像，本發(fā)明可望推廣應(yīng)用于遙感、遙測(cè)、機(jī)器視覺以及軍事等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用普通的照相方法得到的照片因?yàn)槠渲荒艹休d物體的二維信息，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代應(yīng)用的需要。對(duì)于三維成像方法的研究雖歷史不長(zhǎng)但已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，并已被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、遙感、遙測(cè)、顯示、藝術(shù)、機(jī)器視覺等領(lǐng)域。
在先技術(shù)[1](參見于美文著《光全息學(xué)及其應(yīng)用》，北京理工大學(xué)出版社，1996，pp99-148)全息攝影術(shù)是一種利用光的相干記錄及衍射再現(xiàn)的方法實(shí)現(xiàn)三維物體的記錄與成像顯示的方法。這種方法利用相干光照射物體，通過引入被稱為參考光的另一相干光與物體反射的光在距離物體不是很遠(yuǎn)的記錄介質(zhì)上相干涉達(dá)到記錄物體的位相信息的目的。再利用被稱為再現(xiàn)光照射經(jīng)過處理的記錄介質(zhì)，衍射光再現(xiàn)出物體的三維圖像。
在先技術(shù)[2](參見Chris Brown，Multiplex imaging withmultiple-pinhole cameras，Journal of Applied Physics，Vol.45，No.4，1974，pp1806-1811)編碼孔徑成像技術(shù)是一種應(yīng)用于不可見光區(qū)域的成像方法，物體輻射出的光(x射線、γ射線等)通過一個(gè)開有很多小孔的平面投影在記錄介質(zhì)上，記錄介質(zhì)上記錄的是不同角度的物體投影的疊加，再現(xiàn)時(shí)被光源照射的記錄介質(zhì)發(fā)出的光透過一個(gè)與記錄時(shí)完全相同的小孔平面反向投影在顯示平面上，調(diào)整顯示平面的位置可以得到物體不同深度層次的圖像。這種成像方法被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
在先技術(shù)[3](參見Seung-Hyun Hong et al.Three-dimensionalvolumetric object reconstruction using computational integral imaging，Optics Express，Vol.12，No.3，2004，pp483-491)采用一個(gè)微透鏡陣列對(duì)物體進(jìn)行記錄，記錄和再現(xiàn)原理類似于在先技術(shù)[2]，物體通過每一個(gè)微透鏡成像在記錄介質(zhì)上，記錄介質(zhì)得到的仍然是一個(gè)不同角度的物體的圖像的疊加，再現(xiàn)過程是一個(gè)同樣的反投影過程，這種方法得到的也是物體的分層圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提出一種實(shí)用于可見光區(qū)域的三維成像方法，本發(fā)明方法應(yīng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，靈活，成像記錄不受物體尺度大小的限制。
本發(fā)明三維成像方法的實(shí)質(zhì)是采用空間位置編碼的照相機(jī)陣列對(duì)物體進(jìn)行拍照記錄，在計(jì)算機(jī)中將所拍攝得到的物體圖像合成為編碼圖像，再應(yīng)用計(jì)算機(jī)解碼方法從編碼圖像中依次再現(xiàn)出不同物體層的圖像。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種三維成像方法，其特征在于該方法包括下列步驟①在被拍攝的物體的前方一個(gè)平面上離散地設(shè)置由多臺(tái)照相機(jī)構(gòu)成的照相機(jī)陣列。該照相機(jī)陣列可以用一個(gè)包含a×b個(gè)的矩陣元C(xi，yj)i＝1，2...a；j＝1，2...b二值矩陣來表示，矩陣元的值為1或0，C(xi，yj)＝1對(duì)應(yīng)于在(xi，yj)位置有一臺(tái)照相機(jī)，C(xi，yj)＝0對(duì)應(yīng)于在(xi，yj)位置沒有照相機(jī)，相鄰的兩個(gè)矩陣元之間距離為d，這個(gè)矩陣稱為編碼矩陣。所述的編碼矩陣的自相關(guān)函數(shù)近似一個(gè)理想的δ函數(shù)，更準(zhǔn)確的說它的自相關(guān)函數(shù)的的主峰值為矩陣中1的數(shù)量，也就是照相機(jī)的數(shù)量n，旁瓣最大值為1；
②用所述的照相機(jī)陣列對(duì)物體進(jìn)行拍攝。物體表示為ΣkO(x,y,zk),k=1,2···,]]>其中O(x，y，zk)表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體的某一層，求和符號(hào)表示物體是由連續(xù)的一系列的這樣的層次構(gòu)成的。需要說明的是，以這種方式理解物體有助于更清楚的說明本發(fā)明所述的方法的基本原理。位于照相機(jī)陣列中(xi，yj)位置的照相機(jī)對(duì)該物體拍照，拍攝得到的物體圖像表示為ΣkO(-zkfxi,-zkfyj),k=1,2···;]]>其中f是照相機(jī)的焦距，O(-zkfxi,-zkfyj)]]>表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體的某一層被照相機(jī)拍攝得到的縮小 倍的圖像，負(fù)號(hào)表示成倒立反轉(zhuǎn)的像。每臺(tái)照相機(jī)都拍攝得到一幅物體的圖像，每一幅這樣的圖像稱為一個(gè)基元圖像。
③將照相機(jī)陣列所拍攝的物體的所有的基元圖像在計(jì)算機(jī)中合成得到編碼圖像首先生成一幅空白圖像，將該空白圖像分成與編碼矩陣相同的a×b個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域的大小與基元圖像的大小相同。該空白圖像的每個(gè)子區(qū)域就與編碼矩陣的一個(gè)矩陣元相對(duì)應(yīng)。如①所述矩陣元等于1表示有一臺(tái)照相機(jī)，將這臺(tái)照相機(jī)拍攝的基元圖像填充到與之相對(duì)應(yīng)的子區(qū)域中，按順序?qū)⑺姓障鄼C(jī)拍攝的基元圖像填充到與之相對(duì)應(yīng)的子區(qū)域中。最后調(diào)整子區(qū)域之間的距離設(shè)物體橫向尺度大小為l，照相機(jī)陣列中矩陣元之間的距離的d，基元圖像的大小為le，調(diào)整圖像相鄰的兩個(gè)子區(qū)域之間的距離為 ，調(diào)整完成后所得到的圖像就是合成的編碼圖像。該編碼圖像的數(shù)學(xué)表達(dá)式為I(x,y)=ΣiO(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj),i=1,2···a;j=1,2···b;k=1,2···]]>編碼圖像的數(shù)學(xué)表述看起來比較復(fù)雜，它仍是建立在對(duì)物體的分層理解的基礎(chǔ)上。式中O(-zkfxi,-zkfyj)]]>表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體層被位于(xi，yj)的照相機(jī)拍照得到的倒立反轉(zhuǎn)縮小 倍的圖像，C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)]]>表示與該物體層相對(duì)應(yīng)的被放大了 倍的編碼矩陣，二者的相關(guān)O(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)]]>表示該物體層的圖像在編碼圖像中的分布，將所有的物體層的圖像在編碼圖像中的分布迭加起來就是整個(gè)物體的編碼圖像；④應(yīng)用計(jì)算機(jī)解碼方法，分層再現(xiàn)物體的圖像。如③所述，每一個(gè)物體層的圖像都與一定放大率的編碼矩陣相對(duì)應(yīng)。比如與照相機(jī)陣列距離為zm的物體層被照相機(jī)拍攝得到的倒立反轉(zhuǎn)的縮小 倍的圖像與被放大 倍的編碼矩陣C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>相對(duì)應(yīng)。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系為從編碼圖像中解碼再現(xiàn)出某一物體層的圖像提供了可能性。計(jì)算機(jī)解碼的具體操作方法如下為了從編碼圖像中解碼再現(xiàn)與照相機(jī)陣列距離為zm的物體層的圖像，用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)與對(duì)應(yīng)于該物體層的編碼矩陣完全相同的解碼矩陣C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>，然后用該矩陣與編碼圖像作相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果就是該物體層的解碼圖像
Rm(x,y)=I(x,y)*C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>=ΣkO(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)*C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>k=1,2···m···;i=1,2···a;j=1,2···b]]>=O(-zmfx,-zmfy)*C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)*C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>+ΣkO(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)*C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>k=1,2···m-1,m+1···;i=1,2···a;j=1,2···b]]>=O(-zmfx,-zmfy)*δ‾(x,y)+N(x,y)]]>=O(-zmfx,-zmfy)+N(x,y)]]>從上面公式可以看出，解碼矩陣與zm物體層相對(duì)應(yīng)，它同樣與zm物體層相對(duì)應(yīng)的編碼矩陣完全相同(分布形式相同，發(fā)大率相同)，他們之間的相關(guān)運(yùn)算就相當(dāng)于與zm物體層相對(duì)應(yīng)的編碼矩陣的自相關(guān)，如前所述我們選擇的編碼矩陣所需滿足的條件就是它的自相關(guān)函數(shù)近似理想的δ函數(shù)(在上式中用δ表示近似理想函數(shù))，δ函數(shù)的性質(zhì)決定它與其他函數(shù)的相關(guān)(或卷積)的結(jié)果是函數(shù)本身，因此zm層的物體圖像得以從編碼圖像中再現(xiàn)出來。而其他物體層，因?yàn)榕c他們相對(duì)應(yīng)的編碼矩陣的放大率與解碼矩陣的放大率不一致，它們之間的相關(guān)結(jié)果不是一個(gè)δ函數(shù)，因此那些層次不能從編碼圖像中再現(xiàn)出來而成為背景噪聲，在上式中用N(x，y)表示這些噪聲。
⑤重復(fù)如④所述的操作，調(diào)整解碼矩陣的放大率使其與物體其他的層次相對(duì)應(yīng)，依次解碼得到物體所有層次的解碼圖像。
所述的照相機(jī)是數(shù)碼相機(jī)或者普通光學(xué)照相機(jī)。
所述的數(shù)碼相機(jī)拍攝的基元圖像為基元數(shù)字圖像，這些數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中被合成為編碼圖像。
所述的普通光學(xué)照相機(jī)拍攝的照片需要轉(zhuǎn)化為基元數(shù)字圖像，這些基元數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中合成為編碼圖像。
所述的基元數(shù)字圖像大小相同。
本發(fā)明所述的成像方法是將x射線等不可見波段的編碼孔徑層析成像的原理在可見光波段應(yīng)用，同時(shí)解決了在先技術(shù)[3]存在的問題，一方面照相機(jī)兼具成像和記錄的功能，另一方面照相機(jī)陣列相對(duì)于微透鏡陣列而言更靈活，更方便，成像記錄不受物體尺度大小的限制，還可以通過調(diào)整照相機(jī)之間的距離得到不同深度分辨率的物體的分層圖像。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例照相機(jī)陣列對(duì)物體拍照示意圖；圖2是與圖1照相機(jī)陣列相對(duì)應(yīng)的編碼矩陣；圖3是編碼矩陣的自相關(guān)函數(shù)；圖4是實(shí)施例中被拍照的物體；圖5是基元圖像合成原理示意圖；圖6是將基元圖像合成得到的編碼圖像；圖7是物體第一層的解碼圖像；圖8是物體第二層的解碼圖像具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3，本發(fā)明的三維成像方法，包括下列步驟①在被拍攝的物體4的前方一個(gè)平面3上離散地設(shè)置由多臺(tái)照相機(jī)構(gòu)成的照相機(jī)陣列3n，該照相機(jī)陣列3n用一個(gè)包含a×b個(gè)矩陣元的，其矩陣元的值為1或0的二值矩陣C(xi，yj)i＝1，2...a；j＝1，2...b來表示，C(xi，yj)＝1對(duì)應(yīng)于在(xi，yj)位置有一臺(tái)照相機(jī)，C(xi，yj)＝0對(duì)應(yīng)于在(xi，yj)位置沒有照相機(jī)，相鄰的兩個(gè)矩陣元之間距離為d，這個(gè)矩陣稱為編碼矩陣，該編碼矩陣的自相關(guān)函數(shù)近似一個(gè)理想的δ函數(shù)，該自相關(guān)函數(shù)的的主峰值為矩陣中1的數(shù)量，即照相機(jī)的數(shù)量n，旁瓣最大值為1；②用所述的照相機(jī)陣列3n對(duì)物體4進(jìn)行拍攝，物體表示為ΣkO(x,y,zk),k=1,2···,]]>其中O(x，y，zk)表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體的某一層，求和符號(hào)表示物體是由連續(xù)的一系列的這樣的層次構(gòu)成的，位于照相機(jī)陣列中(xi，yj)位置的照相機(jī)對(duì)該物體拍照，拍攝得到的物體圖像表示為ΣkO(-zkfxi,-zkfyj),k=1,2···;]]>其中f是照相機(jī)的焦距，O(-zkfxi,-zkfyj)]]>表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體的某一層被照相機(jī)拍攝得到的縮小 倍的圖像，負(fù)號(hào)表示成倒立反轉(zhuǎn)的像，每臺(tái)照相機(jī)都拍攝得到一幅物體的這樣的基元圖像；③將照相機(jī)陣列3n所拍攝的物體4的基元圖像在計(jì)算機(jī)中合成得到編碼圖像5首先生成一幅空白圖像，將該圖像分成與編碼矩陣相同的a×b個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域的大小與基元圖像的大小相同，這樣空白圖像的每個(gè)子區(qū)域就與所述的編碼矩陣的一個(gè)矩陣元相對(duì)應(yīng)，如①所述矩陣元等于1表示有一臺(tái)照相機(jī)，將這臺(tái)照相機(jī)拍攝的基元圖像填充到與之相對(duì)應(yīng)的子區(qū)域中，按順序?qū)⑺姓障鄼C(jī)拍攝的基元圖像填充到與之相對(duì)應(yīng)的子區(qū)域中，最后調(diào)整子區(qū)域之間的距離設(shè)物體橫向尺度大小為l，照相機(jī)陣列中矩陣元之間的距離的d，基元圖像的大小為le，調(diào)整圖像相鄰的兩個(gè)子區(qū)域之間的距離為 ，調(diào)整完成后所得到的圖像就是合成的編碼圖像，該編碼圖像的數(shù)學(xué)表達(dá)式為I(x,y)=ΣiO(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj),i=1,2···a;j=1,2···b;k=1,2···]]>式中O(-zkfxi,-zkfyj)]]>表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體層被位于(xi，yj)的照相機(jī)拍照得到的倒立反轉(zhuǎn)縮小 倍的圖像，C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)]]>表示與該物體層相對(duì)應(yīng)的被放大了 倍的編碼矩陣，二者的相關(guān)O(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)]]>，表示該物體層的圖像在編碼圖像中的分布，將所有的物體層的圖像在編碼圖像中的分布迭加起來就是整個(gè)物體的編碼圖像；④應(yīng)用計(jì)算機(jī)解碼方法，分層再現(xiàn)物體的圖像，計(jì)算機(jī)解碼的具體操作方法如下為了從編碼圖像中解碼再現(xiàn)與照相機(jī)陣列距離為zm的物體層的圖像，用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)與對(duì)應(yīng)于該物體層的編碼矩陣完全相同的解碼矩陣C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>，然后用該矩陣與編碼圖像作相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果就是該物體層的解碼圖像；⑤重復(fù)如④所述的操作，調(diào)整解碼矩陣的放大率使其與物體其他的層次相對(duì)應(yīng)，依次解碼得到物體所有層次的解碼圖像。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法各主要步驟的原理說明如下本發(fā)明所述的三維成像方法的第一步是采用空間位置編碼的多臺(tái)照相機(jī)陣列3n對(duì)物體4拍照。如圖1所示，4為要拍攝的物體，需要說明的是，在本發(fā)明中，將三維物體4看作是由與照相機(jī)陣列3n距離不同的一系列物體層41，42，...，4i，...迭加而成的，以這種方式理解物體有助于更清楚的說明本發(fā)明所述的方法的基本原理。3代表編碼照相機(jī)陣列，31，32，...表示照相機(jī)陣列中的照相機(jī)。該照相機(jī)陣列3n可以用圖2所示的包含7×8個(gè)矩陣元的二值矩陣(矩陣元的值為1或0的矩陣)C(xi，yj)i＝1，2...7；j＝1，2...8來表示，C(xi，yj)＝1，對(duì)應(yīng)于在(xi，yj)位置有一臺(tái)照相機(jī)，C(xi，yj)＝0，對(duì)應(yīng)于在該位置(xi，yj)沒有照相機(jī)，相鄰的兩個(gè)矩陣元之間距離為d，這個(gè)矩陣稱為編碼矩陣。這個(gè)編碼矩陣所要求滿足的條件是它的自相關(guān)函數(shù)近似一個(gè)理想的δ函數(shù)，圖3是這個(gè)編碼矩陣的自相關(guān)函數(shù)，從圖3可以看出，自相關(guān)函數(shù)的主峰值為9，就是矩陣中1的數(shù)量(對(duì)于圖1、2所示的情況也就是照相機(jī)的數(shù)量)，旁瓣最大值為1，近似于一個(gè)理想的δ函數(shù)。圖4是實(shí)際的物體模型，該模型包括兩層，分別是數(shù)字“1”和“2”，兩個(gè)物體層不互相遮擋，相距10厘米。拍攝時(shí)使照相機(jī)陣列3n正對(duì)被拍攝物體4，確保物體4能夠出現(xiàn)在照相機(jī)陣列3n中每臺(tái)照相機(jī)的視場(chǎng)中，照相機(jī)陣列中的每臺(tái)照相機(jī)都拍攝得到一張物體的圖像，稱作基元圖像。位于照相機(jī)陣列中(xi，yj)位置的照相機(jī)對(duì)該物體拍照，拍攝得到的物體圖像表示為ΣkO(-zkfxi,-zkfyj),k=1,2···;]]>其中f是照相機(jī)的焦距，O(-zkfxi,-zkfyj)]]>表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體的某一層被照相機(jī)拍攝得到的縮小 倍的圖像，負(fù)號(hào)表示成倒立反轉(zhuǎn)的像。
本發(fā)明的第二個(gè)步驟是將第一步拍攝得到的基元圖像，在計(jì)算機(jī)中合成為一幅編碼圖像。為了更清楚的說明合成原理，將圖1簡(jiǎn)化為更簡(jiǎn)單但足以說明問題的圖5，如圖5所示，照相機(jī)陣列3n被簡(jiǎn)化為點(diǎn)陣列6，點(diǎn)61，62表示照相機(jī)陣列中兩個(gè)相鄰的矩陣元，他們之間的距離為d，5為編碼圖像所在平面，編碼圖像平面5與點(diǎn)陣列平面6之間相距為f，f為照相機(jī)的焦距。51是照相機(jī)61拍攝的物體4的基元圖像，52是照相機(jī)62拍攝的物體4的基元圖像。如果62位置不存在一臺(tái)照相機(jī)，那么在編碼圖像52位置將不會(huì)有基元圖像存在。根據(jù)幾何關(guān)系可以求出兩幅基元圖像51和52間的距離為 ，其中d為照相機(jī)陣列中矩陣元之間的距離，l為物體橫向尺度大小，le為基元圖像的大小。按照上述說明的關(guān)系可以將基元圖像在計(jì)算機(jī)中合成為編碼圖像，具體操作方法如下首先生成一幅空白圖像，將該空白圖像分成與編碼矩陣相同的7×8個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域的大小與基元圖像的大小相同。這樣空白圖像的每個(gè)子區(qū)域就與編碼矩陣的每一個(gè)矩陣元對(duì)應(yīng)。將照相機(jī)拍攝的基元圖像依次填充到與之相對(duì)應(yīng)的子區(qū)域中。最后調(diào)整子區(qū)域之間的距離為 調(diào)整完成后所得到的圖像就是合成的編碼圖像。該編碼圖像的數(shù)學(xué)表達(dá)式為I(x,y)=ΣkO(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj),i=1,2···a,j=1,2···b;k=1,2···---(1)]]>編碼圖像的數(shù)學(xué)表述看起來比較復(fù)雜，它仍是建立在對(duì)物體的分層理解的基礎(chǔ)上。式中O(-zkfxi,-zkfyj)]]>表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體層被位于(xi，yj)的照相機(jī)拍照得到的倒立反轉(zhuǎn)縮小 倍的圖像，C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)]]>表示與該物體層相對(duì)應(yīng)的被放大了 倍的編碼矩陣，二者的相關(guān)O(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)]]>表示該物體層的圖像在編碼圖像中的分布，將所有的物體層的圖像在編碼圖像中的分布迭加起來就是整個(gè)物體的編碼圖像。圖6是本實(shí)施例所拍攝的基元圖像合成得到的編碼圖像。
本發(fā)明的第三步是應(yīng)用計(jì)算機(jī)解碼方法，分層再現(xiàn)物體的圖像。從公式1及步驟2的敘述中可以看出，每一個(gè)物體層的圖像都與一定放大率的編碼矩陣相對(duì)應(yīng)。比如與照相機(jī)陣列距離為zm的物體層被照相機(jī)拍攝得到的倒立反轉(zhuǎn)的縮小 倍的圖像與被放大 倍的編碼矩陣C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>相對(duì)應(yīng)。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系為從編碼圖像中解碼再現(xiàn)出某一物體層的圖像提供了可能性。計(jì)算機(jī)解碼的具體操作方法如下為了從編碼圖像中解碼再現(xiàn)與照相機(jī)陣列距離為zm的物體層的圖像，用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)與對(duì)應(yīng)于該物體層的編碼矩陣完全相同的解碼矩陣C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>，然后用該矩陣與編碼圖像作相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果就是該物體層的解碼圖像Rm(x,y)=I(x,y)*C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>=ΣkO(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)*C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>k=1,2···m···;i=1,2···a;j=1,2···b]]>=O(-zmfx,-zmfy)*C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)*C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>+ΣkO(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)*C(zmzm+fxi,zmzm+fyj)]]>k=1,2···m-1,m+1···;i=1,2···a;j=1,2···b]]>=O(-zmfx,-zmfy)*δ‾(x,y)+N(x,y)]]>=O(-zmfx,-zmfy)+N(x,y)]]>從上面公式可以看出，解碼矩陣與zm物體層相對(duì)應(yīng)，它同樣與zm物體層相對(duì)應(yīng)的編碼矩陣完全相同(分布形式相同，發(fā)大率相同)，他們之間的相關(guān)運(yùn)算就相當(dāng)于與zm物體層相對(duì)應(yīng)的編碼矩陣的自相關(guān)，如前所述我們選擇的編碼矩陣所需滿足的條件就是它的自相關(guān)函數(shù)近似理想的δ函數(shù)(在上式中用δ表示近似理想函數(shù))，δ函數(shù)的性質(zhì)決定它與其他函數(shù)相關(guān)(或卷積)的結(jié)果是函數(shù)本身，因此zm層的物體圖像得以從編碼圖像中再現(xiàn)出來。而其他物體層，因?yàn)榕c他們相對(duì)應(yīng)的編碼矩陣的放大率與解碼矩陣的放大率不一致，它們之間的相關(guān)結(jié)果不是一個(gè)δ函數(shù)，因此那些層次不能從編碼圖像中再現(xiàn)出來而成為背景噪聲，在上式中用N(x，y)表示這些噪聲。重復(fù)上述操作，調(diào)整解碼矩陣的放大率使其與物體其他的層次相對(duì)應(yīng)，依次解碼得到物體所有層次的解碼圖像。圖7和圖8是本實(shí)施例對(duì)編碼圖像解碼得到的兩個(gè)物體層的解碼圖像。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比在先技術(shù)[1]是一種相干記錄方法，應(yīng)用這種方法記錄需要好的相干光源，并要保證在記錄過程中物體沒有大于1/4波長(zhǎng)以上的抖動(dòng)，否則相干條件將被破壞導(dǎo)致記錄失敗。相干光源的使用以及苛刻的記錄條件限制了這種技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，目前這種成像方法仍被作為一種實(shí)驗(yàn)室研究方法使用。在先技術(shù)[2]產(chǎn)生的主要原因是x射線、γ射線等不可見光由于量子能量較高，適用于可見光的各種成像方法和成像器件不適用于x射線、γ射線的成像，因此采用小孔成像的方法對(duì)其成像。反過來，因?yàn)檠苌涞脑蛐】壮上竦姆椒▽?duì)于可見光不再適用，因此這種成像方法也沒有在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。在先技術(shù)[3]采用微透鏡陣列代替了在先技術(shù)[2]所應(yīng)用的小孔陣列，透鏡是可見光成像的主要工具，因此這一技術(shù)得以應(yīng)用于可見光成像，但是這種微透鏡陣列仍然只是一個(gè)成像裝置而不能同時(shí)具備成像記錄的功能，因此還需要在微透鏡陣列后附加照相機(jī)或攝像機(jī)在透鏡的成像面上記錄圖像。微透鏡的視場(chǎng)與后置照相機(jī)或攝像機(jī)的視場(chǎng)匹配問題限制了這一方法對(duì)大尺度物體的成像記錄。
本發(fā)明的具體實(shí)施例是采用9部Canon PowerShot G2數(shù)碼照相機(jī)，按照?qǐng)D2所示的編碼矩陣構(gòu)成照相機(jī)陣列，相鄰的矩陣元之間相距10厘米。仍然用如圖4所示的物體作為被拍攝物體，物體由包含數(shù)字“1”和“2”的兩層構(gòu)成，兩層之間不互相遮擋，距離為10厘米。照相機(jī)陣列正對(duì)被拍攝物體，距離物體數(shù)字“1”所在的一層150厘米。由9部照相機(jī)拍攝的基元圖像采用本文所述的合成方法得到的編碼圖像如圖6所示。采用本文所介紹的計(jì)算機(jī)解碼算法解碼得到的兩層的圖像如圖7，8所示，圖7是第一層也就是數(shù)字1的解碼圖像，圖8是第二層也就是數(shù)字2的解碼圖像。
權(quán)利要求
1.一種三維成像方法，其特征在于該方法包括下列步驟①在被拍攝的物體(4)的前方一個(gè)平面(3)上離散地設(shè)置由多臺(tái)照相機(jī)構(gòu)成的照相機(jī)陣列(3n)，該照相機(jī)陣列(3n)用一個(gè)包含a×b個(gè)矩陣元的，其矩陣元的值為1或0的二值矩陣C(xi，yj)i＝1，2…a；j＝1，2…b來表示，C(xi，yj)＝1對(duì)應(yīng)于在(xi，yj)位置有一臺(tái)照相機(jī)，C(xi，yj)＝0對(duì)應(yīng)于在(xi，yj)位置沒有照相機(jī)，相鄰的兩個(gè)矩陣元之間距離為d，這個(gè)矩陣稱為編碼矩陣，該編碼矩陣的自相關(guān)函數(shù)近似一個(gè)理想的δ函數(shù)，該自相關(guān)函數(shù)的的主峰值為矩陣中1的數(shù)量，即照相機(jī)的數(shù)量n，旁瓣最大值為1；②用所述的照相機(jī)陣列(3n)對(duì)物體(4)進(jìn)行拍攝，物體表示為ΣkO(x,y,zk)---k=1,2···,]]>其中O(x，y，zk)表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體的某一層，求和符號(hào)表示物體是由連續(xù)的一系列的這樣的層次構(gòu)成的，位于照相機(jī)陣列中(xi，yj)位置的照相機(jī)對(duì)該物體拍照，拍攝得到的物體圖像表示為ΣkO(-zkfxi,-zkfyj)---k=1,2···;]]>其中f是照相機(jī)的焦距，O(-zkfxi,-zkfyj)]]>表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體的某一層被照相機(jī)拍攝得到的縮小 倍的圖像，負(fù)號(hào)表示成倒立反轉(zhuǎn)的像，每臺(tái)照相機(jī)都拍攝得到一幅物體的這樣的基元圖像；③將照相機(jī)陣列(3n)所拍攝的物體(4)的基元圖像在計(jì)算機(jī)中合成得到編碼圖像(5)首先生成一幅空白圖像，將該圖像分成與編碼矩陣相同的a×b個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域的大小與基元圖像的大小相同，這樣空白圖像的每個(gè)子區(qū)域就與所述的編碼矩陣的一個(gè)矩陣元相對(duì)應(yīng)，如①所述矩陣元等于1表示有一臺(tái)照相機(jī)，將這臺(tái)照相機(jī)拍攝的基元圖像填充到與之相對(duì)應(yīng)的子區(qū)域中，按順序?qū)⑺姓障鄼C(jī)拍攝的基元圖像填充到與之相對(duì)應(yīng)的子區(qū)域中，最后調(diào)整子區(qū)域之間的距離設(shè)物體橫向尺度大小為l，照相機(jī)陣列中矩陣元之間的距離的d，基元圖像的大小為le，調(diào)整圖像相鄰的兩個(gè)子區(qū)域之間的距離為 調(diào)整完成后所得到的圖像就是合成的編碼圖像，該編碼圖像的數(shù)學(xué)表達(dá)式為I(x,y)=ΣiO(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)---i=1,2···a,j=1,2···b;k=1,2···]]>式中O(-zkfxi,-zkfyj)]]>表示與照相機(jī)陣列距離為zk的物體層被位于(xi，yj)的照相機(jī)拍照得到的倒立反轉(zhuǎn)縮小 倍的圖像，C(zkzk+fxi,zkzk+fyj)]]>表示與該物體層相對(duì)應(yīng)的被放大了 倍的編碼矩陣，二者的相關(guān)O(-zkfxi,-zkfyj)*C(zkzk+fxi,zkzk+fyj),]]>表示該物體層的圖像在編碼圖像中的分布，將所有的物體層的圖像在編碼圖像中的分布迭加起來就是整個(gè)物體的編碼圖像；④應(yīng)用計(jì)算機(jī)解碼方法，分層再現(xiàn)物體的圖像，計(jì)算機(jī)解碼的具體操作方法如下為了從編碼圖像中解碼再現(xiàn)與照相機(jī)陣列距離為zm的物體層的圖像，用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)與對(duì)應(yīng)于該物體層的編碼矩陣完全相同的解碼矩陣C(zmzm+fxi,zmzm+fyj),]]>然后用該矩陣與編碼圖像作相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果就是該物體層的解碼圖像；⑤重復(fù)如④所述的操作，調(diào)整解碼矩陣的放大率使其與物體其他的層次相對(duì)應(yīng)，依次解碼得到物體所有層次的解碼圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維成像方法，其特征在于所述的照相機(jī)是數(shù)碼相機(jī)或者普通光學(xué)照相機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維成像方法，其特征在于用數(shù)碼相機(jī)拍攝的基元圖像為基元數(shù)字圖像，這些基元數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中被合成為編碼圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維成像方法，其特征在于用普通光學(xué)照相機(jī)拍攝的照片需要轉(zhuǎn)化為基元數(shù)字圖像，這些基元數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中合成為編碼圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求3、4所述的三維成像方法，其特征在于所述的基元數(shù)字圖像大小相同。
全文摘要
一種應(yīng)用于可見光區(qū)域的三維成像方法，應(yīng)用位置編碼的照相機(jī)陣列對(duì)物體進(jìn)行拍攝記錄，照相機(jī)陣列的分布形式構(gòu)成二值編碼矩陣，該二值編碼矩陣的自相關(guān)函數(shù)近似δ函數(shù)，照相機(jī)陣列中的每一臺(tái)照相機(jī)都拍攝得到一張物體的基元圖像，將所有的基元圖像在計(jì)算機(jī)中合成為一幅編碼圖像。采用計(jì)算機(jī)解碼方法從編碼圖像中依次再現(xiàn)出不同的物體層的圖像。本發(fā)明所述的方法結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，靈活，成像記錄不受物體尺度大小的限制，有望獲得實(shí)際應(yīng)用，可望推廣至遙感、軍事等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1716088SQ20051002617
公開日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者郎海濤, 劉立人, 趙棟, 劉錫民, 潘衛(wèi)請(qǐng), 鄧紹更, 王吉明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所