基于光场成像的三维测量方法技术

本发明专利技术公开了基于光场成像的三维测量方法，涉及光场成像应用技术领域，基于光场成像技术，获取深度信息需要对光场图像信息作重聚焦处理，得到清晰成像面的位置，计算得到相机系统对目标景物所成像的像距，遍历物体每一部分，得到物体深度信息，完成三维测量。本发明专利技术的方法可以定性和定量地对尺寸适当、具有规则形状变化的物体进行三维测量。

Three dimensional measurement method based on optical field imaging

The invention discloses a three-dimensional measurement method based on optical field imaging, which relates to the application field of optical field imaging technology. Based on optical field imaging technology, it is necessary to refocus the optical field image information to obtain the depth information, obtain the position of the clear image plane, calculate the image distance of the camera system to the target scene, and traverse the object. Each part gets the depth information of the object and completes the three-dimensional measurement. The method of the invention can qualitatively and quantitatively measure an object with proper size and regular shape change.

【技术实现步骤摘要】
基于光场成像的三维测量方法
本专利技术涉及光场成像应用
，尤其是基于光场成像的三维测量方法。
技术介绍
近年来，三维形貌恢复广泛应用于军事、航空航天、车辆、机械等领域。与此同时，光场理论也在突飞猛进地发展。区别于传统的“所见即所得”，光场成像作为一种计算机成像技术，需要经过数字图像重聚焦算法才可得到。其最基本的原理就是光场理论。利用光场理论进行三维测量的方法较其他方法优势明显。光场数据包含整个场景中的所有光线的位置和方向信息；聚焦是一个计算的过程，可以在曝光之后对未对焦的平面重聚焦；在不超过最大合成孔径的前提下，孔径大小任意，只需要在计算过程中使用不同的窗口函数，因而景深可调；计算过程相当于对多幅图像进行平均化处理，信噪比大大提高；得到光场图像之后，只需直接对光场图像进行处理、分析，即可进行三维测量。光场重聚焦是基于光场三维测量的基础。光场重聚焦是通过对光场数据进行光线位置和方向的再计算得到的，因此需要对光场数据进行快速而准确地处理。经过重聚焦变换的光场数据，是由光“场”变换到光“面”的过程，即使严密的重聚焦算法，也无法避免出现光线能量的损失和偏移，因此需要图像处理的方法进行弥补。
技术实现思路
本专利技术提出的基于光场成像的三维测量方法，可以定性和定量地对尺寸适当、具有规则形状变化的物体进行三维测量。本专利技术的技术方案是这样实现的：基于光场成像的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、光场成像，利用光场相机获取图像的位置信息和方向信息，所述光场相机的透镜与CCD图像传感器之间设有微透镜阵列；步骤2、光场重聚焦，包括以下步骤：步骤21，将获得的位置信息和方向信息转化为标准的光场描述；步骤22，进行光场变换，对当前微透镜阵列所在平面的光场进行变换，改变成像平面的位置；步骤23，光场变换到图像，对于任何一个光场变换到图像，实质都是对光线的积分；步骤3、深度信息的获取，包括以下步骤：步骤31，对光场图像进行数字重聚焦，得到同一场景的图像序列；步骤32，利用清晰度评价函数，找到测量物体各部分成像最清晰的位置；步骤33，转换运算即可得到深度信息。步骤4、三维测量，经过重聚焦、清晰度评价、物体深度信息二维矩阵，即可完成对物体的三维测量。本专利技术通过提供的基于光场成像的三维测量方法，其有益效果在于：实现光场图像重聚焦，然后选择清晰度评价函数和插值法，建立与光场成像相适合的评价和优化系统，完成对焦测距，最后采用修正的算术均值滤波对深度图进行优化，完成三维测量。该方法可以定性和定量地对尺寸适当、具有规则形状变化的物体进行三维测量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的三维测量流程图；图2为本专利技术的光场成像示意图；图3为透镜阵列空间复用原理图；图4为光场的参数化示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本实施例提供基于光场成像的三维测量方法，基于光场成像技术，获取深度信息需要对光场图像信息作重聚焦处理，得到清晰成像面的位置，计算得到相机系统对目标景物所成像的像距，遍历物体每一部分，得到物体深度信息，完成三维测量，具体流程如图1所示，具体步骤如下：步骤1、光场成像，利用光场相机获取图像的位置信息和方向信息。光场相机的透镜与CCD图像传感器之间设有微透镜阵列，如图2、3所示，依靠在透镜和CCD图像传感器之间添加的微透镜阵列，光线穿过微透镜阵列到达CCD图像传感器，与二者的交点分别为(Mpx，Mpy)和(Ipx，Ipy)，位置信息已经记录；同一条光线，将二者对应坐标相减，可得到偏移量，既光线的方向信息。这样，不仅记录了场景光线的位置信息，同时记录其方向信息。步骤2、光场重聚焦。光场从一个平面传递到另一个共轴的平行平面时，它的位置坐标(u，v)可以表示为：式中:[u，v]代表透镜阵列所在的平面位置，[s，t]表示方向信息。将光场变换进行建模。开放空间中，4D光场就可以简化为2个平面：一个显示光线的位置信息[u，v]T，另一个显示光线的角度信息[s，t]T。故光场表达如图4所示。一条光线与两平面分别相交于O和Od。OO'与两平面垂直。因此，第1个平面上的O点就表示位置信息[u，v]T，而向量O'Od表示方向信息[s，t]T。由此可得，光线OOd可以表示为[u，v，s，t]T。包括以下步骤：步骤21，将获得的位置信息和方向信息转化为标准的光场描述；考虑到像素尺寸大小pix，微透镜焦距fm，光场的方向描述[s，t]T可由下得到：光场位置描述[u，v]T可由透镜中心的像素坐标([gridx，gridy]T)转换得到：由此可得到标准光场描述：其中，相机已给出像素尺寸大小和透镜阵列的焦距。步骤22，进行光场变换，对当前微透镜阵列所在平面的光场进行变换，改变成像平面的位置；步骤23，光场变换到图像，对于任何一个光场变换到图像，实质都是对光线的积分，对沿入射角方向投射到整个半球面上的相同位置的光线进行积分，因此，方向信息(s，t)可以忽略。步骤3、深度信息的获取，深度信息是指物体在清晰成像时，物体与主透镜之间的物距。包括以下步骤：步骤31，对光场图像进行数字重聚焦，得到同一场景的图像序列；步骤32，利用清晰度评价函数，找到测量物体各部分成像最清晰的位置。本实施例选择相对成熟的于Sobel-Tenengrad灰度评价函数，具有很好的无偏性、单峰性、鲁棒性和单调性；步骤33，转换运算即可得到深度信息，利用重聚焦变换得到清晰成像面位置，对图像质量有一定要求。因此，在处理光场图像时，采用三角质心插值法，提高成像质量。具体做法是，首先搜索当前位置(xi'，yj')附近最邻近的4个微透镜，得到(xi，yj)(xi+1，yj)(xi，yj+1)(xi+1，yj+1)。然后构造delaugy三角-先找到与本点最接近的三角点，再找到与本三角点相邻的所有的三角点，在这些相邻点中找到与目标点最接近的4个角点作线性插值，或者找到最接近的3个角点进行三角质心插值。为了便于实现，直接进行二维插值，把相同方向、位置不同的数据抽取出来，组成一个Y行X列的二维插值算法。如果是三通道，则三通道分别进行二维插值。步骤4、三维测量，经过重聚焦、清晰度评价、物体深度信息二维矩阵，即可完成对物体的三维测量。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例而已，并不用以限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于光场成像的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、光场成像，利用光场相机获取图像的位置信息和方向信息，所述光场相机的透镜与CCD图像传感器之间设有微透镜阵列；步骤2、光场重聚焦，包括以下步骤：步骤21，将获得的位置信息和方向信息转化为标准的光场描述；步骤22，进行光场变换，对当前微透镜阵列所在平面的光场进行变换，改变成像平面的位置；步骤23，光场变换到图像，对于任何一个光场变换到图像，实质都是对光线的积分；步骤3、深度信息的获取，包括以下步骤：步骤31，对光场图像进行数字重聚焦，得到同一场景的图像序列；步骤32，利用清晰度评价函数，找到测量物体各部分成像最清晰的位置；步骤33，转换运算即可得到深度信息。步骤4、三维测量，经过重聚焦、清晰度评价、物体深度信息二维矩阵，即可完成对物体的三维测量。

【技术特征摘要】
1.基于光场成像的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、光场成像，利用光场相机获取图像的位置信息和方向信息，所述光场相机的透镜与CCD图像传感器之间设有微透镜阵列；步骤2、光场重聚焦，包括以下步骤：步骤21，将获得的位置信息和方向信息转化为标准的光场描述；步骤22，进行光场变换，对当前微透镜阵列所在平面的光场进行变换，改变成像平面的位置；步骤23...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：上海盟云移软网络科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31