一种紧凑的大视野光场采集系统及其分析优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种紧凑的大视野光场采集系统及其分析优化方法。系统由一个远心相机和五个抛物镜面组成，包括一个主镜面和四个辅镜面；四个辅镜面布置于与光轴垂直的同一平面上，主镜面位于中心正上方，远心相机置于主镜面正上方；通过主镜面与四个辅镜面的镜面反射在归一化图像平面上获得归一化坐标，再反向投影得到三维重构的空间坐标；根据反向投影的公式，分析测量误差从像素坐标到重构空间坐标的误差传递关系，通过仿真得到误差在空间中的分布和误差再归一化图像平面上的分布；利用系统参数的变化对误差的影响进而获得系统参数最优设计范围。本发明专利技术充分利用了多镜面之间的水平和垂直基线，结构紧凑，具有较高的光场采集效率和三维重建精度。

A compact view of light field acquisition system and optimization analysis method

The invention discloses a compact vision light field acquisition system and optimization analysis method. The system consists of a telecentric camera and five parabolic mirror, which comprises a main mirror and four auxiliary mirror; four auxiliary mirror arranged perpendicular to the optical axis on the same plane, just above the primary mirror is located in the center of the camera in the heart, far above the primary mirror; the normalized coordinates in the normalized image plane. The primary mirror and four auxiliary mirror mirror, reverse projection coordinates of 3D reconstruction; according to the reverse projection formula, analysis of measurement error from the error pixel coordinates to reconstruct spatial coordinate transfer relationship obtained through simulation error distribution and error in space and then normalized distribution image plane; influence the change of system parameters on the error and obtain the optimal design parameters. The invention makes full use of the horizontal and vertical baselines between the mirrors, and has compact structure, high light field collecting efficiency and three-dimensional reconstruction precision.

【技术实现步骤摘要】
一种紧凑的大视野光场采集系统及其分析优化方法
本专利技术涉及一种光场采集装置和方法，具体涉及了一种紧凑的大视野光场采集系统及其分析优化方法。
技术介绍
光场是空间中任意点发出的任意方向的光的集合，光场相机可以突破传统相机的限制，记录多个不同方向的光线，将记录的信息提高到四维。Levoy等人在1996年首次提出了两个平行平面参数化的四维光场函数。四维光场表示理论为研究真实场景光场信息的采集提供了理论基础。相关的研究也从不同角度提出了各种光场采集机制，并搭建了各具特色的光场采集系统。美国斯坦福大学的Vaish和Wilburn等人提出了密集摄像机阵列对真实场景实现高质量、密集视角及空间的光场信息采集。此后，斯坦福大学的R.Ng提出了基于微透镜阵列采集策略的光场相机，Lumsdaine对此进行了改进，设计出了聚焦的全光相机，基于此原理，2011年美国的Lytro公司进一步研制出了便携式Lytro光场相机。和微透镜阵列方式相比，用多个反射镜组成阵列是采集光场的另一种有效方式，同时能够克服光场相机视野窄的缺点，可以看作是单镜面全向相机的一种多视点拓展。目前采用较多的是球面镜阵列，并应用在场景重聚焦、多视角场景渲染等。同时基于多镜面图像可以进行光场采集和立体重构，因此在目标检测、场景监控、三维重建、机器人自主导航等方面都有广泛的应用。Caron等人采用了四个相同的抛物镜面，置于一个与相机等距离的平面上，构成折反射系统，用于位姿估计和机器人定位，但由于多个镜面在一个水平面上，位置变化较小，基线也很短，光场采集效率和三维重构精度都较低。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提出了一种紧凑的大视野光场采集系统及其分析优化方法，给出了采集系统的投影模型和重建方法，分析了其三维重建的精度以及误差分布，并给出了较优的系统参数选择范围。本专利技术采用一个主镜面和多个辅镜面分层排布的方式，构成一个紧凑的大视野光场采集和三维重构装置，相比于传统方法，在保持系统紧凑的前提下丰富了光场采集位置，提高了图像利用率，同时增大了基线长度，因而具有更好的三维重建效果。本专利技术采用的具体技术方案如下：一、一种紧凑的大视野光场采集系统：主要由一个远心相机和五个抛物镜面组成，五个抛物镜面包括一个主镜面和四个辅镜面；四个辅镜面以主镜面光轴为中心旋转对称方式布置于与主镜面光轴垂直的同一平面上，主镜面位于四个辅镜面形成的中心正上方，主镜面和辅镜面的光轴平行，远心相机置于主镜面的正上方并对准主镜面；通过主镜面与四个辅镜面的镜面反射采集获得景物的成像。远心相机单次拍摄的照片具有五个镜面反射的周围场景的成像，采集同一景物的光线位置和方向均不同，因此构成了光场。所述的主镜面分别与四个辅镜面构成了四对双目视觉系统，具有覆盖周围360°全景视野范围的三维重建区域。所述的五个抛物镜面具有相同的曲面形状和尺寸，即具有相同的曲率和半径，并且每个辅镜面的光轴经过主镜面边缘，远心相机和主镜面的光轴重合，即每个辅镜面的圆心正上方位于主镜面圆周边缘，抛物镜面和远心相机构成正交投影。通过上述设置，能够减少主辅镜面之间的遮挡，减少图像中的空白区域，提高像素利用率，获得充足的信息进行重构。由于本专利技术系统具有旋转不变性，主镜面与任意一辅镜面之间的成像重构方法用于表征整个系统。二、一种紧凑的大视野光场采集系统的分析优化方法，步骤如下：本专利技术系统的分析优化是根据点(x1,y1,1)、点(x2,y2,1)和空间坐标(X,Y,Z)的关系，得到测量误差从像素坐标到重构空间坐标的误差传递关系，再通过仿真得到误差在空间中的分布情况，以及误差在归一化图像平面上的分布；并根据重构误差的分布，选择误差最小的空间点通过仿真实验分析系统参数的变化对误差的影响，给出最优的系统参数选择范围。1)以主镜面焦点O1为原点建立三维坐标系O1-xyz，以主镜面的光轴为z轴，x轴沿主镜面焦点O1投影到垂直于z轴的平面上后与辅镜面焦点O2之间的连线方向，y轴沿垂直于z轴和x轴的方向；2)已知主镜面焦点O1的坐标(0,0,0)与其抛物面方程x2+y2＝-4p(z-p)，辅镜面焦点O2的坐标(BX,0,-BZ)与其抛物面方程(x-BX)2+y2＝-4p(z-BZ-p)，其中p是抛物面参数，满足主、辅抛物面具有相同的曲面形状；3)任一空间点P(X,Y,Z)分别经由主镜面焦点O1和辅镜面焦点O2的投影中心得到与主镜面的交点Q1(x1,y1,z1)以及与辅镜面的交点Q2(x2,y2,z2)，然后通过正投影映射到归一化图像平面上得到点(x1,y1,1)和点(x2,y2,1)；其中O1P与主镜面交于点Q1(x1,y1,z1)，O2P与辅镜面交于点Q2(x2,y2,z2)，Q1和Q2分别通过正交投影得到归一化图像平面上的点(x1,y1,1)和点(x2,y2,1)；4)根据点(x1,y1,1)、点(x2,y2,1)和空间坐标(X,Y,Z)的三维重构关系将空间点P(X,Y,Z)的坐标表示为以下七个参数的函数：P(X,Y,Z)＝f(p,BX,BZ,x1,x2,y1,y2)(1)其中，BX表示主镜面焦点O1和辅镜面焦点O2在沿x方向基线上之间的间距，BZ表示主镜面焦点O1和辅镜面焦点O2在沿z方向基线上之间的间距，p表示主辅镜面的抛物面参数，p、BX、BZ为系统参数；5)根据步骤1)获得的函数，针对其中的七个参数均采用以下公式计算获得空间点P(X,Y,Z)处的重构总误差△etotal：其中，△X、△Y、△Z分别表示空间点P三维坐标X、Y、Z分别在各自分量上的误差，m表示p,BX,BZ,x1,x2,y1,y2中的任意一个，δm表示参数m对应的测量误差；6)通过仿真实验获得所述系统的空间误差分布或者最优参数范围。所述步骤1)中的根据点(x1,y1,1)、点(x2,y2,1)和空间坐标(X,Y,Z)的三维重构关系具体是表示为以下公式：其中，垂直投影角φ1表示O1P与xz平面的夹角，水平投影角θ1表示O1P'与z轴的夹角，垂直投影角φ2表示O2P与xz平面的夹角，水平投影角θ2表示O2P'与z轴的夹角，P'(X,0,Z)是空间点P(X,Y,Z)投影到xO1z平面的投影点；BX表示主镜面焦点O1和辅镜面焦点O2在沿x方向基线上之间的间距，BZ表示主镜面焦点O1和辅镜面焦点O2在沿z方向基线上之间的间距，并且满足抛物镜面的半径r＝BX。根据辅镜面焦点O2的坐标，用三维重构关系实现将点(x1,y1,1)和点(x2,y2,1)反投影获得空间点P(X,Y,Z)的空间坐标。对于空间中任意一空间点P(X,Y,Z)，结合抛物面与远心相机构成的正交投影，空间点P(X,Y,Z)分别通过主镜面和一个辅镜面的两个镜面反射后映射到归一化图像平面上获得两个坐标点(x1,y1,1)和(x2,y2,1)，再采用上述公式反向投影到空间坐标获得重构空间点P(X,Y,Z)的位置实现三维重构。本专利技术三维重构时先对空间中任意一点P(X,Y,Z)，通过成像模型得到其经过两个镜面反射后的归一化图像坐标点(x1,y1,1)和(x2,y2,1)；再定义垂直投影角φ1、φ2和水平投影角θ1、θ2，结合抛物面的参数p、水平基线BX、垂直基线BZ，得到从(x1,y1,1)、(x2,y2,1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧凑的大视野光场采集系统，其特征在于：主要由一个远心相机和五个抛物镜面组成，五个抛物镜面包括一个主镜面和四个辅镜面；四个辅镜面以主镜面光轴为中心旋转对称方式布置于与主镜面光轴垂直的同一平面上，主镜面位于四个辅镜面形成的中心正上方，主镜面和辅镜面的光轴平行，远心相机置于主镜面的正上方并对准主镜面；通过主镜面与四个辅镜面的镜面反射采集获得景物的成像。

【技术特征摘要】
1.一种紧凑的大视野光场采集系统，其特征在于：主要由一个远心相机和五个抛物镜面组成，五个抛物镜面包括一个主镜面和四个辅镜面；四个辅镜面以主镜面光轴为中心旋转对称方式布置于与主镜面光轴垂直的同一平面上，主镜面位于四个辅镜面形成的中心正上方，主镜面和辅镜面的光轴平行，远心相机置于主镜面的正上方并对准主镜面；通过主镜面与四个辅镜面的镜面反射采集获得景物的成像。2.根据权利要求1所述的一种紧凑的大视野光场采集系统，其特征在于：所述的主镜面分别与四个辅镜面构成了四对双目视觉系统，具有覆盖周围360°全景视野范围的三维重建区域。3.根据权利要求1所述的一种紧凑的大视野光场采集系统，其特征在于：所述的五个抛物镜面具有相同的曲面形状和尺寸，并且每个辅镜面的光轴经过主镜面边缘，远心相机和主镜面的光轴重合，抛物镜面和远心相机构成正交投影。4.权利要求1-3任一所述的一种紧凑的大视野光场采集系统的分析优化方法，其特征在于步骤如下：1)以主镜面焦点O1为原点建立三维坐标系O1-xyz，以主镜面的光轴为z轴，x轴沿主镜面焦点O1投影到垂直于z轴的平面上后与辅镜面焦点O2之间的连线方向，y轴沿垂直于z轴和x轴的方向；2)已知主镜面焦点O1的坐标(0,0,0)与其抛物面方程x2+y2＝-4p(z-p)，辅镜面焦点O2的坐标(BX,0,-BZ)与其抛物面方程(x-BX)2+y2＝-4p(z-BZ-p)，其中p是抛物面参数；3)任一空间点P(X,Y,Z)分别经由主镜面焦点O1和辅镜面焦点O2的投影中心得到与主镜面的交点Q1(x1,y1,z1)以及与辅镜面的交点Q2(x2,y2,z2)，然后通过正投影映射到归一化图像平面上得到点(x1,y1,1)和点(x2,y2,1)；4)根据点(x1,y1,1)、点(x2,y2,1)和空间坐标(X,Y,Z)的三维重构关系将空间点P(X,Y,Z)的坐标表示为以下七个参数的函数：P(X,Y,Z)＝f(p,BX,BZ,x1,x2,y1,y2)其中，BX表示主镜面焦点O1和辅镜面焦点O2在沿x方向基线上之间的间距，BZ表示主镜面焦点O1和辅镜面焦点O2在沿z方向基线上之间的间距，p表示主辅镜面的抛物面参数，p、BX、BZ为系统参数；5)根据步骤1)获得的函数，针对其中的七个参数均采用以下公式计算获得空间点P(X,Y,Z)处的重构总误差△etotal：

【专利技术属性】
技术研发人员：罗蕾，项志宇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33