一种光场距离估计方法技术

一种光场距离估计方法，包括：S1、标定成像系统并拍摄光场图像；S2、对光场图像进行重聚焦；S3、用距离估计模型获取重聚焦光场图像上待估计物体所在平面到成像系统距离的初始估计值；S4、获取成像系统参数，建立成像模型，模拟得到成像系统在初始估计值下的点扩散函数；S5、将点扩散函数和重聚焦光场图像反卷积得到待估计物体进一步清晰的光场图像；S6、采用距离估计模型来获取步骤S5得到的光场图像上待估计物体所在平面到成像系统的距离的估计值，并根据该估计值更新点扩散函数；S7、判断步骤S6得到的估计值是否满足收敛条件，若是则输出距离估计结果；若否，则以更新的点扩散函数和步骤S5得到的光场图像作为步骤S5中反卷积的对象，返回步骤S5。

An optical field distance estimation method

A method of optical field distance estimation: S1, calibration of imaging system and light field image; S2, re focusing on light field image; S3, with a distance estimation model acquisition focus light field image to estimate the object plane to the imaging system the initial estimate of S4, obtain the imaging system parameters; the establishment of imaging model, simulated imaging system in the initial estimate of the point spread function; S5, point spread function and focusing light field image deconvolution to obtain the estimation of object further clear light field image; S6, the distance estimation model to obtain the optical field image obtained in step S5 to estimate the object's location the plane to the estimated distance of the imaging system, and update the point spread function according to the estimated values; S7, and estimate whether the value obtained in step S6 to meet the convergence condition, if the output distance The results are estimated; if not, the light field images obtained by the updated point diffusion function and step S5 are used as the object of the deconvolution in step S5 and return to step S5.

【技术实现步骤摘要】
一种光场距离估计方法
本专利技术涉及计算机视觉与数字图像处理领域，具体涉及一种光场距离估计方法。
技术介绍
相机中使用的透镜都存在固有的、不可完全消除的光学像差，虽然通过缩小镜头光圈能够减小像差，但同时也会降低相机的通光量，导致成像质量下降。现有相机大多通过使用复杂透镜组来减小像差，如市面上的单反相机。虽然单反相机能够拍摄高分辨率、高质量的图像，但其使用的透镜组不仅会增加生产成本，还会增大相机自身的体积和重量，同时多个透镜还需要高精度的配准。光场相机因其能够获取场景的多维信息，在计算机视觉、机器人等领域得到广泛应用，其中利用光场进行测距逐渐成为研究者们关注的课题。光场相机也是通过使用镜头组来减小像差，且其在镜头组与传感器之间插入了一块微透镜阵列，因此可以记录物体的位置与方向信息。毋庸置疑，使用镜头组势必会增加光场相机的成本和体积，非常不便于携带。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提出一种光场距离估计方法，该方法能够在一定精度范围内估计出物体到成像系统的实际距离，同时提高距离估计的精度。本专利技术为达上述目的所提出的技术方案如下：一种光场距离估计方法，包括以下步骤S1至S7：S1、对光场成像系统进行标定，并拍摄初始光场图像；S2、对所述初始光场图像进行重聚焦，以使初始光场图像聚焦到进行所述标定时得到的聚焦面上，形成重聚焦光场图像；S3、采用距离估计模型来获取所述重聚焦光场图像上待估计物体所在平面到光场成像系统的距离的初始估计值；S4、获取光场成像系统的参数，建立成像模型，模拟得到光场成像系统在所述初始估计值下的点扩散函数；S5、将所述点扩散函数和所述重聚焦光场图像进行反卷积，得到所述待估计物体进一步清晰的光场图像；S6、采用所述距离估计模型来获取步骤S5得到的光场图像上待估计物体所在平面到光场成像系统的距离的估计值，并根据该估计值更新所述点扩散函数；S7、判断步骤S6得到的估计值是否满足预设的收敛条件，若是，则输出所述待估计物体的距离估计结果；若否，则以步骤S6更新的点扩散函数和步骤S5得到的光场图像作为步骤S5中反卷积的对象，返回步骤S5。本专利技术提出的上述光场距离估计方法，首先将待处理的光场图像进行重聚焦，再对重聚焦的图像(具体是对待估计物体)进行不断地清晰化以及不断的距离估计，其中每迭代一次就更新一次点扩散函数和清晰化一次光场图像，使得距离估计值不断地逼近真实的距离值，最终得到在一定精度范围内，光场图像上待估计物体到光场成像系统的实际距离(而现有技术只能估计物体的相对远近程度)。更进一步地，所述光场成像系统包括主镜头、微透镜阵列和传感器；其中，主镜头为一个单透镜，单透镜与微透镜阵列之间的距离固定，微透镜阵列与传感器之间的距离为单个微透镜的焦距。使用单透镜替代传统的镜头组，可以降低光场成像系统的体积和成本，即便单镜头的像差较镜头组的严重，但本专利技术的距离估计方法中采用反卷积操作可以去模糊，消除成像系统中单镜头带来的不良影响。更进一步地，步骤S1中进行所述标定具体包括：S11、获取微透镜阵列的中心在传感器上的位置；S12、获取光场成像系统当前聚焦面所在的位置，测得当前聚焦面与主镜头之间的距离。更进一步地，步骤S4中获取的所述参数包括主镜头的入瞳直径和焦距、单个微透镜的直径和焦距、主镜头与微透镜阵列之间的距离以及传感器的分辨率和像素大小。更进一步地，步骤S4中利用波动光学模拟得到光场成像系统在红光、绿光和蓝光三种波长下的点扩散函数，传播方法为菲涅尔衍射、角谱定理或带限角谱定理。更进一步地，步骤S4中的成像模型为Ib＝IsH+N'，其中：Ib为步骤S2中得到的重聚焦光场图像所展成的矩阵，Is表示步骤S5中进行反卷积后得到的光场图像所展成的矩阵，H为所述点扩散函数所展成的矩阵，N’为光场成像系统的噪声。更进一步地，步骤S5中进行反卷积时使用的优化模型为其中：c＝1,2,3分别表示红、绿、蓝三通道，Isc为对应通道下进行反卷积后得到的光场图像所展成的矩阵，Hc为对应通道的点扩散函数所展成的矩阵，Ibc为步骤S2中得到的重聚焦光场图像的对应通道下所展成的矩阵。更进一步地，步骤S7中所述的收敛条件为|dj-dj-1|≤ε，其中j＝1,2,3,4,5……，ε为根据估计精度要求预先设定的阈值，dj表示经步骤S6得到的最新的估计值，当该估计值满足所述收敛条件时，输出的所述距离估计结果为(dj+dj-1)/2；当j＝1时，表示第一次执行步骤S6，此时dj-1＝d0为所述初始估计值。附图说明图1是本专利技术一种具体实施方式提供的光场距离估计方法的流程图；图2是本专利技术建立的成像模型示意图。具体实施方式下面结合附图和优选的实施方式对本专利技术作进一步说明。本专利技术的具体实施方式提供一种光场距离估计方法，参考图1，包括以下步骤S1至S7：步骤S1、对光场成像系统进行标定，并拍摄初始光场图像。在优选的实施例中，为了使光场成像系统(或称光场相机)的体积更小和成本更低，其包括只用一个单透镜构成的主镜头、微透镜阵列和传感器，其中，单透镜与微透镜阵列之间的距离固定，微透镜阵列与传感器之间的距离为单个微透镜的焦距。当然也可以是其它构成形式的光场成像系统，只要能够拍摄得到光场图像即可。对光场相机进行标定主要包括以下内容1)和2)：1)获取微透镜阵列的中心在传感器上的位置，具体方法为：放置一块白板或白纸于校正后的成像系统前，对其进行拍摄得到白板或白纸的光场图像。在每个微透镜直径大小的范围内，找到强度值最大的像素所在的位置，即为每个微透镜的中心。该步的目的是为了对后续拍摄的光场图像进行校正。2)获取光场成像系统当前聚焦面所在的位置，测得该聚焦面与主镜头之间的距离，具体方法为：固定主镜头与微透镜阵列之间的距离，在主镜头前放置一激光器、衰减片以及放大物镜，衰减后的激光射入放大物镜，随后发散传播，且以发散角度能覆盖主镜头的入瞳直径依次射入主镜头、微透镜阵列，到达传感器。同时移动激光器、衰减片以及放大物镜，使得传感器上的光斑达到最小。此时放大物镜的出口与主镜头之间的距离为成像系统聚焦面所在的位置。步骤S2、对前述步骤S1中采用标定好的成像系统拍摄得到的初始光场图像进行重新聚焦，重新聚焦的目的是使初始光场图像聚焦到预定的聚焦面上，形成重聚焦光场图像，此处预定的聚焦面是指在步骤S1中进行标定时得到的聚焦面。步骤S3、采用距离估计模型来获取所述重聚焦光场图像上待估计物体所在平面到光场成像系统的距离的初始估计值d0。步骤S4、获取光场成像系统的参数，建立成像模型，利用波动光学模拟得到光场成像系统在所述初始估计值下的点扩散函数。传播方法可以采用但不局限于菲涅尔衍射、角谱定理或带限角谱定理。通过后述的公式(1)至(8)推导可得到分别对应于红、绿、蓝三通道的点扩散函数(后述的公式(9))。此步骤中需要获取的所述参数包括主镜头的入瞳直径D和焦距Fmain、单个微透镜的直径d和焦距fmicro、主镜头与微透镜阵列之间的距离l以及传感器的分辨率w×h和像素大小pitch。接着，如图2所示，建立物平面、单透镜、微透镜阵列和传感器坐标系，分别为(ξ,η)、(u,v)、(x,y)和(s,t)。传播方法以使用菲涅尔衍射为例，假设点光源位于物平面坐标系中的某一点(ξ0,η0)处，则该点光源在物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光场距离估计方法，包括以下步骤S1至S7：S1、对光场成像系统进行标定，并拍摄初始光场图像；S2、对所述初始光场图像进行重聚焦，以使初始光场图像聚焦到进行所述标定时得到的聚焦面上，形成重聚焦光场图像；S3、采用距离估计模型来获取所述重聚焦光场图像上待估计物体所在平面到光场成像系统的距离的初始估计值；S4、获取光场成像系统的参数，建立成像模型，模拟得到光场成像系统在所述初始估计值下的点扩散函数；S5、将所述点扩散函数和所述重聚焦光场图像进行反卷积，得到所述待估计物体进一步清晰的光场图像；S6、采用所述距离估计模型来获取步骤S5得到的光场图像上待估计物体所在平面到光场成像系统的距离的估计值，并根据该估计值更新所述点扩散函数；S7、判断步骤S6得到的估计值是否满足预设的收敛条件，若是，则输出所述待估计物体的距离估计结果；若否，则以步骤S6更新的点扩散函数和步骤S5得到的光场图像作为步骤S5中反卷积的对象，返回步骤S5。

【技术特征摘要】
1.一种光场距离估计方法，包括以下步骤S1至S7：S1、对光场成像系统进行标定，并拍摄初始光场图像；S2、对所述初始光场图像进行重聚焦，以使初始光场图像聚焦到进行所述标定时得到的聚焦面上，形成重聚焦光场图像；S3、采用距离估计模型来获取所述重聚焦光场图像上待估计物体所在平面到光场成像系统的距离的初始估计值；S4、获取光场成像系统的参数，建立成像模型，模拟得到光场成像系统在所述初始估计值下的点扩散函数；S5、将所述点扩散函数和所述重聚焦光场图像进行反卷积，得到所述待估计物体进一步清晰的光场图像；S6、采用所述距离估计模型来获取步骤S5得到的光场图像上待估计物体所在平面到光场成像系统的距离的估计值，并根据该估计值更新所述点扩散函数；S7、判断步骤S6得到的估计值是否满足预设的收敛条件，若是，则输出所述待估计物体的距离估计结果；若否，则以步骤S6更新的点扩散函数和步骤S5得到的光场图像作为步骤S5中反卷积的对象，返回步骤S5。2.如权利要求1所述的光场距离估计方法，其特征在于：所述光场成像系统包括主镜头、微透镜阵列和传感器；其中，主镜头为一个单透镜，单透镜与微透镜阵列之间的距离固定，微透镜阵列与传感器之间的距离为单个微透镜的焦距。3.如权利要求2所述的光场距离估计方法，其特征在于：步骤S1中进行所述标定具体包括：S11、获取微透镜阵列的中心在传感器上的位置；S12、获取光场成像系统当前聚焦面所在的位置，测得当前聚焦面与主镜头之间的距离。4.如权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：金欣，陈艳琴，戴琼海，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44