压缩光场的物理重建方法技术

本发明专利技术提供的压缩光场的物理重建方法，包括(1)通过计算机生成多个随机矩阵，将随机矩阵组成大矩阵，将大矩阵打印到胶片上，生成物理掩膜；(2)将物理掩膜作为采集对象，通过移动设置在相机前的光阑获取掩膜图像，每个掩膜图像为一个投影矩阵pi；通过对获取的投影矩阵pi获取测量矩阵Φ；(3)将物理掩膜放置在相机的成像透镜之前形成掩膜相机，使用该掩膜相机拍摄一张编码图像，作为测量值y；(4)获取稀疏基Ψ和稀疏向量α；(5)通过压缩感知进行原始信号f的重建。本发明专利技术将掩膜放置在普通工业相机镜头前，通过一次拍摄，也可以实现多视角光场的重建。相比于掩膜放在相机镜头和CCD之间，该方法便利性更好，可以更容易实现掩膜相机。

Physical reconstruction of compressed light field

Light squeezing physical reconstruction method provided by the invention, including (1) generates a random matrix by computer, the random matrix matrix, the matrix print on the film, generate physical mask; (2) physical mask as a collection of objects, by moving the mask image in the set to get in front of the camera aperture, each mask image is a projection matrix PI; based on the projection matrix PI obtained with measurement matrix; (3) physical mask placed forming a mask before the camera lens of the camera, using the camera to take a picture encoding mask image, as a measurement value (Y; 4) to obtain sparse matrix and sparse vector psi alpha; (5) to reconstruct the original signal f by compressed sensing. In the present invention, the mask is placed in front of a common industrial camera lens, and the reconstruction of a multi view light field can be achieved by taking a shot at one time. Compared with the mask placed between the camera lens and the CCD, the method is more convenient and can be easier to implement the mask camera.

【技术实现步骤摘要】
压缩光场的物理重建方法
本专利技术涉及一种光场的重建方法，尤其涉及一种压缩光场的物理重建方法。
技术介绍
空间中每一个点和每一个方向的辐射函数总和就是光场，然而光场数据很大，为光场的存储，传输带来了诸多不便。1936年Gershun提出光场的概念，1992年Adelson将提出了计算机视觉下的全光场理论，1996年Levory将光场进行参数化。表示目前采集光场的方法主要有Ng专利技术的微透镜阵列式手持式光场相机、斯坦福大学相机阵列以及掩膜光场相机。相机阵列采用多个相机对同一个目标同时拍摄，但是其结构庞大，照价昂贵。微透镜方法是在传统相机的传感器前放置微透镜对光线再次分割成像以记录入射光线的强度和方向信息，但它是以牺牲图像的空间分辨率换取角度分辨率，即CCD分辨率在一定的情况下，虽然能获取更多的视角图像，却降低了图像的空间分辨率。这两种光场获取的方法都面临着庞大的光场数据的存储、传输以及计算带来的诸多不便。光场记录所有信息，但是光场海量庞大的数据量为解决光场数据量大，用来计算带来的麻烦，2013年麻省理工大学的KshitijMarwah将掩膜放置在成像透镜和CCD之间构造出一个掩膜相机。通过光场样本的过完备字典训练学习，利用压缩感知理论，实现了采集一次图像通过计算恢复出多视角光场。该方法是在普通相机内部加一个掩膜来对入射光线进行调制，它是一种高分辨率、高信噪比光场成像技术，它利用掩膜采集压缩光场结合压缩感知理论实现光场重建，可以利用重建出的光场实现重聚焦、深度估计以及三维重建等技术。在一定程度上解决了光场数据量大带来的问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种掩膜相机制作简单、光场重建效果好的压缩光场重建方法，以解决现有技术存在的问题。本专利技术采用以下技术方案：压缩光场的物理重建方法，包括：(1)通过计算机生成多个随机矩阵，将随机矩阵组成大矩阵，将大矩阵打印到胶片上，生成物理掩膜；(2)将物理掩膜作为采集对象，通过移动设置在相机前的光阑获取掩膜图像，每个掩膜图像为一个投影矩阵pi；通过对获取的投影矩阵pi获取测量矩阵Φ；其中，i∈(1，N)，N为正整数；(3)将物理掩膜放置在相机的成像透镜之前形成掩膜相机，使用该掩膜相机拍摄一张编码图像，作为测量值y；(4)获取稀疏基Ψ和稀疏向量α；(5)通过压缩感知进行原始信号f的重建：f＝Ψαy＝ΦΨα＝Θα，其中Θ是传感矩阵，表示测量矩阵Φ与稀疏基Ψ的乘积。所述步骤(2)中，测量矩阵Φ＝[Φ1Φ2…Φq](Φi＝diag(Pi11Pi12…Pimm))；其中，Φi表示移动光阑时采集的视角i的掩膜，即第i个掩膜；diag(Pi11Pi12…Pimm)表示对角元素为Pi11Pi12…Pimm的对角矩阵；m表示第i个掩膜中像素的坐标，q表示重建视角数，P表示采集的投影矩阵。所述步骤(4)中，通过K-SVD算法训练学习得到稀疏基Ψ；则重建的数学模型表达为：minα||α||1subjecttoy＝Θα，其中测量值y和传感矩阵Θ采用l1范数优化得到稀疏向量α，再由稀疏基Ψ与稀疏向量α相乘最终获得原始信号f。获取光场样本集后，训练光场过完备字典满足下式：其中，Ek是字典稀疏基Ψ除去第k列之外与光场样本集合的残差；ψk代表稀疏基Ψ的第K列，表示ψk所对应的稀疏系数；||||F代表弗罗贝尼乌斯范数，即F范数；为使对Ek进行SVD分解得到的是一个稀疏向量，上式可写为：其中，wk是光场样本集{fi}中使用了字典原子ψk的光场图像块，Ωk是一个大小为N×|wk|的矩阵，在(wk(i),i)处为1，其它处为0，N为光场样本集的个数。本专利技术的有益效果：将掩膜放置在普通工业相机镜头前，通过一次拍摄，也可以实现多视角光场的重建。相比于掩膜放在相机镜头和CCD之间，该方法便利性更好，可以更容易实现掩膜相机。附图说明图1为掩膜相机模型。图2中(a)是物理掩摸，(b)是投影矩阵，(c)是测量矩阵。图3为直接生成的等同图像空间分辨率为352×536的随机矩阵。图4为每次只生成等同分割块大小8×8的随机矩阵，之后用多次生成的8×8大小随机矩阵组合成大小为352×536作为测量矩阵。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术首先指出了物理掩膜从理论到的物理实现的过程，同时简化了掩膜相机的光路设计，方便相机结构的调节。然后使用该物理掩膜和相机获取光场的图像后，通过获取测量矩阵、稀疏基以及测量值，使用压缩感知的方法重建原始信号。在掩膜相机中掩膜起到测量矩阵的作用，实现光场图像的压缩采样，但在物理光场采集平台中没有测量矩阵，因此需要实现物理掩膜到测量矩阵的转换，转换后，通过压缩感知理论即可进行光场数据的重建。本专利技术的实现过程可表述为：(1)通过计算机生成多个随机矩阵，将随机矩阵组成大于需要重建的图像矩阵的大矩阵，将大矩阵打印到胶片上，生成物理掩膜；(2)将物理掩膜作为采集对象，通过移动设置在相机前的光阑获取掩膜图像，截取部分掩膜图像，截取大小为y，截取的掩膜图像的大小等于重构出的多视角光场子图像大小。每个掩膜图像为一个投影矩阵pi；通过对获取的投影矩阵pi的转换获取测量矩阵Φ；其中，i∈(1，N)，N为正整数；即首先把制作好的物理掩膜放置在CCD前，物理掩膜放置镜头前，光阑放置镜头和掩膜之间；然后在相机的主镜头前放置可精确移动的光阑，每次精确移动获取不同视角下的掩膜图像。该步中，使用白板背景，掩膜作为采集对象能够更好的获取掩膜图像。(3)将物理掩膜放置在相机的成像透镜之前形成掩膜相机，使用该掩膜相机拍摄一张编码图像，作为测量值y；(4)获取稀疏基Ψ和稀疏向量α；(5)通过压缩感知进行原始信号f的重建：f＝Ψαy＝ΦΨα＝Θα，其中Θ是传感矩阵，表示测量矩阵Φ与稀疏基Ψ的乘积。上述步骤1中，可使用计算机中的matlab算法生成多个8*8随机矩阵，将多个随机矩阵组成和需要的图像大小一样的矩阵，将这个大矩阵打印到菲林胶片上，生成物理掩膜，该物理掩膜与测量矩阵对应。测量矩阵具体来说，是从物理掩膜的不同空间位置分割得到的，将物理掩膜作为采集对象的前提下，通过移动光阑获得不同视角下的掩膜图像，对对应的投影矩阵进行变换可得到测量矩阵：Φ＝[Φ1Φ2…Φq](Φi＝diag(Pi11Pi12…Pimm))。Φi表示移动光阑时采集的视角i的掩膜，即第i个掩膜；diag(Pi11Pi12…Pimm)表示对角元素为Pi11Pi12…Pimm的对角矩阵；m表示第i个掩膜中像素的坐标，q表示重建视角数，P表示采集的投影矩阵。。如果要重构出的是个5*5视角的图像，每个图像对应一个测量矩阵，此时，测量矩阵为：Φ＝[Φ1Φ2…Φ25](Φi＝diag(Pi11Pi12…Pimm))。如果重构出3*3视角，则Φ＝[Φ1Φ2…Φ9](Φi＝diag(Pi11Pi12…Pimm))。如图1所示的掩膜相机，为本专利技术的掩膜相机，将掩膜图像设置在相机的透镜前部，经过一次拍摄，也可以实现多视角光场的重建，相比于现有的放置在CCD与成像透镜之间，不仅能达到相同的结果，而且操作便利，更容易实现掩膜相机。针对上述过程的具体实施例，本专利技术的光场重建过程详细描述如下：(1)压缩感知的光场重建压缩感知是一种新的采样理论，可以突破奈奎斯特采样定律以本文档来自技高网...

【技术保护点】
压缩光场的物理重建方法，其特征在于，包括：(1)通过计算机生成多个随机矩阵，将随机矩阵组成大矩阵，将大矩阵打印到胶片上，生成物理掩膜；(2)将物理掩膜作为采集对象，通过移动设置在相机前的光阑获取掩膜图像，每个掩膜图像为一个投影矩阵pi；通过对获取的投影矩阵pi获取测量矩阵Φ；其中，i∈(1，N)，N为正整数；(3)将物理掩膜放置在相机的成像透镜之前形成掩膜相机，使用该掩膜相机拍摄一张编码图像，作为测量值y；(4)获取稀疏基Ψ和稀疏向量α；(5)通过压缩感知进行原始信号f的重建：f＝Ψαy＝ΦΨα＝Θα，其中Θ是传感矩阵，表示测量矩阵Φ与稀疏基Ψ的乘积。

【技术特征摘要】
1.压缩光场的物理重建方法，其特征在于，包括：(1)通过计算机生成多个随机矩阵，将随机矩阵组成大矩阵，将大矩阵打印到胶片上，生成物理掩膜；(2)将物理掩膜作为采集对象，通过移动设置在相机前的光阑获取掩膜图像，每个掩膜图像为一个投影矩阵pi；通过对获取的投影矩阵pi获取测量矩阵Φ；其中，i∈(1，N)，N为正整数；(3)将物理掩膜放置在相机的成像透镜之前形成掩膜相机，使用该掩膜相机拍摄一张编码图像，作为测量值y；(4)获取稀疏基Ψ和稀疏向量α；(5)通过压缩感知进行原始信号f的重建：f＝Ψαy＝ΦΨα＝Θα，其中Θ是传感矩阵，表示测量矩阵Φ与稀疏基Ψ的乘积。2.根据权利要求1所述的压缩光场的物理重建方法，其特征在于：所述步骤(2)中，测量矩阵Φ＝[Φ1Φ2…Φq](Φi＝diag(Pi11Pi12…Pimm))；其中，Φi表示移动光阑时采集的视角i的掩膜，即第i个掩膜；diag(Pi11Pi12…Pimm)表示对角元素为Pi11Pi12…Pimm的对角矩阵；m表示第i个掩膜中像素的坐标，q表示重建视角数，P表示采集的投影矩阵。3.根据权利要求1所述的压缩光场的物理重建，其特征在于：所述步骤(4)中，通过K-SVD算法训练学习得到稀疏基Ψ；则重建的数学模型表达为：minα||α||1subjecttoy＝Θα，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓旻，王前程，牛原野，马治邦，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41