一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法，属于计算成像领域。利用聚焦型光场相机结构灵活的特点，从对光场图像的分辨率分析中，得到了光场相机内部几何参数对系统成像效果的影响情况，从而根据实际需要选取合适的系统结构参数，最大化利用已有探测器和光学结构的性能，完成系统的设计。通过几何光学原理，分析主透镜以及微透镜阵列成像关系，通过微透镜成像物像距之比决定空间、角度分辨率的分配，再结合对深度分辨率以及成像深度范围的分析，综合考虑得到聚焦型光场相机的系统设计参数。本发明专利技术提出的设计方法，可以为聚焦型光场相机在不同的应用场景提供相应的设计方案，为其在光场深度估计精度的计算方面提供理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法
本专利技术涉及计算成像领域，具体地说，涉及一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法。
技术介绍
随着计算成像领域的快速发展，近年来通过光场成像的方式获得三维信息得到了一定的关注。光场，即光在空间中辐射的场分布，是一个高维数据，因此采集到光场数据后，可以从中提取出需要的信息，例如空间中的三维信息。作为光场成像系统的代表之一，基于微透镜阵列的光场相机由E.Adelson等人于1992年提出，这个相机也被称为全光相机(PlenopticCamera)。2005年，R.Ng等人改进了工艺，使得微透镜和探测器可以直接耦合，省去了中继系统的作用，实现了手持全光相机的设计，这种结构的光场相机也被称为全光相机1.0(Plenopticcamera1.0)、标准全光相机。然而这种结构的光场相机最大化了光场图像的角度分辨率，因此限制了空间分辨率。为了解决这一问题，A.Lumsdaine和T.Georgiev提出了全光相机2.0(Plenopticcamera2.0)，也被称为聚焦型光场相机。通过改变微透镜与探测器平面的位置，聚焦型光场相机减小了光场图像的角度分辨率，相对应的提高了图像的空间分辨率。之后，公布号为CN106464789A的专利文献公开了一种混合全光相机，公布号为CN105657221A的专利文献公开了一种包括发光器件的全光相机，等等。聚焦型光场相机结构灵活，微透镜成像不同的物像距之比代表了不同的空间、角度分辨率分配，微透镜工作F数及空间分辨率又影响到了微透镜成像的景深。再考虑到聚焦型光场相机的深度估计能力与以上参数息息相关，如何设计结构才能达到最佳的三维成像能力便成为了一个至关重要的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法，对光场图像进行分辨率分析，得到了光场相机内部几何参数对系统成像效果的影响情况，可以根据实际需要选取合适的系统结构参数，最大化利用已有探测器和光学结构的性能设计出聚焦型光场相机。为了实现上述目的，本专利技术提供的聚焦型光场相机系统的参数设计方法包括：根据聚焦型光场相机结构特点与分辨率分配，得到深度分辨率与系统参数的关系；得到满足深度分辨率要求时，系统各参数之间的影响关系，并由此确定系统各参数的数值。上述技术方案中，根据聚焦型光场相机结构特点与分辨率分配，通过多视角立体匹配原理得出其深度分辨率与系统参数的关系，得到满足深度分辨率要求时，系统各参数之间的影响关系。其中在深度分辨率分析过程中，还需涉及深度范围的分析。在分析时，涉及到的重要参数包括：探测器像素尺寸p，艾里斑半径rs，微透镜孔径d，微透镜焦距f，微透镜平面到探测器平面的距离B，中间像平面到微透镜平面的距离a，主透镜焦距fL，主透镜平面到微透镜平面的距离l0，物距aL。在得到了系统基本参数后，本专利技术系统参数设计方法的具体步骤包括：1)确定聚焦型光场相机空间分辨率与角度分辨率的分配关系；2)分析基于多视角立体匹配原理进行深度计算的限制因素；3)根据衍射效应，取有效最小分辨率尺寸，得到中间像空间深度范围的表达式；4)根据需要的物空间成像范围，选择主透镜焦距，确定符合要求的中间像空间深度范围，得到微透镜的参数要求；5)进行深度分辨率分析。可选地，步骤1)中，空间分辨率与角度分辨率的分配关系为空间分辨率等于探测器像素数除以角度分辨率。根据系统结构特征，中间像点被微透镜阵列成像的个数即为光场图像的角度分辨率，那么其空间分辨率即为探测器像素数除以角度分辨率，可见聚焦型光场相机的分辨率随成像物面位置变化而变化。可选地，步骤2)中，所述的限制因素为中间像面至少被2个微透镜成像，因此可计算的中间像空间深度范围为：RD＝[2B,∞)。可选地，步骤3)中，所述的有效最小分辨率尺寸为：s＝max(rs,p)，则中间像面前后景深分别为：则景深范围为：因此，中间像空间深度范围的表达式为：可选地，步骤4)中，根据需要的物空间成像范围，选择合适的主透镜焦距，便可得到要求的中间像空间深度范围。因为一般考虑中间像是处于大于2B位置处的，因此聚焦型光场相机的中间像深度范围直接由微透镜的景深得到，则微透镜景深大小可近似为：由此得到确定成像范围和主透镜焦距下，清晰成像的微透镜设计需满足上式的参数要求。可选地，步骤5)中，深度分辨率由立体匹配原理计算得到，由微透镜成像关系，微透镜工作F数，主透镜焦距，物距，以及探测器像素尺寸确定。可选地，在一个实施例中，步骤5)中，根据三角关系和薄透镜成像原理可得：由此得到中间像面到微透镜平面的距离：将中间像面的深度关系转换到主透镜物空间，得到场景的深度信息，设被摄物体到主透镜距离，即物距为aL，主透镜焦距为fL，则有：l0代表主透镜到微透镜的距离；那么，所以，最小可分辨距离为：Δx为像素大小，并改写得：可见，深度分辨率主要由微透镜成像关系(也即空间分辨率)，微透镜工作F数，主透镜焦距，物距，以及探测器像素尺寸确定。其中，空间分辨率与深度分辨率相互约束，而空间分辨率和工作F数同时影响了微透镜的景深大小，也造成了对深度分辨率的约束。此外，由于衍射效应，工作F数又收到了像素尺寸的制约。与现有技术相比，本专利技术的有益之处在于：本专利技术在传统聚焦型光场相机的设计方法基础之上，结合图像空间、角度、深度分辨率因素，提出了影响成像各因素的限制条件，从理论上为聚焦型光场相机系统的设计提出了指导方案，使得系统的设计可以更有效地考虑到需要的成像效果。此外，本专利技术对光场图像深度分辨率做了详细地推导，可以根据实际应用场景对系统做更细致的结构设计，从而使得设计的系统更加合理有效。附图说明图1为本专利技术实施例的聚焦型光场相机中，基于多视角立体匹配原理进行深度计算时的限制因素的示意图；图2为本专利技术实施例中微透镜成像空间中，计算中间像空间前后景深的示意图；其中(a)为微透镜后景深计算示意图，(b)为微透镜前景深计算示意图；图3为本专利技术实施例中基于立体匹配原理，对聚焦型光场相机进行深度分辨率分析计算的示意图；图4为本专利技术实施例中聚焦型光场相机成像物距和深度分辨率的关系曲线图，其中“o”标注曲线代表0.5mm直径的微透镜，“+”标注曲线代表0.3mm直径的微透镜，“*”标注曲线代表0.1mm直径的微透镜。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本专利技术作进一步说明。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。除非另外定义，本专利技术使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属领域内具有一般技能的人士所理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法，其特征在于，包括：/n根据聚焦型光场相机结构特点与分辨率分配，得到深度分辨率与系统参数的关系；得到满足深度分辨率要求时，系统各参数之间的影响关系，并由此确定系统各参数的数值。/n

【技术特征摘要】
1.一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法，其特征在于，包括：
根据聚焦型光场相机结构特点与分辨率分配，得到深度分辨率与系统参数的关系；得到满足深度分辨率要求时，系统各参数之间的影响关系，并由此确定系统各参数的数值。


2.根据权利要求1所述的聚焦型光场相机系统的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定聚焦型光场相机空间分辨率与角度分辨率的分配关系；
2)分析基于多视角立体匹配原理进行深度计算的限制因素；
3)根据衍射效应，取有效最小分辨率尺寸，得到中间像空间深度范围的表达式；
4)根据需要的物空间成像范围，选择主透镜焦距，确定符合要求的中间像空间深度范围，得到微透镜的参数要求；
5)进行深度分辨率分析。


3.根据权利要求2所述的聚焦型光场相机系统的参数设计方法，其特征在于，步骤1)中，空间分辨率与角度分辨率的分配关系为空间分辨率等于探测器像素数除以角度分辨率。


4.根据权利要求2所述的聚焦型光场相机系统的参数设计方法，其特征在于，步骤2)中，所述的限制因素为中间像面至少被2个微透镜成像，因此可计算的中间像空间深度范围为：
RD＝[2B,∞)，B为微透镜平面到探测器平面的距离。


5.根据权利要求4所述的聚焦型光场相机系统的参数设计方法，其特征在于，步骤3)中，所述的有效最小分辨率尺寸为：
s＝max(rs,p)，
其中，rs为艾里斑半径，p为探测器像素尺寸...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭，朱斐越，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33