[发明专利]一种紧凑的大视野光场采集系统及其分析优化方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明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。

本发明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。

本发明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。

由于本发明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。