[发明专利]一种消除主镜头畸变的光场相机标定方法

说明书

一种消除主镜头畸变的光场相机标定方法，将光场相机视为实现像素与光线映射的黑盒系统，将光场相机中心视点成像模型等效于经典相机模型，估计出标靶平面的姿态参数；利用相机外参矩阵，求得从光场相机每个像素出射的光线与标靶平面的交点坐标，多次变换相机与标靶相对位置产生多个交点，拟合出与像素对应的光线在三维空间中的参数方程，对光线做均匀重采样处理，消除标定误差，便得到无畸变的光场分布；基于极平面图的光场三维重构，利用对光场相机光线方程的标定与重采样，在无畸变光场中提取的极平面图，由主镜头畸变造成的线性结构变形现象被消除。本发明解决了因光场相机主镜头畸变造成的极平面图线性结构变形的问题，消除了光场相机主镜头畸变。

技术领域

本发明涉及一种用于对光场相机进行标定的方法，属于光场三维成像与测量领域。

背景技术

经典成像系统记录的是二维图像，从数学的角度看相当于空间三维信息在像面上的二维投影，目标和场景的深度信息在投影过程中被丢失掉了。如果希望更真实地还原目标，或者对目标的几何形貌、位置、内部结构等进行定量分析，则需要从二维图像中还原丢失掉的深度信息和三维结构，相关技术统称为三维成像技术。随着科学技术的不断发展和生产要求的逐步提高，三维测量技术的研究已经取得了长足的进步，以满足不断增长并日趋严格的测量需求。在社会生产需要的促进下，三维测量技术被日益广泛地应用于测绘导航、机器视觉、逆向工程、工业制造、质量控制、文物保护、生物医疗、影视娱乐等各个领域。

光场成像技术作为近年来兴起的技术，与经典成像相比，在记录光线强度之余，还记录了光线方向信息，突破了经典成像的一些局限性。这一特性也使得光场成像在三维成像与三维测量领域有了广泛的应用与更多的可能性。斯坦福计算机图形学实验室在此基础上设计出了微透镜阵列光场相机和光场显微镜。该实验室分析了全光相机的积分过程，将数字对焦过程变换到傅立叶域，应用傅立叶切片定理实现图像焦深的快速变化，并先后推出了两款消费级别的光场相机。

光场相机与传统相机相比，在传感器与主镜头之间加入了微透镜阵列，位于主镜头焦平面处，传感器位于微透镜焦平面处，在记录光线强度信息之余，还记录了光线的方向信息，使其具有了在单次曝光下提取多视点图像的功能，视点个数等于单个微透镜后传感器像素个数，单视点图像分辨率等于微透镜个数。由于光场相机边缘视点畸变模型与经典相机差别较大，使得无法对光场相机参数进行准确标定。

因光场相机的主镜头畸变会易造成极平面图线性结构变形，现有技术在当前还没有实现对光场相机畸变成功建模，尚不能解决消除光场相机主镜头畸变的问题，无法消除光场相机主镜头畸变对三维重构的影响。

发明内容

本发明针对现有光场相机存在的主镜头畸变的问题，提供一种可消除主镜头畸变的光场相机标定方法，将光场相机视为实现像素与光线映射的黑盒系统，通过对光线方程的标定与重采样，实现对光场相机主镜头畸变的消除。该方法在当前还没有对光场相机畸变成功建模的情况下，有效地消除了光场相机主镜头畸变对三维重构的影响。

本发明的消除主镜头畸变的光场相机标定方法，采用以下技术方案：

将光场相机视为实现像素与光线映射的黑盒系统，将光场相机中心视点成像模型等效于经典相机模型(针孔模型)，估计出标靶平面的姿态参数；利用相机外参矩阵(旋转平移矩阵)，求得从光场相机每个像素出射的光线与标靶平面的交点坐标，多次变换相机与标靶相对位置产生多个交点，进而拟合出与像素一一对应的光线在三维空间中的参数方程(此时认为标定出的光线方程是不受光场相机主镜头畸变影响的)，对光线做均匀重采样处理，消除标定误差，便得到无畸变的光场分布；在无畸变光场中提取极平面图，由主镜头畸变造成的极平面图中倾斜直线线性结构变形现象被消除。