CN102164298B - 全景成像系统中基于立体匹配的元素图像获取方法 - Google Patents

全景成像系统中基于立体匹配的元素图像获取方法 Download PDF

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CN102164298B CN201110129182A CN201110129182A CN102164298B CN 102164298 B CN102164298 B CN 102164298B CN 201110129182 A CN201110129182 A CN 201110129182A CN 201110129182 A CN201110129182 A CN 201110129182A CN 102164298 B CN102164298 B CN 102164298B
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Abstract

本发明涉及一种全景成像系统中基于立体匹配的元素图像获取方法，属于立体显示领域。使用CCD相机阵列做为全景成像系统的空间图像获取方式，将采集得到的多幅不同视点图像，基于立体匹配原理转换生成用于全景成像系统显示的2D元素图像集合。这和全景成像系统中传统采集设备——微透镜阵列采集得到的图像形式一样，便于与普通的全景成像系统显示设备兼容，可以完全消除全景成像系统以微透镜阵列获取三维空间场景图像时存在的交叉干扰。

Description

全景成像系统中基于立体匹配的元素图像获取方法
技术领域
本发明属于立体显示领域。
背景技术
全景成像integral imaging技术是一种通过微透镜阵列来记录和显示3D空间场景信息的图像技术。图1展现了现有的全景成像系统的采集和显示部分。
如图1(a)所示，采集部分包括微透镜阵列和采集设备如CCD相机，3D物空间场景通过微透镜阵列被CCD相机采集；每个微透镜都从不同的方向记录一部分物体空间，相应生成的一幅幅小图被称为元素图像，有多少个微透镜就有多少个相应的元素图像，所以CCD相机采集的空间场景的3D信息就是一系列2D元素图像集合。显示部分中，把2D元素图像集合放在具有同样参数的显示微透镜阵列后，相应的微透镜阵列把许许多多“元素图像”透射/反射出来的光线聚集后可还原出原来的3D空间, 如图1(b)所示。
全景成像系统具有连续视点和在空间上形成真实的立体图像等优势，但其采集的元素图像之间存在交叉干扰问题，也就是光线通过微透镜阵列被记录时，相邻的元素图像在交界位置会出现重叠现象，这降低了3D图像的显示质量，也影响了观察者正确感知场景深度的能力。另外，当采集微透镜阵列与显示微透镜阵列光学参数不匹配时会出现图像畸变、显示质量严重劣化现象。目前，很多研究试图解决全景成像系统的交叉干扰问题，如运动透镜阵列技术、使用渐变折射率透镜等，但这些方法只能在一定程度内减小交叉干扰，并且额外所需要的光学部件和机械运动不易实现。 
发明内容
本发明提出了一种全景成像系统中基于立体匹配的元素图像获取方法，以解决传统全景成像系统中采集的元素图像之间存在交叉干扰的问题。
本发明采取的技术方案包括下列步骤：
（一）、在全景成像系统中采用高分辨率的CCD相机作为空间场景图像的采集设备，将                                                
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE001
个CCD相机构成阵列放置于同一平面内，每两个水平或垂直相邻的相机镜头中心的距离B，获得
Figure 382694DEST_PATH_IMAGE001
幅不同视点的高分辨率图像；
（二）、根据全景系统中显示设备的光学参数、该光学参数包括：显示微透镜阵列为个微透镜成方形排列，透镜焦距为
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE003
，透镜宽度为
Figure 790859DEST_PATH_IMAGE004
，将
Figure 616601DEST_PATH_IMAGE001
幅多视点图像转换为适用于显示微透镜阵列的2D元素图像集合，转换过程如下： 
(1) 对相邻的两幅视图进行基于区域的立体匹配，根据相邻两幅图像中匹配像素点对的视差，计算该物体点深度和世界坐标；按照同样方法，可以计算空间场景的各点的世界坐标，从而重构空间场景的三维立体图像；计算物空间某点深度和世界坐标的方法如下：
使两个CCD相机坐标系统的各对应轴平行，将世界坐标系叠加到第一个CCD相机坐标系上，使两系统原点重合，对应坐标轴重合，而第一个CCD相机的像平面坐标与相机的XY坐标重合；如图2所示，两个相机镜头的焦距为
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE005
，空间场景中某点W的世界坐标为
Figure 74127DEST_PATH_IMAGE006
，该点形成的两个像平面坐标点为
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 154079DEST_PATH_IMAGE008
；
根据上述坐标设定，由第一个像平面的几何关系可得：
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE009
                 (1)
根据第二个像平面的几何关系可得：
Figure 524011DEST_PATH_IMAGE010
         (2)
由式(1)、(2)得到
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE011
              (3)
式(3)右边的绝对值等于视差的绝对值，令视差绝对值用d表示，则
Figure 853362DEST_PATH_IMAGE012
                   (4)
根据式(4)，可以利用已知的基线距离B、焦距
Figure 583420DEST_PATH_IMAGE005
和匹配像素点之间的视差
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE013
，计算W点的Z坐标，然后借助式（1）、（2），根据
Figure 767146DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 557247DEST_PATH_IMAGE008
计算得到W点的世界坐标X和Y；
（2）利用全景成像系统中显示微透镜阵列的光学参数，建立虚拟的同样参数的采集微透镜阵列，将步骤（1）中重构的三维立体图像作为空间场景，根据微透镜阵列成像过程，计算机生成相应的2D元素图像集合。
下面简单说明计算机生成2D元素图像集合的基本原理。坐标系设置如图4所示，图4中的坐标轴与图2中的坐标轴平行，但两图中的原点位置可以为了计算简便而设置不同，此时，只要将步骤(1)中获得的空间点世界坐标按照系统实际参数转换到本坐标系下即可。如将坐标系
Figure 579747DEST_PATH_IMAGE014
的原点设置在图2中XYZ坐标系的
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE015
处，所以步骤（1）中重构的某空间点坐标（
Figure 916182DEST_PATH_IMAGE016
）转换到坐标系
Figure 346026DEST_PATH_IMAGE014
中即为
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE017
。
在坐标系
Figure 384389DEST_PATH_IMAGE014
中，设虚拟透镜阵列与原始图像成像平面的距离为g，虚拟透镜阵列与XY平面平行，其右下角放置于
Figure 925092DEST_PATH_IMAGE018
处。若重构的某物体点Q坐标为
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE019
，经过不同的微透镜会在元素图像成像平面形成对应元素图像的像素点。例如点Q经过某个微透镜（如
Figure 880147DEST_PATH_IMAGE020
方向的第个、方向的第
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE023
个），在该微透镜对应的元素图像中形成了一个像素点，坐标为
Figure 537710DEST_PATH_IMAGE024
，坐标值可由式（5）、（6）计算得到。
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE025
               (5)
Figure 898416DEST_PATH_IMAGE026
               (6)
利用已知的空间点Q的坐标
Figure 927552DEST_PATH_IMAGE019
、微透镜宽度P、微透镜在
Figure 964778DEST_PATH_IMAGE020
、方向的序号
Figure 594659DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 727569DEST_PATH_IMAGE023
，就可计算出元素图像集合中的对应像素点坐标
Figure 201276DEST_PATH_IMAGE024
，因此能够得到点Q经过不同微透镜在对应元素图像中的位置，按照同样方法，可以得到重构的物空间各点经过微透镜阵列形成的相应元素图像中像素点的具体位置，从而获得2D元素图像集合。
本发明提出一种全景成像系统中基于立体匹配的元素图像获取方法，不使用传统的微透镜阵列，而是使用CCD相机阵列做为全景成像系统的空间图像获取方式，将采集得到的多幅不同视点图像，基于立体匹配原理转换生成用于全景成像系统显示的2D元素图像集合。这和全景成像系统中传统采集设备——微透镜阵列采集得到的图像形式一样，便于与普通的全景成像系统显示设备兼容。与传统采集方式相比，本发明的空间场景获取方式具有显著的技术效果：
（1）由于光学元件的限制，采用微透镜阵列采集空间场景存在元素图像的交叉干扰缺点。但是本发明中采用CCD相机作为采集设备，并用数字图像处理方法转换为2D元素图像集合，完全消除了元素图像之间的交叉干扰。
（2）传统的全景成像系统要求采用同样参数的采集微透镜阵列和显示微透镜阵列，如果两个微透镜阵列参数不匹配，立体图像显示质量严重恶化。本发明则解决了这个问题，因为在多视点图像到2D元素图像集合的转换过程中，已经考虑了显示微透镜阵列的光学参数，获取的2D元素图像集合完全适用于显示微透镜阵列。
综上所述，本发明的空间场景图像获取方法既可以完全消除全景成像系统以微透镜阵列获取三维空间场景图像时存在的交叉干扰，又可以解决传统全景成像系统中，采集微透镜阵列与显示微透镜阵列光学参数不匹配时出现的图像畸变、显示质量严重劣化的弊端，从而实现高质量的三维立体显示。
附图说明
图1a是全景成像系统的采集部分示意图；
图1b是全景成像系统的显示部分示意图；
图2是平行双目成像中的视差图；
图3是计算某空间点的世界坐标流程图；
图4是计算机生成2D元素图像集合的坐标系设置；
图5a是本发明全景成像系统的采集部分示意图；
图5b是本发明全景成像系统的显示部分示意图。
具体实施方式
（一）、在全景成像系统中采用高分辨率的CCD相机作为空间场景图像的采集设备，将
Figure 639211DEST_PATH_IMAGE001
个CCD相机构成阵列放置于同一平面内，每两个水平或垂直相邻的相机镜头中心的距离B，获得
Figure 590986DEST_PATH_IMAGE001
幅不同视点的高分辨率图像；
（二）、根据全景系统中显示设备的光学参数、该光学参数包括：显示微透镜阵列为
Figure 594714DEST_PATH_IMAGE002
个微透镜成方形排列，透镜焦距为
Figure 724475DEST_PATH_IMAGE003
，透镜宽度为
Figure 180864DEST_PATH_IMAGE004
，将
Figure 405172DEST_PATH_IMAGE001
幅多视点图像转换为适用于显示微透镜阵列的2D元素图像集合，转换过程如下： 
(1) 对相邻的两幅视图进行基于区域的立体匹配，根据相邻两幅图像中匹配像素点对的视差，计算该物体点深度和世界坐标；按照同样方法，可以计算空间场景的各点的世界坐标，从而重构空间场景的三维立体图像；计算物空间某点深度和世界坐标的方法如下：
使两个CCD相机坐标系统的各对应轴平行，将世界坐标系叠加到最右列第一个CCD相机坐标系上，使两系统原点重合，对应坐标轴重合，而第一个CCD相机的像平面坐标与相机的XY坐标重合；如图2所示，最右列上面两个相机镜头的焦距为
Figure 263407DEST_PATH_IMAGE005
，空间场景中某点W的世界坐标为
Figure 78916DEST_PATH_IMAGE006
，该点形成的两个像平面坐标点为
Figure 271869DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 565447DEST_PATH_IMAGE008
；
根据上述坐标设定，由第一个像平面的几何关系可得：
Figure 747030DEST_PATH_IMAGE009
                 (1)
根据第二个像平面的几何关系可得：
Figure 733440DEST_PATH_IMAGE010
         (2)
由式(1)、(2)得到
              (3)
式(3)右边的绝对值等于视差的绝对值，令视差绝对值用d表示，则
Figure 12423DEST_PATH_IMAGE012
                   (4)
根据式(4)，可以利用已知的基线距离B、焦距和匹配像素点之间的视差，计算W点的Z坐标，然后借助式（1）、（2），根据
Figure 124101DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 228324DEST_PATH_IMAGE008
计算得到W点的世界坐标X和Y；总结计算某空间点世界坐标的工作流程如图3所示。
（2）利用全景成像系统中显示微透镜阵列的光学参数，建立虚拟的同样参数的采集微透镜阵列，将步骤（1）中重构的三维立体图像作为空间场景，根据微透镜阵列成像过程，计算机生成相应的2D元素图像集合。
下面简单说明计算机生成2D元素图像集合的基本原理。坐标系
Figure 915657DEST_PATH_IMAGE014
设置如图4所示，图4中的坐标轴与图2中的坐标轴平行，但两图中的原点位置可以为了计算简便而设置不同，此时，只要将步骤(1)中获得的空间点世界坐标按照系统实际参数转换到本坐标系下即可。如将坐标系
Figure 504856DEST_PATH_IMAGE014
的原点设置在图2中XYZ坐标系的处，所以步骤（1）中重构的某空间点坐标（
Figure 818343DEST_PATH_IMAGE016
）转换到坐标系中即为。
在坐标系
Figure 955429DEST_PATH_IMAGE014
中，设虚拟透镜阵列与原始图像成像平面的距离为g，虚拟透镜阵列与XY平面平行，其右下角放置于
Figure 683345DEST_PATH_IMAGE018
处。若重构的某物体点Q坐标为
Figure 345271DEST_PATH_IMAGE019
，设虚拟透镜阵列与元素图像成像平面的距离为g，物空间点Q坐标为
Figure 15286DEST_PATH_IMAGE019
，经过不同的微透镜会在元素图像成像平面形成对应元素图像的像素点。例如点Q经过某个微透镜（如
Figure 598714DEST_PATH_IMAGE020
方向的第
Figure 379589DEST_PATH_IMAGE021
个、
Figure 145288DEST_PATH_IMAGE022
方向的第
Figure 986205DEST_PATH_IMAGE023
个），在该微透镜对应的元素图像中形成了一个像素点，坐标为
Figure 56929DEST_PATH_IMAGE024
，坐标值可由式（5）、（6）计算得到。
Figure 641495DEST_PATH_IMAGE025
               (5)
Figure 12433DEST_PATH_IMAGE026
               (6)
利用已知的空间点Q的坐标
Figure 493093DEST_PATH_IMAGE019
、微透镜宽度P、微透镜在
Figure 67425DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 455681DEST_PATH_IMAGE022
方向的序号
Figure 681126DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 332687DEST_PATH_IMAGE023
，就可计算出元素图像集合中的对应像素点坐标
Figure 909162DEST_PATH_IMAGE024
，因此能够得到点Q经过不同微透镜在对应元素图像中的位置，按照同样方法，可以得到重构的物空间各点经过微透镜阵列形成的相应元素图像中像素点的具体位置，从而获得2D元素图像集合。
使用本发明作为空间场景图像获取方式的全景成像系统结构如图5所示。
下面详细说明将CCD相机阵列采集的多幅高分辨率图像转换为2D元素图像集合的方法。
系统中图像采集设备采用3×3个CCD相机，每个相机镜头的焦距为
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE027
，水平或垂直方向上相邻两个镜头中心间的连线即基线长度为
Figure 84797DEST_PATH_IMAGE028
。显示微透镜阵列的每个微透镜成方形排列，包括
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE029
个微透镜，透镜焦距为
Figure 695907DEST_PATH_IMAGE030
，透镜宽度为
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE031
，显示微透镜阵列与元素图像之间的距离
Figure 315107DEST_PATH_IMAGE032
。
(1) 对采集的9幅图像中相邻的两幅视图进行基于区域的立体匹配，找到两幅图像的对应像素点，计算像素点对的视差。若一对匹配像素点在最右列的第一、第二个像平面内的X、Y坐标分别为
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 395190DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 859669DEST_PATH_IMAGE036
；则该像素点对在X轴方向的视差为：
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE037
根据式（4）计算该物体点深度：
  
根据式（1）计算：
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE039
     
所以，该物体点的世界坐标为
Figure 630234DEST_PATH_IMAGE040
。
（2）利用全景成像系统中显示微透镜阵列的光学参数，建立虚拟的同样参数的采集微透镜阵列，将步骤（1）中重构的三维立体图像作为空间场景，根据微透镜阵列成像过程，计算机生成相应的2D元素图像集合。下面根据物体点Q的世界坐标计算它在一个元素图像中的成像位置，其余物体点在元素图像成像平面中的各元素图像中的位置可以类似获得。坐标系
Figure 650142DEST_PATH_IMAGE014
设置如图4所示，图4中的、
Figure 707277DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE041
轴与图2中的
Figure 684592DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 457376DEST_PATH_IMAGE044
轴平行，为计算方便，将图4中的原点设置在图2中的
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE045
处（因为48个微透镜的宽度是
Figure 309663DEST_PATH_IMAGE046
），虚拟微透镜阵列右下角放于
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE047
位置，所以步骤(1)中获得的空间点世界坐标
Figure 218713DEST_PATH_IMAGE048
转换为坐标系
Figure 350617DEST_PATH_IMAGE014
中的数值，即为
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE049
。
步骤（1）中空间点Q坐标为
Figure 627009DEST_PATH_IMAGE040
，转换为图4的
Figure 502561DEST_PATH_IMAGE014
坐标应为
Figure 538DEST_PATH_IMAGE050
，经过不同的微透镜会在元素图像成像平面形成对应元素图像的像素点，如经
Figure 37764DEST_PATH_IMAGE020
方向的第36（
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE051
）、
Figure 565567DEST_PATH_IMAGE022
方向的第5（
Figure 448072DEST_PATH_IMAGE052
）个微透镜形成对应的像素点，根据式（5）、（6）计算出该像素点在元素图像集合平面内的坐标为
Figure 2011101291829100002DEST_PATH_IMAGE053
。以此类推，可以得到重构的空间物体点经过微透镜阵列在对应元素图像中形成像素点的具体位置，从而获得2D元素图像集合。

Claims (1)

1.一种全景成像系统中基于立体匹配的元素图像获取方法，其特征在于包括下列步骤：
（一）、在全景成像系统中采用高分辨率的CCD相机作为空间场景图像的采集设备，将                                                个CCD相机构成阵列放置于同一平面内，每两个水平或垂直相邻的相机镜头中心的距离B，获得
Figure 658958DEST_PATH_IMAGE001
幅不同视点的高分辨率图像；
（二）、根据全景成像系统中显示设备的光学参数，该光学参数包括：显示微透镜阵列为
Figure 438695DEST_PATH_IMAGE002
个微透镜成方形排列，透镜焦距为
Figure 771588DEST_PATH_IMAGE003
，微透镜宽度为
Figure 585960DEST_PATH_IMAGE004
，将
Figure 346105DEST_PATH_IMAGE001
幅多视点图像转换为适用于显示微透镜阵列的2D元素图像集合，转换过程如下： 
(1) 对相邻的两幅视图进行基于区域的立体匹配，根据相邻两幅图像中匹配像素点对的视差，计算物体点深度和世界坐标；按照同样方法，计算空间场景的各点的世界坐标，从而重构空间场景的三维立体图像；计算物空间某点深度和世界坐标的方法如下：
使两个CCD相机坐标系统的各对应轴平行，将世界坐标系叠加到第一个CCD相机坐标系上，使两系统原点重合，对应坐标轴重合，而第一个CCD相机的像平面坐标与相机的XY坐标重合；两个相机镜头的焦距为
Figure 613139DEST_PATH_IMAGE005
，空间场景中某点W的世界坐标为，该点形成的两个像平面坐标点为
Figure 848960DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 842323DEST_PATH_IMAGE008
；
根据上述坐标设定，由第一个像平面的几何关系可得：
Figure 534336DEST_PATH_IMAGE009
                 (1)
根据第二个像平面的几何关系可得：
Figure 271348DEST_PATH_IMAGE010
         (2)
由式(1)、(2)得到
Figure 732416DEST_PATH_IMAGE011
              (3)
式(3)右边的绝对值等于视差的绝对值，令匹配像素点之间的视差绝对值用
Figure 162260DEST_PATH_IMAGE012
表示，则
Figure 341569DEST_PATH_IMAGE013
                   (4)
根据式(4)，可以利用已知的基线距离B、焦距和匹配像素点之间的视差绝对值
Figure 696382DEST_PATH_IMAGE012
，计算W点的Z坐标，然后借助式（1）、（2），根据
Figure 969231DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 698153DEST_PATH_IMAGE008
计算得到W点的世界坐标X和Y；
（2）利用全景成像系统中显示微透镜阵列的光学参数，建立虚拟的同样参数的采集微透镜阵列，将步骤（1）中重构的三维立体图像作为空间场景，根据微透镜阵列成像过程，计算机生成相应的2D元素图像集合，该计算机生成2D元素图像集合包括下列步骤：
设置坐标系
Figure 714650DEST_PATH_IMAGE014
，其原点设置在步骤（1）中XYZ坐标系的
Figure 150311DEST_PATH_IMAGE015
处，所以步骤（1）中重构的某空间点坐标（
Figure 921958DEST_PATH_IMAGE016
）转换到坐标系
Figure 308815DEST_PATH_IMAGE014
中即为
Figure 191320DEST_PATH_IMAGE017
；
在坐标系
Figure 481487DEST_PATH_IMAGE014
中，设虚拟透镜阵列与原始图像成像平面的距离为g，虚拟透镜阵列与XY平面平行，其右下角放置于
Figure 424035DEST_PATH_IMAGE018
处；若重构的某物体点Q坐标为
Figure 799653DEST_PATH_IMAGE019
，经过不同的微透镜会在元素图像成像平面形成对应元素图像的像素点，当点Q经过某个微透镜时，
Figure 157953DEST_PATH_IMAGE020
方向的第
Figure 630523DEST_PATH_IMAGE021
个、方向的第
Figure 105421DEST_PATH_IMAGE023
个，在该微透镜对应的元素图像中形成了一个像素点，坐标为
Figure 267412DEST_PATH_IMAGE024
，坐标值可由式（5）、（6）计算得到：
Figure 328909DEST_PATH_IMAGE025
               (5)
               (6)
利用已知的空间点Q的坐标
Figure 901153DEST_PATH_IMAGE019
、微透镜宽度P、微透镜在
Figure 929152DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 552812DEST_PATH_IMAGE022
方向的序号
Figure 742485DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 579991DEST_PATH_IMAGE023
，就可计算出元素图像集合中的对应像素点坐标
Figure 146101DEST_PATH_IMAGE024
，因此能够得到点Q经过不同微透镜在对应元素图像中的位置，按照同样方法，得到重构的物空间各点经过微透镜阵列形成的相应元素图像中像素点的具体位置，从而获得2D元素图像集合。
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