CN102300113B - 基于稀疏摄像机阵列的集成成像微图像阵列生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于稀疏摄像机阵列的集成成像微图像阵列生成方法，该方法包括稀疏摄像机阵列获取视差图像和视差图像转换为微图像阵列两个步骤，稀疏摄像机阵列由个数远远小于所需图像元个数的摄像机组成二维阵列对三维场景进行拍摄，获取视差图像，像素映射将视差图像上的像素映射到微图像阵列上，获取的微图像阵列即可用于集成成像再现。

Description

基于稀疏摄像机阵列的集成成像微图像阵列生成方法

技术领域

本发明涉及集成成像技术，更具体地说，本发明涉及集成成像微图像阵列生成技术。

背景技术

集成成像是一种真三维立体显示技术，能重建出三维场景的全真立体图像。如附图1所示，重建出的立体图像包含全真色彩以及连续的视差信息，观看者无需佩戴辅助设备就可获得观看真实景物的感觉，且没有立体观看视疲劳。然而集成成像的片源即微图像阵列包含丰富的立体信息，数据量极大，目前还没有较为简单的获取方法。

从集成成像技术提出开始，常采用纯光学的方法来获取微图像阵列。在微透镜阵列的焦平面上附上一层感光胶片，如附图2所示。在记录时，用漫射光照射三维场景，被三维场景反射的光线由微透镜阵列折射，然后到达微透镜阵列焦平面的感光胶片上，感光胶片就记录下了微图像阵列。该方法显然比较繁琐，并且由于透镜元的像差和感光胶片的混浊，获取的微图像阵列的质量通常非常差。

随着照相技术的发展，人们用超高分辨率的摄像机代替感光胶片来获取微图像阵列，如附图3所示。采用摄像机就可以实现视频的实时记录。但是这种方法仍然不能消除透镜元的像差问题，并且微图像阵列的数据量巨大，满足要求的超高分辨率摄像机成本太高，且无法实现较大三维场景的记录。

随着计算机技术的快速发展，衍生出了计算机获取微图像阵列的方法，用计算机建模软件建立三维场景，然后用软件建立摄像机阵列来模拟微透镜阵列的成像过程，如附图4所示。该方法在计算机中生成微图像阵列，避免了前两种光学记录法中透镜元像差和感光胶片混浊等导致图像质量下降的问题。但是一个摄像机代替一个透镜元来获取一个图像元，需要的图像元的分辨率一般是几十乘以几十，那就大大地浪费了一个摄像机的记录分辨率，并且需要数以万计的摄像机来代替透镜元，计算机需要处理数以万计的摄像机及其图像元，处理过程太过复杂。

发明内容

本发明提出基于稀疏摄像机阵列的集成成像微图像阵列生成方法，该方法包括稀疏摄像机阵列获取视差图像和视差图像转换为微图像阵列两个步骤。

所述稀疏摄像机阵列获取视差图像，如附图5所示，稀疏摄像机阵列由个数远远小于所需图像元个数的摄像机组成二维阵列对三维场景进行拍摄，获取视差图像。稀疏摄像机阵列包含M×N个摄像机，各摄像机光轴互相平行，各摄像机平行等间距排列，相邻摄像机的间距为d，摄像机焦距为f ₁。稀疏摄像机阵列中的每个摄像机都拍摄整个三维场景，得到M×N幅视差图像，每幅视差图像的分辨率等于所需微图像阵列的图像元个数M′×N′。确定所需微图像阵列包含M′×N′个图像元，图像元的分辨率为r×r；微透镜阵列也包含M′×N′个透镜元，透镜元的焦距为f ₂，图像元和透镜元的节距相等，都为p。在三维场景中选择一个参考平面，该参考平面与稀疏摄像机阵列的距离为L。根据所需的凹凸显示效果来确定参考平面与稀疏摄像机阵列的距离L，拍摄时，三维场景中与稀疏摄像机阵列的距离小于L的物体，在显示时将浮出显示设备外；三维场景中与稀疏摄像机阵列的距离大于L的物体，在显示时将凹进显示设备里。

优选地，为了满足稀疏摄像机阵列获取的视差图像包含集成成像微图像阵列所需的全部信息，相邻摄像机的间距d以及稀疏摄像机阵列包含的摄像机个数M×N需满足下式

                                                                       (1)

                                                                  (2)

                                                                   (3)

所述视差图像转换为微图像阵列的原理如附图6所示，I(m, n) _m′, n′ 表示第m列第n行视差图像上第m′列第n′行的像素，该像素映射到微图像阵列的第m′列第n′行图像元上第i′列第j′行的像素位置上，由I′(m′, n′) _i′, j′ 表示。像素映射的数学关系为

                                             (4)

其中，

                      (5)

                        (6)

式中m、n、m′、n′是循环变量，分别将m在1-M范围内，n在1-N范围内，m′在1- M′范围内, n′在1- N′范围内循环取值，就能将M×N幅视差图像的所有像素映射到微图像阵列上，获取的微图像阵列即可用于附图1所示的集成成像再现。

优选地，当计算出的i′或j′值大于图像元在一维方向上的分辨率r时，则舍弃该像素，以避免相邻图像元间的串扰。

附图说明

附图1为集成成像的再现装置示意图。

附图2为传统的采用感光胶片和微透镜阵列获取微图像阵列的原理示意图。

附图3为采用超高分辨率摄像机和微透镜阵列获取微图像阵列的原理示意图。

附图4为采用摄像机阵列获取微图像阵列的原理示意图。

附图5为本发明的稀疏摄像机阵列获取视差图像的原理示意图。

附图6为本发明的视差图像转换为微图像阵列的原理示意图。

上述附图中的图示标号为：

1微图像阵列，2微透镜阵列，3三维场景，4感光胶片，5超高分辨率摄像机，6摄像机阵列，7稀疏摄像机阵列，8 M×N幅视差图像，9第m列第n行的视差图像，10第m列第n行的视差图像上的第m′列第n′行的像素I(m, n) _m′, n′ ，11微图像阵列上第m′列第n′行的图像元，12第m′列第n′行的图像元上的第i′列第j′行的像素I′(m′, n′) _i′, j′ 。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面详细说明利用本发明基于稀疏摄像机阵列的集成成像微图像阵列生成方法的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

确定所需微图像阵列包含120×90个图像元，图像元的分辨率为15×15；微透镜阵列也包含120×90个透镜元，透镜元的焦距为f ₂=3mm，图像元和透镜元的节距相等，都为p=1.27mm。在三维场景中选择一个参考平面，该参考平面与稀疏摄像机阵列的距离为L。根据所需的凹凸显示效果来确定参考平面与稀疏摄像机阵列的距离L=270mm，拍摄时，三维场景中与稀疏摄像机阵列的距离小于270mm的物体，在显示时将浮出显示设备外；三维场景中与稀疏摄像机阵列的距离大于270mm的物体，在显示时将凹进显示设备里。根据式(1)、(2)和(3)计算出稀疏摄像机阵列需35×30个摄像机，各摄像机光轴互相平行，各摄像机平行等间距排列，相邻摄像机的间距为d=7.6mm，摄像机焦距为f ₁=50mm。稀疏摄像机阵列中的每个摄像机都拍摄整个三维场景，得到35×30幅视差图像，每幅视差图像的分辨率等于所需微图像阵列的图像元个数120×90。

I(m, n) _m′, n′ 表示第m列第n行视差图像上第m′列第n′行的像素，该像素映射到微图像阵列的第m′列第n′行图像元上第i′列第j′行的像素位置上，由I′(m′, n′) _i′, j′ 表示。像素映射的数学关系为

，其中，

，

，式中m、n、m′、n′是循环变量，分别将m在1-35范围内，n在1-30范围内，m′在1-120范围内, n′在1-90范围内循环取值，就能将35×30幅视差图像的所有像素映射到微图像阵列上。当计算出的i′或j′值大于图像元在一维方向上的分辨率15时，则舍弃该像素，以避免相邻图像元间的串扰。获取的微图像阵列即可用于附图1所示的集成成像再现。

Claims (2)

1.基于稀疏摄像机阵列的集成成像微图像阵列生成方法，其特征在于，该方法包括稀疏摄像机阵列获取视差图像和视差图像转换为微图像阵列两个步骤，其中，

稀疏摄像机阵列由个数远远小于所需图像元个数的摄像机组成二维阵列对三维场景进行拍摄，获取视差图像，稀疏摄像机阵列包含M×N个摄像机，各摄像机光轴互相平行，各摄像机平行等间距排列，相邻摄像机的间距为d，摄像机焦距为f₁，稀疏摄像机阵列中的每个摄像机都拍摄整个三维场景，得到M×N幅视差图像，每幅视差图像的分辨率等于所需微图像阵列的图像元个数M′×N′，确定所需微图像阵列包含M′×N′个图像元，图像元的分辨率为r×r；微透镜阵列也包含M′×N′个透镜元，透镜元的焦距为f₂，图像元和透镜元的节距相等，都为p，在三维场景中选择一个参考平面，该参考平面与稀疏摄像机阵列的距离为L，根据所需的凹凸显示效果来确定参考平面与稀疏摄像机阵列的距离L，拍摄时，三维场景中与稀疏摄像机阵列的距离小于L的物体，在显示时将浮出显示设备外；三维场景中与稀疏摄像机阵列的距离大于L的物体，在显示时将凹进显示设备里，

为了满足稀疏摄像机阵列获取的视差图像包含集成成像微图像阵列所需的全部信息，相邻摄像机的间距d以及稀疏摄像机阵列包含的摄像机个数M×N需满足，

$M=\frac{r{f}_2{M}^{\′}+\mathrm{Lr}}{L},$ $N=\frac{r{f}_2{N}^{\′}+\mathrm{Lr}}{L},$

视差图像转换为微图像阵列的原理如下，I(m,n)_m′,n′表示微图像阵列中第m列第n行视差图像上第m′列第n′行的像素，该像素映射到微图像阵列的第m′列第n′行图像元上第i′列第j′行的像素位置上，由I′(m′,n′)_i′,j′表示，像素映射的数学关系为I′(m′,n′)_i′,j′=I(m,n)_{m′,n′，其}中 $i^{\′}=\mathrm{round}(r/2+\frac{f_{2}r(M/2-m+1)d+(M^{\′}/2-m^{\′}-1)p}{\mathrm{pL}}),$ $j^{\′}=\mathrm{round}(r/2+\frac{f_{2}r(N/2-n+1)d+(N^{\′}/2-n^{\′}-1)p}{\mathrm{pL}}),$ 式中m、n、m′、n′是循环变量，分别将m在1-M范围内，n在1-N范围内，m′在1-M′范围内,n′在1-N′范围内循环取值，就能将M×N幅视差图像的所有像素映射到微图像阵列上，获取的微图像阵列即可用于集成成像再现。

2.根据权利要求1所述的基于稀疏摄像机阵列的集成成像微图像阵列生成方法，其特征在于，当计算出的i′或j′值大于图像元在一维方向上的分辨率r时，则舍弃该像素，以避免相邻图像元间的串扰。

Images