CN102722080A - 一种基于多镜头拍摄的多用途立体摄像方法 - Google Patents

一种基于多镜头拍摄的多用途立体摄像方法 Download PDF

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Abstract

本发明主要公开了一种基于多镜头拍摄的立体摄像方法，一、采用主摄像头与辅助摄像头进行同步对焦；二、对主摄像头与辅助摄像头取图；三、对所取的图像进行计算，获得深度图；四、通过结合深度图与主摄像头的高清图产生立体效果；五、通过用户对立体效果进行调节；六、输出立体图像。本发明不受场地局限，有效防止图像出现严重的立体错误，应用于智能手机等便携设备中，使其拥有高质量的电脑视觉功能，拥有很大的扩展性。

Description

一种基于多镜头拍摄的多用途立体摄像方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术，特别与一种基于多镜头拍摄的多用途立体摄像方法有关。
背景技术
目前市场上已经出现多种基于多镜头的摄像系统，这些系统主要的用途为进行3D拍摄。但目前的多镜头系统普遍存在获得的3D效果不明显或是拍摄结果出现严重的重叠，对较远景或是近景的处理效果不好等一系列问题。 这些问题在3D智能手机及卡片机这些小型拍摄设备上尤其突出。
上述问题主要来源于目前这些双摄像头相机采用直接拍摄左右图，然后直接重叠左右图来获取立体图像。这种直接拍摄方法有多种缺点：1）首先左右镜头的位置在这种小型摄像装置上都是固定的，局限性强，无法针对不同的拍摄场景，投放设备屏幕，观看位置等多项参数进行调整。2）现在的立体相机在拍摄及叠加图像时都假设两个立体摄像头与核线为平行的，并且两个摄像机处于一个平面上。但是在实际拍摄中要达到与核线水平并将两个摄像头放在一个平面上非常困难。尤其是在实际进行立体拍摄的时候，操作人员手的抖动，机器校正的偏差等都及其有可能造成小的位差。 在最后实际成像的阶段，由于这种位差可能仅一个像素的偏移就可以使得图像出现严重的立体错误。
为了解决上述问题，本发明人设计出一种基于多镜头拍摄的多用途立体摄像方法，本案由此产生。
发明内容
针对这些问题，本发明提出了一种基于多镜头拍摄的立体摄像方法，不受场地局限，有效防止图像出现严重的立体错误。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种基于多镜头拍摄的立体摄像方法，
第一步，采用主摄像头与辅助摄像头进行同步对焦；
第二步，对主摄像头与辅助摄像头取图；
第三步，对所取的图像进行计算，获得深度图；
第四步，通过结合深度图与主摄像头的高清图产生立体效果；
第五步，通过用户对立体效果进行调节；
第六步，输出立体图像。
对上述方法进行进一步优化：
所述的第一步中，主摄像头为高解析度的主镜头                                                
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE001
，辅助摄像头为3个低解析度的辅助镜头
Figure 294476DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 151573DEST_PATH_IMAGE004
，且,
Figure 559738DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 667371DEST_PATH_IMAGE004
在拍摄时完全平行同一水平轴线上，其中
Figure 62580DEST_PATH_IMAGE002
与
Figure 611373DEST_PATH_IMAGE001
处于同一拍摄视角， 
Figure 761732DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 28765DEST_PATH_IMAGE004
位于
Figure 962086DEST_PATH_IMAGE002
左右两侧。
所述的,,
Figure 443905DEST_PATH_IMAGE004
具备完全相同的光学特征，现每个
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE005
可产生一帧图像
Figure 508813DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE007
的分辨率可以定义为
Figure 94515DEST_PATH_IMAGE008
。其中
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE009
为在
Figure 321097DEST_PATH_IMAGE007
上每个位置的值。
所述的第三步中，根据
Figure 562722DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 103425DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 543634DEST_PATH_IMAGE004
产生两个组合图，每个组合设计为：
Figure 144379DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE011
；
再用以下方式计算深度图：
一、首先根据每个组合的两个相机先按以下算法找出最低的Sum of AbsoluteDifference (
Figure 670039DEST_PATH_IMAGE012
)绝对差值和：
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE013
其中
Figure 76749DEST_PATH_IMAGE014
为比较窗口的横向及纵向像素大小，一般可以设置为2，3或4， 
Figure 574727DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE017
分别对应每个
Figure 143111DEST_PATH_IMAGE018
组合中的镜头，
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE019
为该点在图像中的所处的位置；
二、以d为与核线平行的位移, 建立基于目前像素点为中心的
Figure 359329DEST_PATH_IMAGE020
搜索窗口一般为5,7或9个像素大小的搜索窗口，算出SAD值，
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE021
；
对于每个组合 
Figure 318799DEST_PATH_IMAGE022
对搜索窗口中的SAD选取最低值，
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE023
，其中
Figure 733600DEST_PATH_IMAGE024
；
然后对所有的组合在(x,y)点位上产生的最小的SAD，进行比较产生：，其中；
根据这个
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE027
的值，我们将记录相应在
Figure 973138DEST_PATH_IMAGE028
上取得的位移值
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE029
, 其相应的d即为图像的实际位移；
三、在完成对每个像素进行位移计算及记录成一个后，就可以获得一个辅助摄像头产生的实际深度图
Figure 659334DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE031
；
四、然后针对主摄像头的分辨率，用相应的增强分辨率的形式产生对于主摄像头的最终放大深度图
Figure 928641DEST_PATH_IMAGE032
以对应主摄像机所获得的高清图，放大后采用像素弯曲（pixel warping）方法产生立体图像；
五、用以下公式获得主摄像头的高清图：
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE033
；其中J’为产生的虚拟图, J为原高清图,对J的每一个像素进行相应的位移后即可产生虚拟图。
所述的第六步中，根据观看终端的屏幕尺寸及观看人视觉位置不同，采取以下公式调整：；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为针对终端屏幕设计的新的位移，
Figure 29638DEST_PATH_IMAGE036
为一个比例因数，
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE037
 为原始的位移。
所述的第六步中，采用以下公式对深度图进行进一步调节：
；其中的
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE039
为一个位移调节因数，
Figure 705656DEST_PATH_IMAGE040
为最终修正过的位移。
本发明提出的立体摄像机并不是通过对不同镜头取得的图像进行直接叠加从而产生立体效果，而是利用多镜头拍摄结果进行计算并获得深度图，然后使用深度图与主摄像头所获取的高清图像进行结合处理以获得良好的图像效果。这样的结合可以用于立体图像的产生，也可以产生其他的图像效果比如对于图像背景进行有选择的虚化等。
本发明的优点为没有现有多镜头相机对场景的局限性。本发明中产生的高质量深度图对于立体拍摄以外的很多领域，如扩张实景，基于距离的图像处理（如对拍摄的照片进行重新对焦），现实增强导航等有广泛的使用，采用本发明的智能手机等便携设备拥有高质量的电脑视觉功能，拥有很大的扩展性。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的总体流程示意图；
图2为本发明较佳实施例的主镜头和辅助镜头的排布示意图；
图3为本发明较佳实施例的观看终端示意图。
具体实施方式
结合附图，对本发明较佳实施例做进一步详细说明。
    如图1所示，本发明主要步骤流程为：
第一步，采用主摄像头与辅助摄像头进行同步对焦；
第二步，对主摄像头与辅助摄像头取图；
第三步，对所取的图像进行计算，获得深度图；
第四步，通过结合深度图与主摄像头的高清图产生立体效果；
第五步，通过用户对立体效果进行调节；
第六步，输出立体图像。
本发明采用多镜头的主要原因为双镜头拍摄由于遮蔽（occlusion）的问题无法产生效果好的深度图。因此在本发明中使用了3+1镜头设计，3个镜头为低成本较低解析度的辅助镜头
Figure 990007DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 136955DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 230200DEST_PATH_IMAGE004
，加上一个高解析度的主镜头
Figure 411783DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明采用了3镜头布局以解决目前双镜头布局所无法避免的遮蔽问题。遮蔽问题对于双镜头布局来说物理上一定存在，并且无法有效的解决。如果双镜头在拍摄时不是完全平行于核线则遮蔽问题会进一步恶化。3镜头布局可以有效避免遮蔽，从而产生高质量的深度图。采用3+1而不是直接采用中央位置的高清镜头是由于如果摄像头的规格品质及光学特征不一样的话，系统在进行深度图计算时会出现比较大的误差，因此在本发明里将获取深度图的摄像头与主摄像头完全独立开来。
将4个摄像头图2的镜头布局。
Figure 929352DEST_PATH_IMAGE002
,,
Figure 395285DEST_PATH_IMAGE004
在拍摄时完全平行同一水平轴线上，其中
Figure 493691DEST_PATH_IMAGE002
与
Figure 119845DEST_PATH_IMAGE001
处于同一拍摄视角，
Figure 241384DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 673503DEST_PATH_IMAGE004
位于
Figure 829678DEST_PATH_IMAGE002
左右两侧，且
Figure 626732DEST_PATH_IMAGE003
、的位置在机器上可能的空间里离
Figure 205798DEST_PATH_IMAGE002
和越远越好。
Figure 246752DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 342884DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 54488DEST_PATH_IMAGE004
这三个镜头必须具备完全相同的光学特征。现每个
Figure 247572DEST_PATH_IMAGE005
可产生一帧
Figure 386430DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 704279DEST_PATH_IMAGE007
的分辨率可以定义为
Figure 281890DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 267164DEST_PATH_IMAGE009
为在
Figure 642169DEST_PATH_IMAGE007
上每个位置的值。
根据这三个附属镜头产生的组合图，每个组合设计为：
Figure 447314DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 563038DEST_PATH_IMAGE011
 。
接着根据上述的两个组合图，用以下方式计算深度图。
首先在每个组合的两个相机先按以下算法找出最低的Sum of Absolute Difference ()绝对差值和：
Figure 2012102149971100002DEST_PATH_IMAGE041
；其中
Figure 945794DEST_PATH_IMAGE014
为比较窗口的横向及纵向像素大小，一般可以设置为2，3或4， 
Figure 503815DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 95333DEST_PATH_IMAGE017
分别对应每个
Figure 117516DEST_PATH_IMAGE018
组合中的镜头，
Figure 769077DEST_PATH_IMAGE019
为该点在图像中的所处的位置。
然后，d为与核线平行的位移, 建立基于目前像素点为中心的
Figure 548814DEST_PATH_IMAGE020
搜索窗口一般为5,7或9个像素大小的搜索窗口，算出SAD值；
Figure 6340DEST_PATH_IMAGE042
。
对于每个组合 
Figure 820713DEST_PATH_IMAGE022
对搜索窗口中的SAD选取最低值。这里用
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，其中
Figure 705492DEST_PATH_IMAGE024
。
然后对所有的组合在(x,y)点位上产生的最小的SAD，进行比较产生：；其中
Figure 233742DEST_PATH_IMAGE026
。
根据这个
Figure DEST_PATH_IMAGE045
的值，我们将记录相应在
Figure 902621DEST_PATH_IMAGE028
上取得的位移值
Figure 958302DEST_PATH_IMAGE029
, 其相应的d即为图像的实际位移。
在完成对每个像素进行位移计算及记录成一个后，就可以获得一个基于附属镜头产生的实际深度图
Figure 712631DEST_PATH_IMAGE046
；
。
然后针对主摄像头的分辨率，可以用相应的增强分辨率的形式产生对于主摄像头的最终放大深度图以对应主摄像机所获得的高清图，放大后采用像素弯曲（pixel warping）的办法就可以产生立体图像。
用以下公式获得主摄像头的高清图：
Figure 303854DEST_PATH_IMAGE033
；其中J’为产生的虚拟图, J为原高清图,对J的每一个像素进行相应的位移后即可产生虚拟图。
但是在实际使用中，由于观看终端的屏幕尺寸及观看人视觉位置不同，其因为场景本身远近需要调整，可以采取以下公式：，其中为针对终端屏幕设计的新的位移，
Figure 530436DEST_PATH_IMAGE036
为一个比例因数， 为原始的位移。
除了场景外，如果物体立体位置过分突出或不够突出，过分退后或不够退后都会引起观看问题，因此可以采用以下公式对深度图进行进一步调节：
Figure 375081DEST_PATH_IMAGE052
，其中的
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为一个位移调节因数，为最终修正过的位移。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多镜头拍摄的立体摄像方法，其特征在于：
第一步，采用主摄像头与辅助摄像头进行同步对焦；
第二步，对主摄像头与辅助摄像头取图；
第三步，对所取的图像进行计算，获得深度图；
第四步，通过结合深度图与主摄像头的高清图产生立体效果；
第五步，通过用户对立体效果进行调节；
第六步，输出立体图像。
2.如权利要求1所述的一种基于多镜头拍摄的立体摄像方法，其特征在于：所述的第一步中，主摄像头为高解析度的主镜头                                                
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE001
，辅助摄像头为3个低解析度的辅助镜头
Figure 37139DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 127455DEST_PATH_IMAGE004
，且
Figure 309038DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 498711DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 460850DEST_PATH_IMAGE004
在拍摄时完全平行同一水平轴线上，其中与
Figure 328629DEST_PATH_IMAGE001
处于同一拍摄视角， ,
Figure 138639DEST_PATH_IMAGE004
位于
Figure 508441DEST_PATH_IMAGE002
左右两侧。
3.如权利要求2所述的一种基于多镜头拍摄的立体摄像方法，其特征在于：所述的,
Figure 258408DEST_PATH_IMAGE003
,具备完全相同的光学特征，现每个
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE005
可产生一帧图像，的分辨率可以定义为。
4.其中为在
Figure 144007DEST_PATH_IMAGE007
上每个位置的值。
5.如权利要求1所述的一种基于多镜头拍摄的立体摄像方法，其特征在于：所述的第三步中，根据
Figure 302456DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 14060DEST_PATH_IMAGE003
,
Figure 932776DEST_PATH_IMAGE004
产生两个组合图，每个组合设计为：
Figure 71633DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE011
；
再用以下方式计算深度图：
一、首先根据每个组合的两个相机先按以下算法找出最低的Sum of Absolute Difference (
Figure 717378DEST_PATH_IMAGE012
)绝对差值和：
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE013
其中
Figure 967094DEST_PATH_IMAGE014
为比较窗口的横向及纵向像素大小，一般可以设置为2，3或4， 
Figure 14684DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE017
分别对应每个
Figure 324443DEST_PATH_IMAGE018
组合中的镜头，
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE019
为该点在图像中的所处的位置；
二、以d为与核线平行的位移, 建立基于目前像素点为中心的
Figure 457484DEST_PATH_IMAGE020
搜索窗口一般为5,7或9个像素大小的搜索窗口，算出SAD值，
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE021
；
对于每个组合 
Figure 573208DEST_PATH_IMAGE022
对搜索窗口中的SAD选取最低值，
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE023
，其中
Figure 412988DEST_PATH_IMAGE024
；
然后对所有的组合在(x,y)点位上产生的最小的SAD，进行比较产生：
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE025
，其中
Figure 955964DEST_PATH_IMAGE026
；
根据这个
Figure 2012102149971100001DEST_PATH_IMAGE027
的值，我们将记录相应在
Figure 310722DEST_PATH_IMAGE028
上取得的位移值
Figure DEST_PATH_IMAGE029
, 其相应的d即为图像的实际位移；
三、在完成对每个像素进行位移计算及记录成一个后，就可以获得一个辅助摄像头产生的实际深度图
Figure 230137DEST_PATH_IMAGE030
，
；
四、然后针对主摄像头的分辨率，用相应的增强分辨率的形式产生对于主摄像头的最终放大深度图
Figure 924423DEST_PATH_IMAGE032
以对应主摄像机所获得的高清图，放大后采用像素弯曲（pixel warping）方法产生立体图像；
五、用以下公式获得主摄像头的高清图：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
；其中J’为产生的虚拟图, J为原高清图,对J的每一个像素进行相应的位移后即可产生虚拟图。
6.如权利要求1所述的一种基于多镜头拍摄的立体摄像方法，其特征在于：所述的第六步中，根据观看终端的屏幕尺寸及观看人视觉位置不同，采取以下公式调整：
Figure 641231DEST_PATH_IMAGE034
；其中
Figure 686548DEST_PATH_IMAGE036
为针对终端屏幕设计的新的位移，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为一个比例因数，
Figure 144074DEST_PATH_IMAGE038
 为原始的位移。
7.如权利要求5所述的一种基于多镜头拍摄的立体摄像方法，其特征在于：所述的第六步中，采用以下公式对深度图进行进一步调节：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
；其中的
Figure 755184DEST_PATH_IMAGE040
为一个位移调节因数，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为最终修正过的位移。
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