CN104977795A - 立体摄影系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的立体摄影系统包括一第一影像传感器、一第二影像传感器、一同步模块、一结合模块、一校准模块及一立体匹配模块。所述第一影像传感器用于撷取一第一影像。所述第二影像传感器用于撷取一第二影像。所述校准模块用于对所述第一影像及所述第二影像进行一影像校准及一水平校正。所述立体匹配模块用于计算所述第一影像中的一参考像素与所述第二影像中的一对应像素的一距离差值，所述立体匹配模块在所述第二影像的一像素列上以间隔方式比较多个像素相对于所述参考像素的价值。本发明另提供一种立体摄影方法及其的立体匹配方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种立体摄影系统及其方法，特别涉及一种可减少运算量的立体摄影系统及其方法。
背景技术
近年来，随着立体显示技术的发展，立体影像的处理亦愈来愈重要。一般而言，形成立体影像可通过下列几种方式，例如利用可得到深度信息的深度摄影机进行拍摄、或由仿真人类双眼视觉的双摄影机进行拍摄，再将拍摄到的二维影像经过适当的影像处理以得到立体影像。
所谓的立体影像，即除了一般二维平面影像之外，还要对于影像对中的对象具有不同的视觉深度。而将二维影像转换为立体影像的技术称为立体匹配(stereo matching)技术。立体匹配是对某一场景拍摄两个以上影像，通过精确地找出影像间的匹配像素来估计所述场景的三维模型，并且将这些影像间的匹配像素的二维位置转换为三维深度的处理。
在传统的立体匹配的运算技术中，通常将分别由两个相机获取的两个影像中的一个影像作为参考图像、 另一个影像作为目标图像， 并且输出目标图像相对于参考图像的视差图(disparity map)。而每一像素的视差与被拍摄物体的距离呈反比。故，视差图可用来描述所拍摄图像中的立体深度。
然而，由于参考图像中的每一像素均需计算出其视差，且现有的立体匹配的算法极为复杂，故运算量极大。因此，在目前的半导体技术发展的限制之下，采用双摄影机进行立体摄影的技术都还在研发的阶段，还难以达到商品化的阶段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种立体摄影系统，其提供了实现立体摄影的具体架构，且可降低立体匹配的运算量，使得所述立体摄影系统可实现商品化。
本发明的另一目的在于提供一种立体摄影方法，其采用间隔方式来计算视差，降低了运算量，以解决目前半导体发展限制的问题。
本发明的再另一目的在于提供一种用于立体摄影系统的立体匹配的方法，其采用间隔方式来计算视差，降低了运算量，达到所述立体摄影系统可实现商品化的目的。
为实现上述目的，本发明提供的立体摄影系统包括一第一影像传感器、一第二影像传感器、一同步模块、一结合模块、一校准模块及一立体匹配模块。所述第一影像传感器用于撷取一第一影像，以产生一第一数据串流。所述第二影像传感器相距所述第一影像传感器一水平距离设置，用于撷取一第二影像，以产生一第二数据串流。所述同步模块电性连接于所述第一影像传感器及第二影像传感器，用于同步化所述第一数据串流及所述第二数据串流，并同步化所述第一影像传感器及所述第二影像传感器的自动曝光及自动白平衡参数。所述结合模块用于结合所述第一数据串流及所述第二数据串流以输出一结合影像数据，所述结合影像数据包括所述第一影像及所述第二影像。所述校准模块用于对所述结合影像数据中的所述第一影像及所述第二影像进行一影像校准及一水平校正。所述立体匹配模块用于计算所述第一影像中的一参考像素与所述第二影像中的一对应像素的一距离差值，其中所述立体匹配模块在所述第二影像的一像素列上以间隔方式比较多个像素相对于所述参考像素的价值。
在一优选实施例中，所述间隔方式为间隔一预定数量的像素。具体而言，所述预定数量为一正整数。
在一优选实施例中，所述价值为亮度差异。
在一优选实施例中，所述立体匹配模块还包括一次像素内插单元，用于精确计算所述距离差值，使得所述距离差值的误差小于0.1像素。
在一优选实施例中，所有所述像素位于所述像素列上的一搜寻区间。
在一优选实施例中，所述同步模块提供一控制频率信号至所述第一影像传感器及所述第二影像传感器。此外，所述第一数据串流与所述第二数据串流具有同步的数据行信号。
在一优选实施例中，所述立体匹配模块利用软件、固件、或硬件其中之一或其组合来实施。
为实现上述目的，本发明提供的立体摄影方法包括下列步骤：分别通过一第一影像传感器及一第二影像传感器撷取一第一影像及一第二影像，以产生一第一数据串流及一第二资料串流；同步化所述第一数据串流及所述第二数据串流，并同步化所述第一影像传感器及所述第二影像传感器的自动曝光及自动白平衡参数；结合所述第一数据串流及所述第二数据串流以输出一结合影像数据，所述结合影像数据包括所述第一影像及所述第二影像；对所述结合影像数据中的所述第一影像及所述第二影像进行一影像校准及一水平校正；以及计算所述第一影像中的一参考像素与所述第二影像中的一对应像素的一距离差值，其中计算所述距离差值还包括在所述第二影像的一像素列上以间隔方式比较多个像素相对于所述参考像素的价值。
在一优选实施例中，所述间隔方式为间隔一预定数量的像素。具体而言，所述预定数量为一正整数。
在一优选实施例中，所述价值为亮度差异。
在一优选实施例中，计算所述距离差值还包括进行次像素内插计算，以精确计算所述距离差值，使得所述距离差值的误差小于0.1像素。
在一优选实施例中，所有所述像素位于所述像素列上的一搜寻区间。
在一优选实施例中，计算所述距离差值利用软件、固件、或硬件其中之一或其组合来实施。
为实现上述目的，本发明提供了用于立体摄影系统的立体匹配的方法，所述立体摄影系统包括撷取一第一影像的一第一影像传感器及撷取一第二影像的一第二影像传感器，所述方法包括：计算所述第一影像中的一参考像素与所述第二影像中的一对应像素的一距离差值，其中计算所述距离差值还包括在所述第二影像的一像素列上以间隔方式比较多个像素相对于所述参考像素的价值。
在一优选实施例中，所述间隔方式为间隔一预定数量的像素，且所述预定数量为一正整数。
相较于现有技术，本发明采用的立体匹配模块不仅以间隔方式降低计算视差的运算量，且通过次像素内插的计算，还可提高计算立体深度的精准度。也就是说，本发明的立体摄影系统及方法不仅通过间隔方式减少了计算量，且也因具有次像素内插计算使得精确度提高，从而达到可实现商品化的目的。
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一优选实施例的立体摄影系统的示意方块图。
图2为第一数据串流及第二数据串流的时序示意图。
图3为结合模块的运作示意图。
图4为立体匹配模块的运作示意图。
图5为第一影像及所述第二影像的示意图。
图6为计算距离差值的示意图。
图7为根据本发明实施例的价值函数示意图。
图8为本发明一优选实施例的立体摄影方法的流程图。
附图标记：
10 立体摄影系统；
120 第一影像传感器；
140 第二影像传感器；
150 同步模块；
160 结合模块；
170 影像信号处理模块；
180 校准模块；
190 立体匹配模块；
195 次像素内插单元；
220 第一资料串流；
222 数据行信号；
222(1)~ 222(N) 第1行的数据行信号至第N行的数据行信号；
240 第二资料串流；
242 数据行信号；
242(1)~ 242(N) 第1行的数据行信号至第N行的数据行信号；
260 结合影像数据；
310 控制频率信号；
420 第一影像；
440 第二影像；
450 极线；
460 像素列；
D 资料点；
P 像素；
PL 参考像素；
PR 对应像素；
R 搜寻区间；
XL 、XR 坐标；
f(x) 价值函数；
S10～S50 步骤。
具体实施方式
本发明的多个优选实施例通过附图与下面的说明作详细描述，在不同的附图中，相同的组件符号表示相同或相似的组件。
请参照图1，图1为本发明一优选实施例的立体摄影系统的示意方块图。本实施例的立体摄影系统10包括一第一影像传感器120、一第二影像传感器140、一同步模块150、一结合模块160、一影像信号处理模块170、一校准模块180及一立体匹配模块190。
具体地，所述第一影像传感器120用于撷取一第一影像，以产生一第一数据串流220。所述第二影像传感器140相距所述第一影像传感器120一水平距离设置，用于撷取一第二影像，以产生一第二数据串流240。优选地，所述水平距离介于4厘米至8厘米之间。具体地说，所述第一影像传感器120可为一左摄影机，并于撷取一左影像；而所述第二影像传感器140可为一右摄影机，并于撷取一右影像。更近一步来说，本实施例的第一影像传感器120及第二影像传感器140是两个RGB摄影机来实施，例如CMOS或CCD摄影机，且这两个RGB摄影机具有相同或相似的性能（如分辨率）。然而，本发明并不限制于此。
所述第一影像传感器120及第二影像传感器140优选系设置在一电路板(图未示)上，且所述同步模块150、结合模块160及影像信号处理模块170可配置在所述电路板上。上述的同步模块150、结合模块160及影像信号处理模块170可各自为一芯片或是整合为一系统单芯片(System-on-a-Chip, SoC)，以减少体积与成本。
请参照图1及图2，图2为第一资料串流220及第二资料串流240的时序示意图。所述同步模块150电性连接于所述第一影像传感器120及第二影像传感器140，用于同步化所述第一数据串流220及所述第二资料串流240。如图2所示，第一数据串流220具有多个数据行信号222(1)~222(N)，每一数据行信号222包括每一数据行的信息量，而所述些数据行组成第一传感器120撷取的所述第一影像之图框（或称帧frame）的资料。类似地，第二数据串流240具有多个数据行信号242(1)~242(N)，每一数据行信号242包括每一数据行的信息量，而所述些数据行组成第二传感器140撷取的所述第二影像之图框的数据。
所述同步模块150提供一控制频率信号310至所述第一影像传感器120及第二影像传感器140，用于控制所述第一数据串流220与所述第二数据串流240的时序，使得所述第一数据串流220与所述第二数据串流240具有同步的数据行信号222、242及垂直同步信号（如虚线所示）。所谓垂直同步信号即所述第一数据串流220输出第一图框F1与所述第二数据串流240输出第二图框F2的时序同步。
另一方面，所述同步模块150可与所述影像信号处理模块170沟通，用以同步化所述第一影像传感器120及所述第二影像传感器140的自动曝光(Auto exposure)及自动白平衡参数(Auto white balance)，使得所述第一影像传感器120及所述第二影像传感器140两者同时捕捉到的第一画面及第二画面的亮度、色泽相同，以利后续的影像处理。
请参照图1及图3，图3为结合模块的运作示意图。所述结合模块160用于结合所述第一数据串流220及所述第二数据串流240以输出一结合影像数据260，所述结合影像数据260包括所述第一影像及所述第二影像。优选地，所述结合影像数据260构成的图框的面积为第一影像或所述第二影像的图框的两倍。
接着，如图1所示，所述结合影像数据260传送至所述影像信号处理模块170，进行影像处理（例如颜色处理）以供所述校准模块180运用。详细来说，通过结合模块160将所述第一影像传感器120及所述第二影像传感器140的第一数据串流220及所述第二数据串流240结合，因此可采用单一影像信号处理器(ISP)进行处理。
如图1所示，所述校准模块180电性连接于所述影像信号处理模块170，所述校准模块180用于对所述结合影像数据260中的所述第一影像及所述第二影像进行一影像校准(Calibration)及一水平校正(Rectification)。其中，影像校准是针对所述第一影像及所述第二影像的扭曲或镜头造成的变形作修正。例如，可根据镜头出厂的参数进行调整。而水平校正是对准所述第一影像及所述第二影像的水平，使得两者所拍摄到的物体可位于所述第一影像及所述第二影像中的相同高度（即Y坐标）。
请参照图4及图5，图4为立体匹配模块的运作示意图、图5为第一影像及所述第二影像的示意图。所述立体匹配模块190系用于计算第一影像420相对第二影像440的视差图500。具体地说，请参照图5，所述立体匹配模块190计算所述第一影像420中的一参考像素PL与所述第二影像中的一对应像素PR的一距离差值，即视差(disparity)。其中所述对应像素PR代表在第一影像420中参考像素PL所指的物体在第二影像440中的位置所表示的像素。此外，由于第一影像420相对第二影像440已进行过水平校准，因此，参考像素PL与对应像素PR系位于第一影像420及第二影像440的相同水平线上，所述水平线又称为极线(Epipolar line) 450。由上可知，所述距离差值也为水平距离差值，也就是参考像素PL在第一影像420的坐标XL与对应像素PR在第二影像440的坐标XR的差值，其中上述坐标各以所述第一影像传感器120及第二影像传感器140之影像平面中心点(虚线所示)为原点，往右为正，往右为负。因此，所述距离差值(视差)则为XR－XL。
以下将详细说明计算所述距离差值的方法。请参照图6，图6为计算距离差值的示意图。所述立体匹配模块190计算所述距离差值还包括在所述第二影像440的一像素列460(极线450)上以间隔方式比较多个像素相对于所述参考像素PL的价值(cost)。具体来说，所述价值为所述像素P与所述参考像素PL的相关性。例如，像素P与所述参考像素PL的亮度差异，或者颜色差异等。另一方面，所述间隔方式系间隔一预定数量的像素P，其中所述预定数量为一正整数。举例来说，若所述预定数量为1，则如图6所示为间隔一个像素P来减少运算量。可以理解的是，所述预定数量为1，则可减少一半的运算量。
然而，本发明并不限于此，例如所述预定数量可为2、3、4、5等其它正整数。或者，每次间隔不为固定值。值得一提的是，上述选取的多个像素P不需整个像素列460都进行运算，仅需从参考像素PL在第一影像420的坐标XL为起始的一搜寻区间R内进行间隔方式比较即可，由此进一步减少运算量。
请参照图7，图7为根据本发明实施例的价值函数示意图，其中纵轴为表示亮度差异，横轴表示视差(单位为像素)。经过如图6的间隔方式为间隔一个像素P的统计后，可得多个资料点D。如图4所示，所述立体匹配模块190还包括一次像素内插单元195。所述次像素内插单元195用于精确计算所述距离差值。具体来说，所述立体匹配模块190通过所述些数据点D，经过数学运算可得到一价值函数(cost function)f(x)，如图7所示。所述次像素内插单元195可对价值函数f(x)进行内插，而得到价值函数f(x)的最低点(三角形所示)，进而求得精确的视差，使得所述距离差值的误差小于0.1像素。也就是说，通过次像素内插单元195计算的所述距离差值可具有较高的分辨率，以提高匹配的精确度。
经过所述立体匹配模块190计算出每一像素P的视差后，即可得出所述视差图500。据此，物体深度与视差呈反比，且与焦距及所述第二影像传感器140相距所述第一影像传感器120的水平距离的乘积呈正比。因此可根据视差图500求得物体的深度。
值得一提的是，所述立体匹配模块190利用软件、固件、或硬件其中之一或其组合来实施。所述校准模块及所述立体匹配模块190优选可使用软件来达成。此外，所述同步模块150、所述结合模块160及所述影像信号处理模块170实施为微处理器、一或多个特殊应用集成电路(ASIC)、一或多个场可程序化门阵列(FPGA)或其任何结合。
以下将详细介绍采用本实施例的立体摄影系统10的立体摄影方法。请一并参照图1及图8，图8为本发明一优选实施例的立体摄影方法的流程图。本实施例的立体摄影方法是用于上述立体摄影系统10，以下所提到组件请参照上述说明，在此不再赘述。
本实施例的立体摄影方法开始于步骤S10。在步骤S10中，分别通过一第一影像传感器120及一第二影像传感器140撷取一第一影像及一第二影像，以产生一第一数据串流220及一第二数据串流240，然后执行步骤S20。
在步骤S20中，所述同步模块150同步化所述第一数据串流220及所述第二数据串流240，并同步化所述第一影像传感器120及所述第二影像传感器140的自动曝光及自动白平衡参数，然后执行步骤S30。
在步骤S30中，所述结合模块160结合所述第一数据串流220及所述第二数据串流240以输出一结合影像数据260，然后执行步骤S40。所述结合影像数据260包括所述第一影像及所述第二影像。
在步骤S40中，所述校准模块180对所述结合影像数据260中的所述第一影像及所述第二影像进行一影像校准及一水平校正，然后执行步骤S50。
在步骤S50中，所述立体匹配模块190计算所述第一影像420中的一参考像素PL与所述第二影像440中的一对应像素PR的一距离差值，其中计算所述距离差值还包括在所述第二影像440的一像素列460上以间隔方式比较多个像素P相对于所述参考像素PL的价值。值得一提的是，所述间隔方式为间隔一预定数量的像素P。具体而言，所述预定数量为一正整数。
具体来说，在步骤S50中的计算所述距离差值具体还包括进行次像素内插计算，以精确计算所述距离差值，使得所述距离差值的误差小于0.1像素。类似地，在步骤S50中的计算所述距离差值系利用软件、固件、或硬件其中之一或其组合来实施。
类似地，以下将详细介绍采用本实施例的立体摄影系统10的立体摄影系统的立体匹配的方法。请参照图1及图5，所述立体摄影系统10包括撷取一第一影像的一第一影像传感器120及撷取一第二影像的一第二影像传感器140。所述立体匹配的方法包括：计算所述第一影像420中的一参考像素PL与所述第二影像440中的一对应像素PR的一距离差值，其中计算所述距离差值还包括在所述第二影像440的一像素列460上以间隔方式比较多个像素P相对于所述参考像素PL的价值。详细来说，所述间隔方式为间隔一预定数量的像素，且所述预定数量为一正整数。
上述实施例所描述的方法或算法的步骤可直接体现于硬件中、通过处理器所执行的软件模块中，或所述两者的结合中。软件模块可驻留于随机存取内存(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、可程序化只读存储器(PROM)、可抹除可程序化只读存储器(EPROM)、电可抹除可程序化只读存储器(EEPROM)、缓存器、硬盘、抽取式磁盘、紧密光盘只读存储器(CD-ROM)，或现有技术中已知的任何其它形式的非暂时性计算机可读储存媒体中。
综上所述，本发明采用的立体匹配模块190不仅以间隔方式降低计算视差的运算量，且通过次像素内插的计算，还可提高计算立体深度的精准度。也就是说，本发明的立体摄影系统及方法不仅通过间隔方式减少了计算量，且也因具有次像素内插计算使得精确度提高，从而达到可实现商品化的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (20)
1.一种立体摄影系统，包括： 一第一影像传感器，用于撷取一第一影像，以产生一第一数据串流； 一第二影像传感器，相距所述第一影像传感器一水平距离设置，用于撷取一第二影像，以产生一第二数据串流； 一同步模块，电性连接于所述第一影像传感器及第二影像传感器，用于同步化所述第一数据串流及所述第二数据串流，并同步化所述第一影像传感器及所述第二影像传感器的自动曝光及自动白平衡参数； 一结合模块，用于结合所述第一数据串流及所述第二数据串流以输出一结合影像数据，所述结合影像数据包括所述第一影像及所述第二影像； 一校准模块，用于对所述结合影像数据中的所述第一影像及所述第二影像进行一影像校准及一水平校正；以及 一立体匹配模块，用于计算所述第一影像中的一参考像素与所述第二影像中的一对应像素的一距离差值，其特征在于， 所述立体匹配模块在所述第二影像的一像素列上以间隔方式比较多个像素相对于所述参考像素的价值。
2.根据权利要求1所述的立体摄影系统，其特征在于，所述间隔方式为间隔一预定数量的像素。
3.根据权利要求2所述的立体摄影系统，其特征在于，所述预定数量为一正整数。
4.根据权利要求1所述的立体摄影系统，其特征在于，所述价值为亮度差异。
5.根据权利要求1所述的立体摄影系统，其特征在于，所述立体匹配模块还包括一次像素内插单元，用于精确计算所述距离差值。
6.根据权利要求5所述的立体摄影系统，其特征在于，其中所述距离差值的误差小于0.1像素。
7.根据权利要求1所述的立体摄影系统，其特征在于，所有所述像素位于所述像素列上的一搜寻区间。
8.根据权利要求1所述的立体摄影系统，其特征在于，所述同步模块提供一控制频率信号至所述第一影像传感器及所述第二影像传感器。
9.根据权利要求8所述的立体摄影系统，其特征在于，所述第一数据串流与所述第二数据串流具有同步的数据行信号。
10.根据权利要求1所述的立体摄影系统，其特征在于，所述立体匹配模块利用软件、固件、或硬件其中之一或其组合来实施。
11.一种立体摄影方法，其特征在于，包括列步骤： 分别通过一第一影像传感器及一第二影像传感器撷取一第一影像及一第二影像，以产生一第一数据串流及一第二资料串流； 同步化所述第一数据串流及所述第二数据串流，并同步化所述第一影像传感器及所述第二影像传感器的自动曝光及自动白平衡参数； 结合所述第一数据串流及所述第二数据串流以输出一结合影像数据，所述结合影像数据包括所述第一影像及所述第二影像； 对所述结合影像数据中的所述第一影像及所述第二影像进行一影像校准及一水平校正；以及 计算所述第一影像中的一参考像素与所述第二影像中的一对应像素的一距离差值，其中计算所述距离差值还包括在所述第二影像的一像素列上以间隔方式比较多个像素相对于所述参考像素的价值。
12.根据权利要求11所述的立体摄影方法，其特征在于，所述间隔方式为间隔一预定数量的像素。
13.根据权利要求12所述的立体摄影方法，其特征在于，所述预定数量为一正整数。
14.根据权利要求11所述的立体摄影方法，其特征在于，所述价值为亮度差异。
15.根据权利要求11所述的立体摄影方法，其特征在于，计算所述距离差值还包括进行次像素内插计算，以精确计算所述距离差值。
16.根据权利要求15所述的立体摄影方法，其特征在于，所述距离差值的误差小于0.1像素。
17.根据权利要求11所述的立体摄影方法，其特征在于，所有所述像素位于所述像素列上的一搜寻区间。
18.根据权利要求11所述的立体摄影方法，其特征在于，计算所述距离差值利用软件、固件、或硬件其中之一或其组合来实施。
19.一种用于立体摄影系统的立体匹配的方法，所述立体摄影系统包括撷取一第一影像的一第一影像传感器及撷取一第二影像的一第二影像传感器，其特征在于，所述方法包括： 计算所述第一影像中的一参考像素与所述第二影像中的一对应像素的一距离差值，其中计算所述距离差值还包括在所述第二影像的一像素列上以间隔方式比较多个像素相对于所述参考像素的价值。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述间隔方式为间隔一预定数量的像素，且所述预定数量为一正整数。
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