CN106295497A - 一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，包括：具有三维表面的底板和微透镜阵列的表面光场编码板；多对表面光场编码板进行数据采集的视数据采集模块；对两组数据进行图像差异比对识别的光场信号处理模块。本发明公开的一种三维表面光场编码信号生成及识别的方法，包括以下步骤：光场信号处理模块两次获取表面光场编码板的数字图像数据，然后采用图像差异对比方法计算两次数据的相似程度。本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置与方法的光场数据的高维特性，且本发明采用物理光场编码板，因此其信号识别计算过程与密码式、射频式信号生成与识别装置相比，难以采用密码计算手段或其他技术手段进行破解。

Description

一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置与方法

技术领域

本发明属于数字成像及光学技术领域，具体涉及一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，还涉及一种三维表面光场编码信号生成及识别的方法。

背景技术

目前控制信号的生成与识别主流方式包括：1.机械式识别控制，即采用特定机械加工做成具有刚性结构的控制机构，如钥匙与锁扣，开关与控制按钮等，当特定机构符合控制要求时就可切换不同的控制状态；2.密码式识别控制，即设定特殊数字、字母的组合作为控制密码，验证密码的正确性可以切换不同的控制状态；3.无线射频式识别控制，无线射频技术读取射频卡上特定信息作为控制输入信号，验证信息的正确性从而切换不同的控制状态；4.生物特征式识别控制方式则采用指纹、虹膜、面部等生物特征作为控制信号的输入，通过计算验证输入信号的有效性，并切换不同的控制状态。上述几类方法虽已广泛应用于不同的场合，但不同识别控制方式使用过程中仍存在易用性、安全性、可靠性等诸多方面的问题。

2010年以来，新兴计算摄影学被认为是数字成像领域的又一次革命性创新，光场成像理论作为计算摄影学的代表性理论之一，实现了对空间全光信号的四维采集。1996年Levoy和Gortler等提出采用一组平行双平面来记录空间中光线的位置和角度信息，并将一台相机安装在移动机械臂上首次实现了对四维光场的采集(参见研究论文Levoy M,Hanrahan P.Light field rendering.Proceedings of conference on Computergraphics and interactive techniques.pp.31-42,1996)。光场角度信号与场景深度高度耦合，研究光场数据与场景深度的相关性及信号分析理论已成为计算机视觉领域一个研究热点。研究人员通过采用微透镜阵列将三维表面进行散射形成表面光场，进而计算获得表面的精确三维模型。该方法的基础是获取表面光场信号，通过对光场不同角度信号分析计算场景的深度信息(参见C.Zhou,O.Cossairt and S.K.Nayar,Depth from Diffusion,IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition,pp:1110-1117,2010)。通过对目标点角度信号进行分析，Wanner和Goldluecke提出在光场极平面图像(Epipolar plane image，简称EPI)中通过计算结构张量求取场景深度，该方法将多视匹配与光场角度采样一致性进行了统一(参见论文Wanner S,Goldluecke B.Spatial andangular variational super-resolution of 4D light fields.European Conferenceon Computer Vision.6:8-21,2012)。在此基础上，Kim等利用角度数据关联性提出了适合高分辨率光场数据与Plenoptic 1.0光场相机数据的场景几何结构重建方法(参见论文KimC,Zimmer H,Pritch Y,et al.Scene reconstruction from high spatio angularresolution light fields.ACM Transactions on Graphics.32(4):1-12,2013)。对于目标光场，其不同角度的光场数据子集可提取与角度先关的特征集合，多个角度的光场数据子集间又具有数据的关联。光场信号的通常具有低可复制特性，因此光场信号可作为光场编码信号识别装置的输入，并通过光场计算理论获得光场信号识别的输出结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，其具有低可复制性，难以破解，保密性好的优势。

本发明的目的还在于提供一种三维表面光场编码信号生成及识别的方法，解决了现有加密技术存在的容易破解的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，包括以下部件：

表面光场编码板，所述表面光场编码板包括具有三维表面结构的底板和具有三个或三个以上凸透镜的微透镜阵列，所述微透镜阵列贴合于所述底板具有三维表面结构的一面；

多视数据采集模块，所述多视数据采集模块从两个或两个以上视角利用图像传感器对所述表面光场编码板进行数字图像数据的采集，并将所述数字图像数据发送给光场信号处理模块；

光场信号处理模块，所述光场信号处理模块首次利用所述多视数据采集模块采集预存多视角的所述表面光场编码板的数字图像数据作为基准数据，所述光场信号处理模块二次利用所述多视数据采集模块采集所述表面光场编码板的数字图像数据作为待比对数据，所述光场信号处理模块对所述待比对数据与基准数据进行图像差异比对后根据预设的相似程度阈值判断是否识别成功。

本发明的特点还在于，

还包括光源模块，所述光源模块设置于所述表面光场编码板周围提供辅助照明。

还包括电源模块，所述电源模块分别为所述多视数据采集模块、光场信号处理模块以及光源模块供电。

微透镜阵列具有三个或三个以上的凸透镜，所述三个或三个以上的凸透镜在二维平面内呈正多边形排列，每个凸透镜位于所述正多边形的顶点位置。

凸透镜满足以下条件：令所述凸透镜焦距为f，凸透镜距离底板表面距离为d，所述底板厚度为a，则

d≤f≤d+a (1)。

底板经过着色处理。

图像传感器设置有多个，多个图像传感器设置于以所述底板为基准平面的水平360°和/或垂直180°的范围内。

本发明所采用的另一种技术方案为：一种三维表面光场编码信号生成及识别的方法，包括以下步骤：

第一步，设定多视数据采集模块、光源模块、光场信号处理模块为初始状态，光场信号处理模块预存有判断相似程度的阈值；

第二步，光场信号处理模块首次利用多视数据采集模块拍摄表面光场编码板多视角的数字图像数据，并将该数字图像数据存储于光场信号处理模块作为基准数据；

第三步，光场信号处理模块二次利用多视数据采集模块拍摄表面光场编码板的数字图像数据作为待比对数据；

第四步，光场信号处理模块采用图像差异对比方法计算待比对数据与基准数据的相似程度，并根据预存的相似程度的阈值判断是否识别成功，如果相似程度满足设定的阈值，则输出识别成功信号；反之，则输出识别失败信号。

本发明的特点还在于，

第四步中图像差异对比方法采用图像像素数值差异、图像特征差异或图像像素统计差异的对比方法。

本发明的有益效果是：本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置与方法解决了现有技术中编码方式易于破解的问题。本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置与方法采用在三维表面结构附着一块光学微透镜阵列作为识别装置的信号输入，获得一个具有唯一性特征的表面光场，并从多个不同视角采集目标光场的数据，最终计算得出可用于识别控制的输出信号，由于光场数据的高维特性，且本发明采用物理光场编码板，因此其信号识别计算过程与密码式、射频式信号生成与识别装置相比，难以采用密码计算手段或其他技术手段进行破解。

附图说明

图1是本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的结构框图；

图2是本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的物理连接结构示意图。

图3a是本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的微透镜阵列的结构示意图；

图3b是本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的底板的结构示意图；

图3c是本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的表面光场编码板的结构示意图；

图4a是本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的焦距相同的凸透镜反射示意图；

图4b是本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的焦距不同的凸透镜反射示意图；

图5是本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的供电方式示意图；

图6是本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的多视数据采集模块安装结构示意图。

图中，1.表面光场编码板，2.多视数据采集模块，3.光场信号处理模块，4.光源模块，5.电源模块，11.微透镜阵列，12.底板，21.相机，111.凸透镜，121.红色条纹，122.绿色条纹，1111.第一凸透镜，1112.第二凸透镜。

具体实施方式

本发明提供的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的结构如图1和图2所示，本发明采用在三维表面结构附着一块光学微透镜阵列作为识别装置的信号输入，获得一个具有唯一性特征的表面光场，并从多个不同视角采集目标光场的数据，最终计算得出可用于识别控制的输出信号。具体地，本发明由表面光场编码板1(作为信号输入模块)、多视数据采集模块2、光源模块4、光场信号处理模块3、电源模块5五部分组成。

本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置信号输入模块的核心是上述表面光场编码板1。该编码板的底板部分可由透明或不透明材质的材料制成。优选的，底板需满足印刻具有深度差大于0.01mm的三维表面结构的要求，底板厚度应不小于三维表面结构的深度。在底板具有三维表面结构的一面，紧密贴合一块微透镜阵列。微透镜阵列包括2个及以上的凸透镜，该微透镜阵列可由透光率大于80％的透光材料制成，微透镜阵列上的凸透镜可采用如六边形或四边形的规则二维平面方式排列，也可采用随机的非规则二维平面方式排列。组成微透镜阵列的每个凸透镜其焦距应不大于5cm。各凸透镜可具有相同或者不同的光学特性，如各凸透镜的尺寸及焦距可以保持相同，也可以存在差异。但是，各个微透镜单元凸透镜须满足如下要求：令凸透镜焦距为f，凸透镜距离底板表面为d，底板厚度a，则凸透镜焦距应满足式(1)的要求：

d≤f≤d+a (1)

优选的，可以对底板进行着色处理，使得其表面在多视数据采集模块的相机获取图像后，存在RGB颜色空间单通道具有i∈[0,255]强度等级的可分辨性。此时，底板与微透镜阵列组成一个表面光场，底板与微透镜阵列的固定方式需确保底板与微透镜阵列不发生相对位置的移动。

本发明的多视数据采集模块2，其可从两个或两个以上的视角利用图像传感器对表面光场编码板1进行数字图像数据的采集。在编码板微透镜阵列为正面的一面，不同视角的图像传感器可均匀分布或者非均匀分布在以微透镜阵列为水平面的水平360°和垂直180°的范围内。不同视角所采集的图像需覆盖整个表面光场编码板1，且其分辨率下限需保证每个微透镜所成图像区域大于1个像素。不同视角的图像采集可采用软同步或者硬同步方式进行控制，图像采集的同步精度应不低于1秒/帧。

为了提高表面光场的图像采集质量，本发明在表面光场编码板1周围安装辅助照明的光源模块4。光源模块4可与多视数据采集模块2同时工作，满足多视数据采集模块2中传感器对编码板进行图像采集的环境要求。光源模块4可以由一组具有低频闪特性的led灯或具有低频闪特性的灯箱组成，光源需环绕在表面光场编码板1所在位置的四周，使得其对编码板的照明符合漫反射照明的原则，以减少遮挡和阴影对图像采集过程的影响。

本发明的光场信号处理模块3采用表面光场编码板1的多视图像数据作为输入，以光场编码信号的识别结果作为输出。光场信号处理模块3的核心是采用现有微处理器架构的可计算平台进行光场编码信号的计算生成，此类平台包括通用计算机平台以及嵌入式计算平台，如服务器计算机、个人计算机、笔记本、DSP、FPGA、ARM计算平台等。上述计算平台需要具有多视图像数据的处理及图像数据存储能力。利用多视数据采集模块2，光场信号处理模块3需首先拍摄表面光场编码板1的多视角数据作为预存的基准数据。光场编码信号的识别需要计算表面光场编码板1多视图像数据与预存的基准数据的差异。图像差异对比过程可以采用图像像素数值差异、图像特征差异、图像像素统计差异等多种主流差异对比方法。当图像差异小于预设定条件时，光场信号处理模块发出识别成功信号；当图像差异大于预设定条件时，光场信号处理模块发出识别失败信号。光场编码信号的输出可采用数字或模拟方式。光场信号处理模块3可采用特定加密程序对所存储的数据进行添加和删除。

本发明的电源模块5可采用直流或交流的供电方式，电源模块5具有电压和电流调节功能，从而满足多视数据采集模块2、光源模块4和光场信号处理模块3不同耗能单元的电力输入要求。

本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置可作为控制信号输入与输出端独立使用，也可用于具有控制信号输入与输出功能的组件使用，为需要识别控制的系统提供数字或模拟信号的输出。

本发明提供的一种三维表面光场编码信号生成及识别的方法，包括以下步骤：

第一步，设定多视数据采集模块2、光源模块4、光场信号处理模块3为初始状态，光场信号处理模块2预存有判断相似程度的阈值；

第二步，光场信号处理模块3首次利用所述多视数据采集模块2拍摄表面光场编码板1多视角的数字图像数据，并将该数字图像数据存储于所述光场信号处理模块3作为基准数据；

第三步，光场信号处理模块3二次利用多视数据采集模块2拍摄表面光场编码板1的数字图像数据作为待比对数据；

第四步，光场信号处理模块3采用图像差异对比方法计算待比对数据与基准数据的相似程度，并根据预存的判断相似程度的阈值判断是否识别成功，如果相似程度满足设定的阈值，则输出识别成功信号；反之，则输出识别失败信号。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置的物理连接结构图可以如图2所示，包括5个部分：

一块表面光场编码板1、一个多视数据采集模块2、一个光源模块3、一个光场信号处理模块4以及一个电源模块5。

本发明的表面光场编码板1由一块底板12与一个微透镜阵列11组成，微透镜阵列11如图3a所示，凸透镜采用正六边形排布，从而增加单位面积的透镜数量。微透镜阵列中的单个凸透镜111成圆形，直径为2mm，焦距为4mm，为平凸透镜。凸透镜111采用透光率大于90％聚碳酸酯材料(PC)制成，排布的水平方向不少于30个，垂直方向不少于10个，微透镜阵列11由总计不少于300个的凸透镜111组成。微透镜阵列11整尺寸长65mm、宽25mm、厚度2mm。

非透明材质所做成的底板12如图3b所示，采用铝板制成一块长65mm、宽25mm、厚度3mm的底板。底板12上印刻有深度不同样式的条纹，图3b中121和122所示条纹，121为红色条纹，其宽度2mm、深度2mm；122为绿色条纹，其宽度1mm、深度为1mm。如图3c所示，底板12刻有条纹的一面与微透镜阵列11用粘合剂紧密贴合。此时，微透镜阵列11中的单个凸透镜111应聚焦于底板12厚度的中间位置。

如图4a所示，当微透镜阵列11的各凸透镜111成像参数一致时，如凸透镜111聚焦于底板12表面某一深度，各透镜聚111焦距深度相同；如图4b所示，当微透镜阵列11成像参数存在差异时，如凸透镜111中的第一凸透镜1111与第二凸透镜1112焦距不同时，其聚焦于底板12的深度也不同。不管凸透镜111的焦距大小，只要微透镜阵列11与底板12的配合方式满足式(1)的要求即可。

本发明的光源模块4采用8个亮度大于300Lux，色温大于6000K的led灯构成，led灯成圆环状均匀分布。该光源模块布置于表面光场编码板1周围，可从不同方向对表面光场编码板1进行照明。光源模块4与多视数据采集模块2的电路连接采用串联模式，保证两个模块可同时处于工作状态，其连接示意图如图5所示。

本发明的多视数据采集模块2由多个均匀分布在表面光场编码板1周围的图像传感器构成。本发明采用3台Point Gray公司的FL3-U3-88S2C型的超紧凑型相机21作为图像传感器，其三维体积为长29mm、宽29mm、高30mm，采用USB3.0接口可获取20帧/秒分辨率为4096*2160的彩色图像。将3台相机成如图6所示的方式分布，相机光轴应尽可能与表面光场编码板1中心对齐，各相机之间水平间隔6.5cm，相邻相机光轴成30°夹角。采用支架将相机进行固定，并使得表面光场编码板1处于各台相机21的视野中央。相机21需能够准确对焦于表面光场编码板1表面，且使得每个凸透镜111所成图像区域大于1个像素。

本发明的光场信号处理模块3由一台数据处理笔记本工作站构成，采用DELL公司的Precision7510移动工作站，其包含3个连接FL3-U3-88S2C型相机的USB3.0接口。在移动工作站上采用同步控制软件对3台相机21进行采集控制与同步控制。同时，移动工作站需先采集表面光场编码板1的多视数据并进行存储，用于光场编码识别计算的基准数据。当需要识别光场编码输入信号时，再次对表面光场编码板1进行多视数据采集，进而与已存储的基准数据进行对比。如对比数据与基准数据匹配，则给出识别成功信号，否则发出识别失败信号。本实施例中采用了数据处理笔记本实现光场信号处理模块3的数据采集、存储及计算功能，故其电源模块5可直接采用笔记本原厂适配器。如需对光场信号处理模块3进行小型化或其他用户定制设计，则需依据其组成元件的需求进行独立电源模块的设计。

本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的方法，其识别计算过程首先采用多视数据对比算法将每次数据采集结果与已存储的基准数据进行差异计算，随后统计数据的相似程度作为判断光场编码信号是否被识别成功的依据。差异计算过程采用图像差分方法来计算图像差异，假设一幅数据模板图像为I_ai，多视数据采集模块采集到与之对应视角的图像为I_bi，则单个视角下I_ai与I_bi的图像差分结果E_i如公式(2)所示：

E_i＝||I_ai-I_bi||₂ (2)，

其中i∈[1,2,L,N]，N为多视数据采集模块的视角个数，此实施例中N＝3。图像差分结果采用2范数距离进行度量，此外1范数距离和无穷范数距离也可作为图像差异的有效度量。计算单个视角图像差分结果后，采用逐像素统计方法计算单个视角图像的匹配程度D_i，D_i计算过程采用如公式(3)的方式进行：

$D_i=\underset{x=1}{\overset{W}{\Σ}}\underset{y=1}{\overset{H}{\Σ}}count\[E_i(x,y)>S\]---\left(3\right),$

其中阈值S是一个差异显著性阈值，本例中图像单个通道的灰度等级为[0,255]，故本例中S＝5，即认为灰度差异值大于2％则像素差异明显，本例中的彩色图像如任意一个通道满足差异大于阈值S，则认为像素差异明显。依据多视角图像匹配程度D_i，采用公式(4)给出光场编码信号的识别结果：

其中Norm(·)表示待对比图像的像素数，||D||_∞表示向量D的无穷范数。T代表光场识别计算时的容差上限T∈[0,1.0]，本例中容差限设定为0.9，即满足匹配程度超过90％则发出识别成功信号，反之则发出识别失败信号。当容差上限T越接近1.0时，光场识别计算过程的安全性越高；当容差上限T越接近0.0时，则光场识别计算过程的鲁棒性越高，越不容易受到噪声、光照变化等因素的影响。

不同于现有机械式、密码式、射频式、生物特征式控制信号生成与识别方式，本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置与方法采用表面光场编码板作为光场编码信号输入。由于表面光场编码板采用光学微透镜阵列与具有三维表面结构的底板组合而成，光学微透镜不易重复加工，三维表面光场编码数据与底板三维结构相关，因此光场编码板具有低可复制特性。

本发明的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置与方法采用光场多角度数据及特征对比方法计算获得光场编码信号的识别结果。由于光场数据的高维特性，且本发明信号输入采用物理的表面光场编码板，因此其信号识别计算过程与密码式、射频式信号生成与识别装置相比，难以采用密码计算手段或其他技术手段进行破解。

不同于生物特征式控制信号生成与识别装置，本发明采用的表面光场编码板具有人造特征，如光场编码板丢失，将不会产生使用人隐私泄露的风险。而且该表面光场编码板的特征易于生产和更换，使用成本不高。

Claims (9)

1.一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，其特征在于，包括以下部件：

表面光场编码板(1)，所述表面光场编码板(1)包括具有三维表面结构的底板(12)和具有三个或三个以上凸透镜(111)组成的微透镜阵列(11)，所述微透镜阵列(11)贴合于所述底板(12)具有三维表面结构的一面；

多视数据采集模块(2)，所述多视数据采集模块(2)从两个或两个以上视角利用图像传感器对所述表面光场编码板(1)进行数字图像数据的采集，并将所述数字图像数据发送给光场信号处理模块(3)；

光场信号处理模块(3)，所述光场信号处理模块(3)首次利用所述多视数据采集模块(2)采集预存多视角的所述表面光场编码板(1)的数字图像数据作为基准数据，所述光场信号处理模块(3)二次利用所述多视数据采集模块(2)采集所述表面光场编码板(1)的数字图像数据作为待比对数据，所述光场信号处理模块(3)对所述待比对数据与基准数据进行图像差异比对后根据预设的相似程度阈值判断是否识别成功。

2.如权利要求1所述的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，其特征在于，还包括光源模块(4)，所述光源模块(4)设置于所述表面光场编码板(1)周围提供辅助照明。

3.如权利要求2所述的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，其特征在于，还包括电源模块(5)，所述电源模块(5)分别为所述多视数据采集模块(2)、光场信号处理模块(3)以及光源模块(4)供电。

4.如权利要求1所述的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，其特征在于，所述微透镜阵列(11)具有三个或三个以上的凸透镜(111)，所述三个或三个以上的凸透镜(111)在二维平面内呈正多边形排列，每个凸透镜(111)位于所述正多边形的顶点位置。

5.如权利要求1所述的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，其特征在于，所述凸透镜(111)满足以下条件：令所述凸透镜(111)焦距为f，所述凸透镜(111)距离所述底板(12)表面距离为d，所述底板(2)厚度为a，则

d≤f≤d+a (1)。

6.如权利要求1所述的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，其特征在于，所述底板(12)经过着色处理。

7.如权利要求1所述的一种三维表面光场编码信号生成及识别的装置，其特征在于，所述图像传感器设置有多个，所述多个图像传感器设置于以所述底板(12)为基准平面的水平360°和/或垂直180°的范围内。

8.一种三维表面光场编码信号生成及识别的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，设定多视数据采集模块(2)、光源模块(4)、光场信号处理模块(3)为初始状态，所述光场信号处理模块(3)预存有判断相似程度的阈值；

第二步，所述光场信号处理模块(3)首次利用所述多视数据采集模块(2)拍摄所述表面光场编码板(1)多视角的数字图像数据，并将该数字图像数据存储于所述光场信号处理模块(3)作为基准数据；

第三步，所述光场信号处理模块(3)二次利用所述多视数据采集模块(2)拍摄所述表面光场编码板(1)的数字图像数据作为待比对数据；

第四步，所述光场信号处理模块(3)采用图像差异对比方法计算所述待比对数据与基准数据的相似程度，并根据预存的相似程度的阈值判断是否识别成功，如果相似程度满足设定的阈值，则输出识别成功信号；反之，则输出识别失败信号。

9.如权利要求8所述的一种三维表面光场编码信号生成及识别的方法，其特征在于，所述第四步中图像差异对比方法采用图像像素数值差异、图像特征差异或图像像素统计差异的对比方法。