CN107301663A - 一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法，该方法利用隐藏物体拍摄参数的计算和隐藏物体光学图像的获取两个过程。基于集成成像摄像机阵列，结合集成成像标定原理，获取隐藏物体对应的拍摄参数。通过对集成成像摄像机阵列获取的微图像阵列进行变换，得到隐藏物体的光学图像。该方法同时具备高精度、高速率、可调节和成像范围广的优点，可在可见光环境下对隐藏物体进行高效成像。

Description

一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法
技术领域
本发明涉及隐藏物体拍摄技术，特别涉及一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法。
背景技术
摄像机拍摄技术是将三维场景经过光学成像系统在二维的传感器上投影，进而获得与三维场景相关联的光学信息的技术。随着光学设计和传感器技术的发展，摄像机拍摄技术充满了生活的每个角落。但是，现实生活场景是三维的，由于光的直线传播原理，传统摄像机无法获取隐藏物体的光学图像。为此，X光检测、计算成像以及光子成像技术相继提出，分别可以对特定条件下的隐藏物体进行成像。上述方式或是利用电磁波的穿透性，或是基于对拍摄数据的大量关联计算，或对传感器件具有极高的灵敏度要求，无法做到利用可见光对隐藏物体进行高效成像。集成成像摄像机阵列是获取三维场景不同角度三维信息的装置，可以为集成成像裸眼三维显示提供显示片源。同时，由于集成成像摄像机阵列获取的三维信息数据的冗余性，集成成像摄像机阵列在拍摄隐藏物体方面具有极大的潜力。
发明内容
本发明旨在实现一种基于集成成像摄像机阵列且在可见光环境下对隐藏物体进行高效成像的方法。该方法同时具备高精度、高速率、可调节和成像范围广的优点。为了达到上述目的，本发明提出一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法。该方法基于集成成像摄像机阵列，根据隐藏物体的空间三维坐标，结合集成成像标定原理，获取隐藏物体对应的拍摄参数。利用得到的拍摄参数，对集成成像摄像机阵列获取的微图像阵列进行变换，得到隐藏物体可见光环境下的光学图像。该方法包括隐藏物体拍摄参数的计算和隐藏物体光学图像的获取两个过程。
本发明所提方法可以由集成成像摄像机阵列、棋盘格标定板和遮挡场景实现，如附图1所示。在本发明中，根据隐藏物体在遮挡场景中的位置关系，利用棋盘格标定板对集成成像摄像机阵列进行标定，标定后的集成成像摄像机阵列拍摄遮挡场景，获取对应的微图像阵列。
本发明所提方法的流程如附图2所示，利用初步调节的集成成像摄像机阵列拍摄棋盘格标定板，通过检测棋盘格标定板角点坐标，计算集成成像摄像机阵列标定参数；同时根据遮挡场景和隐藏物体的相对关系，测量隐藏物体距离集成成像摄像机阵列的距离，结合集成成像摄像机阵列的标定参数，计算隐藏物体拍摄参数，隐藏物体拍摄参数包括每个摄像机对应的偏移方向和偏移量；利用计算得到的隐藏物体拍摄参数，计算由集成成像摄像机阵列获取的微图像阵列的偏移图像，进而计算隐藏物体的光学图像。
所述隐藏物体拍摄参数的计算过程，首先，计算集成成像摄像机阵列的标定参数。初步调节集成成像摄像机阵列，使得每个摄像机的拍摄范围都覆盖棋盘格标定板所在的空间，且集成成像摄像机阵列与棋盘格标定板之间的距离为ΔD b 。在摄像机阵列中，摄像机数目为M×N，拍摄棋盘格标定板得到对应的M×N标定视差图像，标定视差图像分辨率为W r ×H r ，检测标定视差图像中的棋盘格角点像素坐标，基于单应性变换原理，计算集成成像摄像机阵列中每个摄像机对应的单应性变换矩阵H m, n ，作为集成成像摄像机阵列的标定参数，H m, n 表示为：
（1）
其中，m和n分别为摄像机阵列的第m列、第n行摄像机对应的索引值，m∈{1, 2, 3, …,M}，n∈{1, 2, 3, …, N}。然后，确定集成成像摄像机阵列与遮挡物体、隐藏物体的空间位置关系。通过测量，分别得到遮挡场景中遮挡物体距离集成成像摄像机阵列的距离ΔD o 和隐藏物体距离集成成像摄像机阵列的距离ΔD h 。集成成像摄像机阵列中的每一行、每一列相邻的摄像机之间的空间距离相同，都为ΔC，如附图3所示。同时根据棋盘格标定板的尺寸，计算集成成像摄像机阵列在棋盘格标定板所处平面处拍摄的遮挡场景范围大小W b ×H b 。最后，根据每个摄像机在集成成像摄像机阵列中的位置和遮挡场景与隐藏物体的空间关系，计算每个摄像机对应的偏移方向和偏移量。其中，偏移方向记为θ m, n ，偏移量记为S m, n ，且分别满足：
（2）
（3）
其中，θ x 、θ y 分别为偏移方向θ m, n 在x轴和y轴的分量，S x 、S y 分别为偏移量S m, n 在x轴和y轴的分量。如附图4所示，θ x 、θ y 、S x 、S y 分别满足：
（4）
（5）
（6）
（7）
其中，round(*)表示对*向最近整数四舍五入取整。
所述隐藏物体光学图像的获取过程，首先，利用集成成像摄像机阵列获取遮挡场景的视差图像，如附图5所示，遮挡场景视差图像分辨率同样为W r ×H r 。第m列、第n行摄像机拍摄得到遮挡场景视差图像为I m, n (x, y)，其中，x和y分别为遮挡场景视差图像像素坐标。利用对应的单应性变换矩阵H m, n ，计算得到对应的校正图像I' m, n (x', y')，I' m, n (x', y')与I m, n (x, y)满足：
（8）
其中：
（9）
然后，根据摄像机对应的偏移方向θ m, n 和偏移量S m, n ，计算对应的偏移视差图像I'' m, n (x'', y'')，I'' m, n (x'', y'')与I' m, n (x', y')满足：
（10）
其中：
（11）
优选地，当x''不满足x''∈{1, 2, 3, …, W r }，或y''不满足y''∈{1, 2, 3, …,H r }时，跳过该像素坐标的计算，以避免像素坐标的计算范围溢出。最后，利用偏移视差图像I'' m, n (x'', y'')，计算得到隐藏物体的光学图像O(x'', y'')：
（12）
其中，m∈{1, 2, 3, …, M}，n∈{1, 2, 3, …, N}。当隐藏物体与摄像机阵列的距离ΔD h 发生变化时，重复上述过程，可以对场景变化后的隐藏物体图像。
本发明提出一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法，该方法无需大量的关联计算，也无需极高灵敏度的传感器，同时具备高精度、高速率、可调节和成像范围广的优点，可在可见光环境下对隐藏物体进行高效地成像。
附图说明
附图1为一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法的实现系统图
附图2为本发明所提方法的流程图
附图3为集成成像摄像机阵列与遮挡场景及棋盘格标定板的空间位置关系
附图4为第m列、第n行摄像机对应的（a）偏移方向和（b）偏移量的计算示意图
附图5为集成成像摄像机阵列获取的遮挡场景视差图像
附图6为（a）集成成像微图像阵列与（b）本发明所提方法得到的隐藏物体图像
上述附图中的图示标号为：
1集成成像摄像机阵列，2遮挡物体，3隐藏物体，4棋盘格标定板。
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
下面详细说明本发明的一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像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。
本发明提出一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法，该方法包括隐藏物体拍摄参数的计算和隐藏物体光学图像的获取两个过程。
本实施例由集成成像摄像机阵列、棋盘格标定板和遮挡场景实现，如附图1所示。在本实施例中，根据隐藏物体在遮挡场景中的位置关系，利用棋盘格标定板对集成成像摄像机阵列进行标定，标定后的集成成像摄像机阵列拍摄遮挡场景，获取对应的微图像阵列。
本实施例的流程如附图2所示，利用初步调节的集成成像摄像机阵列拍摄棋盘格标定板，通过检测棋盘格标定板角点坐标，计算集成成像摄像机阵列标定参数；同时根据遮挡场景和隐藏物体的相对关系，测量隐藏物体距离集成成像摄像机阵列的距离，结合集成成像摄像机阵列的标定参数，计算隐藏物体拍摄参数，隐藏物体拍摄参数包括每个摄像机对应的偏移方向和偏移量；利用计算得到的隐藏物体拍摄参数，计算由集成成像摄像机阵列获取的微图像阵列的偏移图像，进而计算隐藏物体的光学图像。
所述隐藏物体拍摄参数的计算过程，首先，计算集成成像摄像机阵列的标定参数。初步调节集成成像摄像机阵列，使得每个摄像机的拍摄范围都覆盖棋盘格标定板所在的空间，且集成成像摄像机阵列与棋盘格标定板之间的距离为ΔD b = 5000mm。在摄像机阵列中，摄像机数目为M×N = 8×8，拍摄棋盘格标定板得到对应的8×8标定视差图像，标定视差图像分辨率为W r ×H r = 1280×720，检测标定视差图像中的棋盘格角点像素坐标，基于单应性变换原理，计算集成成像摄像机阵列中每个摄像机对应的单应性变换矩阵H m, n ，作为集成成像摄像机阵列的标定参数，H m, n 表示为：
（1）
其中，m和n分别为摄像机阵列的第m列、第n行摄像机对应的索引值，m∈{1, 2, 3, …,8}，n∈{1, 2, 3, …, 8}。然后，确定集成成像摄像机阵列与遮挡物体、隐藏物体的空间位置关系。通过测量，分别得到遮挡场景中遮挡物体距离集成成像摄像机阵列的距离ΔD o =2000mm和隐藏物体距离集成成像摄像机阵列的距离ΔD h = 4000mm。集成成像摄像机阵列中的每一行、每一列相邻的摄像机之间的空间距离相同，都为ΔC = 80mm，如附图3所示。同时根据棋盘格标定板的尺寸，计算集成成像摄像机阵列在棋盘格标定板所处平面处拍摄的遮挡场景范围大小W b ×H b = 2679mm×1507mm。最后，根据每个摄像机在集成成像摄像机阵列中的位置和遮挡场景与隐藏物体的空间关系，计算每个摄像机对应的偏移方向和偏移量。其中，偏移方向记为θ m, n 和偏移量记为S m, n ，且分别满足：
（2）
（3）
其中，θ x 、θ y 分别为偏移方向θ m, n 在x轴和y轴的分量，S x 、S y 分别为偏移量S m, n 在x轴和y轴的分量。如附图4所示，θ x 、θ y 、S x 、S y 分别满足：
（4）
（5）
（6）
（7）
其中，round(*)表示对*向最近整数四舍五入取整。本实施例中，以第7列、第3行摄像机拍摄得到的视差图像为例，其中，θ 7, 2 = (θ x , θ y ) = (0.857, -0.514)，S 7, 2 = (S x , S y ) =(23, -14)。
所述隐藏物体光学图像的获取过程，首先，利用集成成像摄像机阵列获取遮挡场景的视差图像，如附图5所示，遮挡场景视差图像分辨率同样为W r ×H r = 1280×720。第m列、第n行摄像机拍摄得到遮挡场景视差图像为I m, n (x, y)，其中，x和y分别为遮挡场景视差图像像素坐标。利用对应的单应性变换矩阵H m, n ，计算得到对应的校正图像I' m, n (x', y')，I' m, n (x', y')与I m, n (x, y)满足：
（8）
其中：
（9）
然后，根据摄像机对应的偏移方向θ m, n 和偏移量S m, n ，计算对应的偏移视差图像I'' m, n (x'', y'')，I'' m, n (x'', y'')与I' m, n (x', y')满足：
（10）
其中：
（11）
优选地，当x''不满足x''∈{1, 2, 3, …, 1280}，或y''不满足y''∈{1, 2, 3, …,720}时，跳过该像素坐标的计算，以避免像素坐标的计算范围溢出。最后，利用偏移视差图像I'' m, n (x'', y'')，计算得到隐藏物体的光学图像O(x'', y'')：
（12）
其中，m∈{1, 2, 3, …, 8}，n∈{1, 2, 3, …, 8}。当隐藏物体与摄像机阵列的距离ΔD h 发生变化时，重复上述过程，可以对场景变化后的隐藏物体成像。

Claims (3)

1.一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法，其特征在于，该方法包括隐藏物体拍摄参数的计算和隐藏物体光学图像的获取两个过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法，其特征在于，所述隐藏物体拍摄参数的计算过程，首先，初步调节集成成像摄像机阵列，使得每个摄像机的拍摄范围都覆盖棋盘格标定板所在的空间，且集成成像摄像机阵列与棋盘格标定板之间的距离为ΔD b ，在摄像机阵列中，摄像机数目为M×N，拍摄棋盘格标定板得到对应的M×N标定视差图像，标定视差图像分辨率为W r ×H r ，检测标定视差图像中的棋盘格角点，计算集成成像摄像机阵列中每个摄像机对应的单应性变换矩阵H m, n ，作为集成成像摄像机阵列的标定参数，H m,n 表示为，其中，m和n分别为摄像机阵列的第m列、第n行摄像机对应的索引值，m∈{1, 2, 3, …, M}，n∈{1, 2, 3, …, N}；然后，通过测量，分别得到遮挡场景中遮挡物体距离集成成像摄像机阵列的距离ΔD o 和隐藏物体距离集成成像摄像机阵列的距离ΔD h ，集成成像摄像机阵列中的每一行、每一列相邻的摄像机之间的空间距离相同，都为ΔC，同时根据棋盘格标定板的尺寸，计算集成成像摄像机阵列在棋盘格标定板平面处拍摄的遮挡场景范围大小W b ×H b ；最后，根据每个摄像机在集成成像摄像机阵列中的位置和遮挡场景与隐藏物体的空间关系，计算每个摄像机对应的偏移方向和偏移量，其中，偏移方向记为θ m, n ，偏移量记为S m, n ，且分别满足，，其中，θ x 、θ y 分别为偏移方向θ m, n 在x轴和y轴的分量，S x 、S y 分别为偏移量S m, n 在x轴和y轴的分量，θ x 、θ y 、S x 、S y 分别满足，
，，
，其中，round(*)表示对*向最近整数四舍五入取整。
3.根据权利要求1所述的一种基于集成成像摄像机阵列的隐藏物体成像方法，其特征在于，所述隐藏物体光学图像的获取过程，首先，利用集成成像摄像机阵列获取遮挡场景的视差图像，遮挡场景视差图像分辨率同样为W r ×H r ，第m列、第n行摄像机拍摄得到遮挡场景视差图像为I m, n (x, y)，其中，x和y分别为遮挡场景视差图像像素坐标，利用对应的单应性变换矩阵H m, n ，计算得到对应的校正图像I' m, n (x', y')，I' m, n (x', y')与I m, n (x, y)满足，其中
；然后，根据摄像机对应的偏移方向θ m, n 和偏移量S m, n ，计算对应的偏移视差图像I'' m, n (x'', y'')，I'' m, n (x'', y'')与I' m, n (x', y')满足，其中，优选地，当x''不满足x''∈{1, 2, 3, …, W r }，或y''不满足y''∈{1, 2, 3, …, H r }时，跳过该像素坐标的计算，以避免像素坐标的计算范围溢出；最后，利用偏移视差图像I'' m, n (x'', y'')，计算得到隐藏物体的光学图像O(x'', y'')，O(x'', y'')满足，其中，m∈{1, 2, 3, …, M}，n∈{1, 2, 3, …, N}。
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