CN108133469A - 基于epi的光场拼接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于EPI的光场拼接装置及方法,将光场相机固定在电控平移台的台面上,且光场相机的镜头光轴与电控平移台导轨方向垂直;将电控平移台固定在光学平台的底板上,使电控平移台的导轨和光学平台底板平面平行或垂直;在计算机终端对运动控制器发出指令,控制光场相机在电控平移台导轨上平移;相机在平移运动的过程中采集光场,相邻光场经过注册和插值处理,渲染出比360°视场范围更大的光场。
Description
技术领域
本发明涉及光场拼接领域,特别涉及一种光场注册与插值方法。
背景技术
目前在光场拼接领域内,Jiang Li,Kun Zhou,Yong Wang,Heung-Yeung Shum在文献A Novel Image-Based Rendering System With A Longitudinally Aligned CameraArray中提供的方案是将多个相机捆绑在单个竖直轴上并整体旋转采集360°全景光场,但该方案难以保证相机物理位置保持在同一条竖直线上;C.Birklbauer,S.Opelt,O.Bimber在文献Rendering Gigaray Light Fields中采用光场相机绕竖直轴旋转的方式采集全景光场,并建立四维运动模型,通过将光场数据转化成焦距栈的方式,在频域下合成全景光场,最终将频域下的数据转化为空域下的全景光场数据,但该方法在遮挡边缘鲁棒性差;为改进在遮挡边缘光场拼接处理效果,C.Birklbauer,O.Bimber在文献Panorama Light-Field Imaging中通过采用光场相机绕竖直轴旋转的方式采集全景光场,在空域下利用相邻光场之间具有重叠光线的特点提出光场注册和渲染方法,合成全景光场。这些方法采用的都是使相机绕竖直轴旋转的运动模型,至多采集360°视场范围内的场景,不利于渲染出宽视场的光场;同时,旋转方式下相邻光场之间存在重叠光线,数据量过大,不易存储。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于EPI的光场拼接技术,相机在平移运动的过程中采集光场,相邻光场经过注册和插值处理,渲染出比360°视场范围更大的光场。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于EPI的光场拼接装置,包括光场相机、光学平台、电控平移台、运动控制器和计算机。所述的光场相机固定在电控平移台上,且光场相机的镜头光轴与电控平移台的导轨方向垂直;所述的电控平移台安装在光学平台上,电控平移台的导轨和光学平台平行或垂直;所述的计算机通过运动控制器控制光场相机在电控平移台导轨上平移。
本发明还提供一种基于上述装置的光场拼接方法,包括以下步骤:
1)在满足相邻光场所采集场景重叠度大于20%的条件下,设定电控平移台平移步进,光场相机平移间隔两次以上采集一次光场数据;
2)提取每个光场数据的EPI图,运用SIFT算法对相邻两光场的EPI图求取匹配点,针对相邻两光场的每一对匹配点设定误差函数,注册过程中相邻光场的注册距离为T时第i对匹配点的误差函数Eregist(T,i)=|k1(T,i)-k0(T,i)|+|k2(T,i)-k0(T,i)|,其中,k0(T,i)为相邻两光场的注册距离为T时EPI图中第i对匹配点所在直线的斜率;k1(T,i)、k2(T,i)为相邻两光场的注册距离为T时,EPI图中第i对匹配点对应EPI线的斜率;将每一相邻两光场的注册距离值下求取的所有的误差函数值求和得到一个总误差值,所有总误差值中的最小值对应的相邻两光场的注册距离为最佳注册距离Topt;根据光场相机双平面的几何关系求得插值区域的高度x=Nview×d,其中Nview为插值区域在角度平面某一坐标方向上的视点个数,d为视差距离值;
3)针对采集到的光场数据集合里的每一对相邻光场,对插值区域的每一个像素点设定误差函数其中D为相邻两光场的重聚焦视差值,EPI1(vi,Lj)、EPI2(vi,Lj)分别为左右两光场EPI中直线Lj上视点vi中的像素点值;设定相邻两光场重聚焦视差的取值范围为其中ks为左光场最左端像素点和右光场最右端像素点所在直线的斜率,km为左光场最右端像素点和右光场最左端像素点所在直线的斜率;设定重聚焦视差步长,使得光场中同一点的EPI线在变化前后的距离小于等于一个像素;在每一重聚焦视差值下对两光场进行重聚焦,并在当前光场重聚焦视差值下计算插值区域内每一个像素点的误差函数值,当像素点的当前误差函数值小于旧的误差函数值时,对当前像素点进行插值,并更新当前像素点的误差函数值;
4)将采集到的所有光场数据的EPI图合成一张EPI图,并渲染出一幅宽视场图像。
本发明的有益效果是:克服了现有光场拼接方法在视场角和数据量方面的缺陷,提供了一种基于EPI的光场拼接技术,能够渲染出360°视场范围更大的光场。
附图说明
图1为实施例中光场双平面的坐标定义示意图;
图2为实施例中相邻两光场EPI注册示意图;
图3为实施例中光场相机双平面几何关系示意图;
图4为实施例中相邻两光场注册流程示意图;
图5为实施例中视点插值示意图;
图6为实施例中视点插值流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种基于EPI的光场拼接装置,包括:一台光场相机、一台光学平台、一台电控平移台、一台运动控制器、一副相机支架、一台个人计算机。将光场相机固定在电控平移台的台面上,且光场相机的镜头光轴与电控平移台导轨方向垂直。将电控平移台固定在光学平台的底板上,使电控平移台的导轨和光学平台底板平面平行或垂直。将电控平移台与运动控制器相连,运动控制器与个人计算机相连,在计算机终端对运动控制器发出指令,控制光场相机在电控平移台导轨上平移。
本发明还提供一种基于上述装置的光场拼接方法,包括以下步骤:
1.在满足相邻光场所采集场景重叠度大于20%的条件下,设定电控平移台平移步进,光场相机通过在平移间隔两次以上采集光场数据。
2.基于EPI的注册。提取每个光场数据的EPI图,运用SIFT算法对相邻两光场的EPI图求取匹配点,针对相邻两光场的每一对匹配点设定误差函数:
Eregist(T,i)=|k1(T,i)-k0(T,i)|+|k2(T,i)-k0(T,i)| (1)
其中Eregist(T,i)为注册过程中相邻光场的注册距离为T时,第i对匹配点的误差函数;k0(T,i)为相邻两光场的注册距离为T时,EPI图中第i对匹配点所在直线的斜率;k1(T,i)、k2(T,i)为相邻两光场的注册距离为T时,EPI图中第i对匹配点对应EPI线的斜率。由于电控平移台在移动过程存在惯性误差,需在一定距离范围内优化相邻两光场的注册距离T,将相邻两光场的注册距离初始化,并设定相邻两光场的注册距离步长。针对每一相邻两光场的注册距离值都计算一次所有匹配点的误差函数值,并将每一相邻两光场的注册距离值下求取的所有的误差函数值求和得到一个总误差值。所有总误差值中的最小值对应的相邻两光场的注册距离为最佳注册距离Topt。根据光场相机双平面的几何关系:
求得插值区域的高度x=Nview×d,其中Nm为光场相机角度平面在某一坐标方向上的视点总数,Nview为插值区域在角度平面某一坐标方向上的视点个数,w为角度平面在u方向上的宽度。对每两个相邻光场均进行上述注册过程。
3.基于EPI的插值。针对采集到的光场数据集合里的每一对相邻光场,对插值区域的每一个像素点设定误差函数:
其中Eintp(D)为相邻两光场的重聚焦视差值为D时,插值区域坐标为(m,n)的像素点的误差函数值,EPI1(vi,Lj)、EPI2(vi,Lj)分别为左右两光场EPI中直线Lj上视点vi中的像素点值;根据视差与EPI斜率互为倒数的关系,设定相邻两光场重聚焦视差的取值范围为其中ks为左光场最左端像素点和右光场最右端像素点所在直线的斜率,km为左光场最右端像素点和右光场最左端像素点所在直线的斜率;设定重聚焦视差步长,使得光场中同一点的EPI线在变化前后的距离小于等于一个像素。在每一重聚焦视差值下对两光场进行重聚焦,并在当前光场重聚焦视差值下计算插值区域内每一个像素点的误差函数值,当像素点的当前误差函数值小于旧的误差函数值时,对当前像素点进行插值,并更新当前像素点的误差函数值。对每两个相邻光场均进行上述插值过程。
4.将采集到的所有光场数据的EPI图合成一张EPI图,并渲染出一幅宽视场图像。
本发明实施例提出的光场采集平台包括:光场相机、光学平台、电控平移台、运动控制器、个人计算机。
实施例中涉及到的各变量定义如下:
LFS={lf1,lf2,……lf10}为采集到的10组光场数据集合;
T为注册过程中相邻两光场在s方向上的当前注册距离值;
D为插值过程中光场的当前重聚焦视差值;
N为运用SIFT特征点匹配程序对相邻两光场的EPI图求得匹配点对数。
Eregist(T,i)为注册过程中相邻光场的注册距离为T时,第i对匹配点的误差函数;
Eintp(D)为插值过程中相邻两光场的重聚焦视差值为D时,坐标为(m,n)的像素点的误差函数;
k0(T,i)为相邻两光场的平移距离为T时,EPI图中第i对匹配点所在直线的斜率;
k1(T,i)、k2(T,i)为相邻两光场的注册距离为T时,EPI图中第i对匹配点对应EPI线的斜率;
Esum(T)为相邻两光场注册距离为T时,所有的误差函数值的和;
Topt为相邻两光场的最佳间隔距离;
Nview为插值区域在u方向上的视点个数;
x为插值区域在u方向的宽度;
w为角度平面在u方向上的宽度;
d为视差距离值;
{v1,...,v9}为光场在u方向上的视点序列集合;
{L1,...,L5}为插值过程中当前像素点对应EPI左右各取2条EPI后组成的EPI集合,其中L3为当前像素点对应的EPI;
P为插值区域当前像素点;
EPI1(vi,Lj)、EPI2(vi,Lj)分别为左右两光场EPI中直线Lj上视点vi中的像素点值;
EPI(P)为当前像素点插入的像素值;
weight(vi)为视点vi的权值。
具体步骤如下:
步骤1:如图1,光场采集平台所用的光场相机101为Lytro一代光场相机,定义光场双平面的坐标表示,UV、ST双平面均与光场相机的光轴垂直,且u、s为水平轴,v、t为竖直轴。将Lytro光场相机固定在电控平移台的台面上,且Lytro光场相机的镜头光轴与电控平移台导轨方向垂直。将电控平移台固定在光学平台的底板上,使电控平移台的导轨和光学平台底板平面平行或垂直。将电控平移台与运动控制器相连,运动控制器与个人计算机相连,在计算机终端对运动控制器发出指令,控制光场相机在电控平移台导轨上平移。
设定电控平移台的平移步进为20mm,平移10次,平移加速度为5m/s2,每次平移间隔时间为5s,在每次平移间隔期间在计算机上按下Lytro光场相机的拍摄按钮,采集光场数据。保持相机不动,手持标定板在光场相机前方拍摄10组不同姿态标定板数据。
步骤2:将采集到的10组光场数据和10组标定板数据以.LFP文件的形式导入计算机,用解码程序对光场数据进行解码,用EPI提取程序提取每个光场数据的EPI图。
步骤3:如图2,在相邻两光场的当前间隔距离为T时,运用SIFT特征点匹配程序对相邻两光场的EPI图求得N对匹配点,针对第i对匹配点设定一个误差函数Eregist(T,i)=|k1(T,i)-k0(T,i)|+|k2(T,i)-k0(T,i)|,并初始化误差函数;设定相邻两光场的当前间隔距离T的取值范围[10,30],单位为mm,将T的值初始化为20mm,并设定T的平移步长为0.2mm。针对每一相邻两光场的平移距离值都计算一次所有匹配点的误差函数值,并将每一相邻两光场平移距离值下求取的所有的误差函数值求和得到一个总误差值所有总误差值中的最小值对应的相邻两光场的间隔距离为最佳平移距离Topt。如图3,根据Lytro光场相机双平面的几何关系有因此求得插值区域在u方向的高度x=Nview×d。如图4,对LFS中每两个相邻光场均进行上述注册过程。
步骤4:如图5,针对LFS中每一对相邻光场,对插值区域中的每一个像素点设定误差函数并初始化误差函数;设定相邻两光场的重聚焦视差D的取值范围[-1,1],将D的值初始化为-1,并设定D的平移步长为0.1。在每一重聚焦视差值D下,运用光场重聚焦程序对两光场进行重聚焦,并在当前重聚焦视差值下计算插值区域内每一个像素点的误差函数值,当P点的当前误差函数值小于旧的误差函数值时,则对当前P点进行插值,插值函数为并对当前像素点的Eintp(D)值进行更新。如图6,对LFS中每两个相邻光场均进行上述插值过程。
步骤5:将采集到的所有光场数据的EPI图合成一张EPI图,将EPI图渲染出一幅宽视场图像。
Claims (2)
1.一种基于EPI的光场拼接装置,包括光场相机、光学平台、电控平移台、运动控制器和计算机,其特征在于:所述的光场相机固定在电控平移台上,且光场相机的镜头光轴与电控平移台的导轨方向垂直;所述的电控平移台安装在光学平台上,电控平移台的导轨和光学平台平行或垂直;所述的计算机通过运动控制器控制光场相机在电控平移台导轨上平移。
2.一种利用权利要求1所述装置的基于EPI的光场拼接方法,其特征在于包括下述步骤:
1)在满足相邻光场所采集场景重叠度大于20%的条件下,设定电控平移台平移步进,光场相机平移间隔两次以上采集一次光场数据;
2)提取每个光场数据的EPI图,运用SIFT算法对相邻两光场的EPI图求取匹配点,针对相邻两光场的每一对匹配点设定误差函数,注册过程中相邻光场的注册距离为T时第i对匹配点的误差函数Eregist(T,i)=|k1(T,i)-k0(T,i)|+|k2(T,i)-k0(T,i)|,其中,k0(T,i)为相邻两光场的注册距离为T时EPI图中第i对匹配点所在直线的斜率;k1(T,i)、k2(T,i)为相邻两光场的注册距离为T时,EPI图中第i对匹配点对应EPI线的斜率;将每一相邻两光场的注册距离值下求取的所有的误差函数值求和得到一个总误差值,所有总误差值中的最小值对应的相邻两光场的注册距离为最佳注册距离Topt;根据光场相机双平面的几何关系求得插值区域的高度x=Nview×d,其中Nview为插值区域在角度平面某一坐标方向上的视点个数,d为视差距离值;
3)针对采集到的光场数据集合里的每一对相邻光场,对插值区域的每一个像素点设定误差函数其中D为相邻两光场的重聚焦视差值,EPI1(vi,Lj)、EPI2(vi,Lj)分别为左右两光场EPI中直线Lj上视点vi中的像素点值;设定相邻两光场重聚焦视差的取值范围为其中ks为左光场最左端像素点和右光场最右端像素点所在直线的斜率,km为左光场最右端像素点和右光场最左端像素点所在直线的斜率;设定重聚焦视差步长,使得光场中同一点的EPI线在变化前后的距离小于等于一个像素;在每一重聚焦视差值下对两光场进行重聚焦,并在当前光场重聚焦视差值下计算插值区域内每一个像素点的误差函数值,当像素点的当前误差函数值小于旧的误差函数值时,对当前像素点进行插值,并更新当前像素点的误差函数值;
4)将采集到的所有光场数据的EPI图合成一张EPI图,并渲染出一幅宽视场图像。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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