CN108156395A - 基于相机阵列的全景光场采集装置、处理方法和计算设备 - Google Patents

基于相机阵列的全景光场采集装置、处理方法和计算设备 Download PDF

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吕相文
吕东岳
刘弋锋
谢海永
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    • H04N5/265—Mixing

Abstract

本发明提供一种基于相机阵列的全景光场采集装置、处理方法和计算设备，所述装置包括一个正N边形柱体，在所述柱体的每一个侧面均匀分布K个参数相同的镜头，所述K个属性相同的镜头组成矩阵相机阵列；其中，N的取值由所述柱体相邻面上对应位置的镜头所拍摄场景的重合度确定，所述矩阵相机阵列的长度为x，所述矩阵相机阵列的宽度为y，K＝x×y。本发明采用参数完全相同的镜头同步曝光，消除了不同焦距下的图像采用了不同的拼接参数造成的虚化、错位等问题。

Description

基于相机阵列的全景光场采集装置、处理方法和计算设备
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及一种基于相机阵列的全景光场采集装置、处理方法和计算设备。
背景技术
光场成像的过程包括光场的采集以及相应的光场数据处理。从结构上来分，光场的采集主要包括多相机组合和单相机改造两种方式。前者以麻省理工学院和斯坦福大学为代表，先后采用多相机阵列的方式搭建了光场采集系统，从每个相机拍摄到的图片进行重构，计算出四维光场。单相机光场采集方式在单个相机中引入光学调制元件，改变其成像结构，从而将相机内部的四维光场重新分布到一个二维的探测器平面上。
自从能够商用的光场相机问世之后，因为光场具有传统摄像手段所不具有的优势，研究者就考虑将在传统摄像中已经得到广泛应用的全景图像拼接应用于光场图像中。与传统全景图像相比，光场全景在观看时不仅能够实现三自由度的转动，还能够实现根据观看者的需要多次聚焦，并且在一定程度上实现小角度的三维位移，给观看者更具沉浸感的体验。
现有的实现光场图像拼接的方法主要有两种，并且都是基于现有商用光场相机的：
一、先对拍摄的图像阵列进行处理，获得一系列不同焦距下的图像，对这一系列不同焦距下的图像进行拼接，此方法处理后得到的全景光场图像避免了第一种方法会产生的变焦失效问题，但因为还是对不同焦距下的图像采用了不同的拼接参数，虚化、错位等问题仍无法避免；有研究者提出对这一算法进行改进，使用全焦图像进行拼接，再将拼接参数应用于不同焦距下的图像，但在应对某些与光线方向非常相关的因素时(反射、阴影等)仍然会有缺陷出现；
二、直接对光线进行处理，将事先拍摄好的固定角度的光场图像用来进行拼接，由于光场图像拍摄角度固定，相邻两张图像中的每条光线的关系就能通过计算得到，但需要非常大的计算能力以及事先的精确校准，实施难度较大。
因此，为了解决上述问题，需要一种基于相机阵列的全景光场采集装置、处理方法和计算设备。
发明内容
本发明的一各方面在于提供一种基于相机阵列的全景光场采集装置，所述装置包括一个正N边形柱体，在所述柱体的每一个侧面均匀分布K个参数相同的镜头，所述K个属性相同的镜头组成矩阵相机阵列；
其中，N的取值由所述柱体相邻面上对应位置的镜头所拍摄场景的重合度确定，所述矩阵相机阵列的长度为x，所述矩阵相机阵列的宽度为y，K＝x×y。
优选地，所述柱体相邻面上对应位置的镜头所拍摄的场景刚好重合时，所述柱体的变数N取最小值。
本发明的另一个发明在于提供一种全光场处理方法，所述方法包括：
所述K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片；
将N边形柱体不同面上对应位置的镜头拍摄的图片进行全景图片拼接，生成K个全景阵列图；
拼成生成的所述K个全景阵列图在水平方向看成一个循环，进行具有边缘处理的重聚焦计算。
优选地，所述K个全景阵列图按照如下方法生成：
根据拼接算法对第一组图片进行全景拼接生成第一张全景图，并计算生成所述第一张全景图的模板参数；
将余下的K-1组图片使用所述模板参数，依次通过拼接算法拼接生成K-1张全景图；
将生成的所述第一张全景图与所述K-1张全景图阵列，生成K个全景阵列图。
优选地，所述模板参数为拍摄每一组图片的各个镜头相对位置不变时可以复用的参数集合。
优选地，当拍摄静态物体时，所述K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片。
优选地，当拍动态物体时，所述K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片。
本发明的再一个方面在于提供一种适用于全光场处理方法的计算设备，所述计算设备存储多条指令，加载并执行：
控制全景光场采集装置的K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片；
将N边形柱体不同面上对应位置的镜头拍摄的图片进行全景图片拼接，生成K个全景阵列图；
拼成生成的所述K个全景阵列图在水平方向看成一个循环，进行具有边缘处理的重聚焦计算。
优选地，所述K个全景阵列图按照如下方法生成：
根据拼接算法对第一组图片进行全景拼接生成第一张全景图，并计算生成所述第一张全景图的模板参数；
将余下的K-1组图片使用所述模板参数，依次通过拼接算法拼接生成K-1张全景图；
将生成的所述第一张全景图与所述K-1张全景图阵列，生成K个全景阵列图。
优选地，所述模板参数为拍摄每一组图片的各个镜头相对位置不变时可以复用的参数集合。
本发明提供的基于相机阵列的全景光场采集装置、处理方法和计算设备采用参数完全相同的镜头同步曝光，对相应位置的镜头分组进行拼接，并且将第一组全景图计算的模板参数用于其他组全景图拼接，消除了不同焦距下的图像采用了不同的拼接参数造成的虚化、错位等问题。
本发明提供的全景光场采集装置、处理方法和计算设备，能够有效应对与光线方向非常相关的因素出现时造成的缺陷。
本发明提供的全景光场采集装置、处理方法和计算设备降低了计算量要求降低，无需事先对镜头进行校准，降低了全景光场还原的实施难度。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明基于相机阵列的全景光场采集装置的结构示意图；
图2示出了本发明正N边形柱体的边数与镜头拍摄场景的关系示意图；
图3示出了本发明参数相同的镜头同步曝光获取图片的示意图；
图4示出了本发明生成全景阵列图阵列图的示意图；
图5示出了本发明全景阵列图重聚焦计算的示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。下面通过具体实施例对本发明的内容进行说明。如图1所示本发明基于相机阵列的全景光场采集装置的结构示意图，实施例中一种基于相机阵列的全景光场采集装置，包括一个正N边形柱体100，在正多边形柱体柱体100的每一个侧面均匀分布K个参数相同的镜头101，K个属性相同的镜头组成矩阵相机阵列，具体地本实施例中每个镜头的视屏信号用Vnk表示。
根据本发明，正N边形柱体100的边数N的取值由柱体相邻面上对应位置的镜头所拍摄场景的重合度确定，如图2所示本发明正N边形柱体的边数与镜头拍摄场景的关系示意图，本实施例中示例性的以正六边形柱体为例，柱体a面相邻的面为b面和c面，a面边缘位置的镜头101a与b面边缘位置的镜头101b位置对应，同时a面边缘位置的镜头101a与c面边缘位置的镜头101c位置对应。所有镜头的拍摄场景的角度β相同，柱体相邻面上对应位置的镜头所拍摄场景的重合度确定正N边形柱体的边数N，根据本发明，实施例中a面边缘位置的镜头101a与b面边缘位置的镜头101b的拍摄场景需要重合，a面边缘位置的镜头101a与c面边缘位置的镜头101c的拍摄场景需要重合。
本发明所述柱体相邻面上对应位置的镜头所拍摄的场景刚好重合时，所述柱体的变数N取最小值。实施例中a面边缘位置的镜头101a与b面边缘位置的镜头101b的拍摄场景刚好重合，a面边缘位置的镜头101a与c面边缘位置的镜头101c的拍摄场景刚好重合，则正N边形柱体的边数N为最小值。本实施中示例性的为正六边形柱体。
应当理解上述只是示例性的说明，本领域技术人员应当理解并不想与上述的实施例，对于相邻面上的位置对应的所有镜头的拍摄场景都应当相互重合。
本发明中正N边形柱体的每一个侧面上的矩阵相机阵列的长度为x，所述矩阵相机阵列的宽度为y，K＝x×y，每个镜头的视屏信号为Vnk。
利用本发明所提供的基于相机阵列的全景光场采集装置采集图片，对采集的图片通过全光场处理方法进行处理，具体实施例中全光场处理方法包括：
K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片。当拍摄静态物体时，所述K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片。
当拍摄动态物体时，所述K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片。
将N边形柱体不同面上对应位置的镜头拍摄的图片进行全景图片拼接，生成K个全景阵列图。
实施例中，K个全景阵列图按照如下方法生成：
根据拼接算法对第一组图片进行全景拼接生成第一张全景图，并计算生成所述第一张全景图的模板参数。如图3所示参数相同的镜头同步曝光获取图片的示意图，实施例中正N边形柱体的第一个面的第一个镜头曝光拍摄的图片为V11，……，正N边形柱体的第一个面的最后镜头曝光拍摄的图片为V1k。
依次类推，正正N边形柱体的最后一个面的第一个镜头曝光拍摄的图片为VN1，……，正N边形柱体的最后一个面的最后镜头曝光拍摄的图片为VNk。
所有面上位置对应的第一个镜头通过拼接算法得到第一张全景图，具体地，第一张全景图按照如下方法计算得到：
P1(δ)＝Stitch1(V11，V21，…，VN1)
其中，P1(δ)为第一张全景图，Stitch为拼接函数，δ为模板参数。模板参数是指拍摄每一组图片的各个镜头相对位置不变时可以复用的参数集合，在后续的全景图生成时，直接使用该参数模板。
将余下的K-1组图片使用模板参数δ，依次通过拼接算法拼接生成K-1张全景图。
实施例中正N边形柱体的第二个面的所有镜头曝光拍摄的图片为V21，V22…V2k，……，正N边形柱体的最后一个面的所有镜头曝光拍摄的图片为VN1，VN2…VNk。依次通过拼接算法生成K-1张全景图，具体地，K-1张全景图按如下方法计算得到：
P2(δ)＝Stitch2(V12，V22，…，VN2)，……，PK(δ)＝StitchK(V1K，V2K，…，VNK)。
P2(δ)为第二张全景图，……，PK(δ)为第K张全景图。
在上述实施例中对于拼接算法的选择不做具体限定，实施例只是示例性说明，在一些实施方式中本领域技术人员可以根据具体的实施情形选择更优的拼接算法。
如图4所示本发明生成全景阵列图阵列图的示意图，将生成的第一张全景图与所述K-1张全景图阵列，生成K个全景阵列图。实施例中总共生成由K＝x×y个全景图组成的全景图阵列，全景图阵列的长度为x，宽度为y。
如图5所示本发明全景阵列图重聚焦计算的示意图，拼成生成的K个全景阵列图在水平方向看成一个循环，进行具有边缘处理的重聚焦计算，经过计算将生成全景图像进行显示。在一些实施例中可以采用边缘处理的三维显示计算。
本实施例中对于全光场处理方法使用的计算设备存储多条指令，利用计算设备加载并执行存储的指令：
K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片。当拍摄静态物体时，所述K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片。
当拍摄动态物体时，所述K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片。
将N边形柱体不同面上对应位置的镜头拍摄的图片进行全景图片拼接，生成K个全景阵列图。K个全景阵列图按照如下方法生成：
根据拼接算法对第一组图片进行全景拼接生成第一张全景图，并计算生成所述第一张全景图的模板参数。实施例中正N边形柱体的第一个面的第一个镜头曝光拍摄的图片为V11，……，正N边形柱体的第一个面的最后镜头曝光拍摄的图片为V1k。
依次类推，正正N边形柱体的最后一个面的第一个镜头曝光拍摄的图片为VN1，……，正N边形柱体的最后一个面的最后镜头曝光拍摄的图片为VNk。
所有面上位置对应的第一个镜头通过拼接算法得到第一张全景图，具体地，第一张全景图按照如下方法计算得到：
P1(δ)＝Stitch1(V11，V21，…，VN1)
其中，P1(δ)为第一张全景图，Stitch为拼接函数，δ为模板参数。模板参数是指拍摄每一组图片的各个镜头相对位置不变时可以复用的参数集合，在后续的全景图生成时，直接使用该参数模板。
将余下的K-1组图片使用模板参数δ，依次通过拼接算法拼接生成K-1张全景图。
实施例中正N边形柱体的第二个面的所有镜头曝光拍摄的图片为V21，V22…V2k，……，正N边形柱体的最后一个面的所有镜头曝光拍摄的图片为VN1，VN2…VNk。依次通过拼接算法生成K-1张全景图，具体地，K-1张全景图按如下方法计算得到：
P2(δ)＝Stitch2(V12，V22，…，VN2)，……，PK(δ)＝StitchK(V1K，V2K，…，VNK)。
P2(δ)为第二张全景图，……，PK(δ)为第K张全景图。
在上述实施例中对于拼接算法的选择不做具体限定，实施例只是示例性说明，在一些实施方式中本领域技术人员可以根据具体的实施情形选择更优的拼接算法。
将生成的第一张全景图与所述K-1张全景图阵列，生成K个全景阵列图。实施例中总共生成由K＝x×y个全景图组成的全景图阵列，全景图阵列的长度为x，宽度为y。拼成生成的K个全景阵列图在水平方向看成一个循环，进行具有边缘处理的重聚焦计算，经过计算将生成全景图像进行显示。
本发明提供的基于相机阵列的全景光场采集装置、处理方法和计算设备采用参数完全相同的镜头同步曝光，对相应位置的镜头分组进行拼接，并且将第一组全景图计算的模板参数用于其他组全景图拼接，消除了不同焦距下的图像采用了不同的拼接参数造成的虚化、错位等问题。
本发明提供的全景光场采集装置、处理方法和计算设备，能够有效应对与光线方向非常相关的因素出现时造成的缺陷。
本发明提供的全景光场采集装置、处理方法和计算设备降低了计算量要求降低，无需事先对镜头进行校准，降低了全景光场还原的实施难度。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种基于相机阵列的全景光场采集装置，其特征在于，所述装置包括一个正N边形柱体，在所述柱体的每一个侧面均匀分布K个参数相同的镜头，所述K个属性相同的镜头组成矩阵相机阵列；
其中，N的取值由所述柱体相邻面上对应位置的镜头所拍摄场景的重合度确定，所述矩阵相机阵列的长度为x，所述矩阵相机阵列的宽度为y，K＝x×y。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柱体相邻面上对应位置的镜头所拍摄的场景刚好重合时，所述柱体的变数N取最小值。
3.一种利用权利要求1或2所述装置采集的全光场处理方法，其特征在于，所述方法包括：
所述K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片；
将N边形柱体不同面上对应位置的镜头拍摄的图片进行全景图片拼接，生成K个全景阵列图；
拼成生成的所述K个全景阵列图在水平方向看成一个循环，进行具有边缘处理的重聚焦计算。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述K个全景阵列图按照如下方法生成：
根据拼接算法对第一组图片进行全景拼接生成第一张全景图，并计算生成所述第一张全景图的模板参数；
将余下的K-1组图片使用所述模板参数，依次通过拼接算法拼接生成K-1张全景图；
将生成的所述第一张全景图与所述K-1张全景图阵列，生成K个全景阵列图。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模板参数为拍摄每一组图片的各个镜头相对位置不变时可以复用的参数集合。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当拍摄静态物体时，所述K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当拍摄动态物体时，所述K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片。
8.一种适用于权利要求3至7至任一权利要求所述方法的计算设备，其特征在于，所述计算设备存储多条指令，加载并执行：
控制全景光场采集装置的K个参数相同的镜头同步曝光，获取K×N个图片；
将N边形柱体不同面上对应位置的镜头拍摄的图片进行全景图片拼接，生成K个全景阵列图；
拼成生成的所述K个全景阵列图在水平方向看成一个循环，进行具有边缘处理的重聚焦计算。
9.根据权利要求8所述的计算设备，其特征在于，所述K个全景阵列图按照如下方法生成：
根据拼接算法对第一组图片进行全景拼接生成第一张全景图，并计算生成所述第一张全景图的模板参数；
将余下的K-1组图片使用所述模板参数，依次通过拼接算法拼接生成K-1张全景图；
将生成的所述第一张全景图与所述K-1张全景图阵列，生成K个全景阵列图。
10.根据权利要求8所述的计算设备，其特征在于，所述模板参数为拍摄每一组图片的各个镜头相对位置不变时可以复用的参数集合。
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