CN109166154B - 用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法 - Google Patents

用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，移动黑底白点校准板到不同景深位置，在不同景深位置下执行如下步骤：步骤1：单个或多个光场相机拍摄校准板，得到多个已知三维位置的白点的光场图像；步骤2：将各光场相机光圈值调至最大，拍摄白色背景得到微透镜中心图像；步骤3：根据光场相机成像规律计算得到不同位置白点在光场相机中成像的弥散圆直径及圆心坐标；步骤4：拟合弥散圆直径及圆心坐标与三维体空间位置的映射函数；步骤5：根据光场相机成像规律和所述映射函数，找到空间任意位置白点影响到的所有像素及校准权重系数，即实现光场三维粒子图像重构的光场相机校准。本发明能够明显提高光场粒子图像的三维重构质量。

Description

用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法
技术领域
本发明涉及流场测量技术领域，具体地涉及用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，尤其涉及一种光场相机三维流场激光粒子图像测速技术。
背景技术
在光场三维粒子图像测速技术中，采用单台或者多台光场相机采集三维流场示踪粒子光场图像，通过对光场粒子图像进行重构和三维互相关计算得到体空间的三维速度场。其中，光场粒子图像三维重构是实现光场三维粒子图像测速的关键步骤。现有技术基于理想高斯光学模型，通过光线跟踪的方法来计算获得空间体素与成像像素的权重系数，进而根据乘法代数重构算法(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique，简称MART)来迭代计算空间三维体素值。但在实际测量实验中，如图1所示，由于光学观察窗口的形状及折射率与空气不同引起的畸变，主透镜及微透镜阵列安装误差引起的畸变，测量介质与空气的折射率不同引起的畸变，导致光线跟踪过程中存在无法忽略的误差，进而大幅降低MART重构质量，甚至引起MART重构失败。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法。
根据本发明提供的一种用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，移动黑底白点校准板到不同景深位置，在不同景深位置下执行如下步骤：
步骤1：单个或多个光场相机拍摄黑底白点校准板，得到多个已知三维位置的白点的光场图像；
步骤2：将各光场相机光圈值调至最大，拍摄白色背景得到微透镜中心图像；
步骤3：通过已知三维位置白点的光场图像及微透镜中心图像，根据光场相机成像规律计算得到不同位置白点在光场相机中成像的弥散圆直径及圆心坐标；
步骤4：拟合弥散圆直径及圆心坐标与三维体空间位置的映射函数；
其中，步骤1、步骤2、步骤3依次执行，或者步骤2、步骤1、步骤3依次执行。
优选地，所述用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，还包括：
步骤5：根据光场相机成像规律和所述映射函数，找到空间任意位置白点影响到的所有像素及校准权重系数，即实现光场三维粒子图像重构的光场相机校准。
优选地，步骤1步中所述校准板上的每一个白点会照亮一个或多个像素，每个被弥散圆覆盖的微透镜下均成像一白斑，记第i个白斑的中心位置为pc(i)；其中，所述校准板上的白点成等间距排列。
优选地，步骤2中所述的白色背景为光强均匀的白色背景，微透镜中心图像中的每个白斑中心即为微透镜中心，记第i个白斑中心即微透镜中心位置为Cl(i)。
优选地，步骤3具体为：
基于拍摄的黑底白点校准板的光场图像，根据如下公式计算三维空间校准板第i个白点Oi(x，y，z)对应的弥散圆直径Ddf(i)和圆心坐标Cdf(i)(X，Y)：
(Cl(i)-pc(i))Ddf(i)+dl(Cl(i)-Cdf(i)(X，Y))＝0 (1)
dl＝|Cl(i+1)-Cl(i)|
其中，方程(1)成立的条件为：(a)光场相机为微透镜阵列位于成像传感器一倍焦距之前的聚焦型光场相机，(b)微透镜中心位置Cl(i)对应的微透镜必须被弥散圆完全覆盖。
优选地，步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：建立针孔模型，拟合三维空间校准板第i个白点Oi(x，y，z)与对应弥散圆圆心坐标Cdf(i)(X，Y)的映射函数关系
Figure BDA0001782238920000022
针孔模型如下：
Figure BDA0001782238920000021
其中，λ表示映射关系系数，
Figure BDA0001782238920000023
表示映射矩阵，
Figure BDA0001782238920000024
通过校准板上所有作为点光源的白点Oi(x，y，z)及对应的弥散圆圆心坐标Cdf(i)(X，Y)得到；X、Y分别表示直角坐标系的坐标；x，y，z分别表示空间直角坐标系的坐标；
步骤4.2：建立三维空间校准板第i个白点Oi(x，y，z)与弥散圆直径Ddf(i)的映射函数关系
Figure BDA0001782238920000025
模型如下：
Figure BDA0001782238920000031
其中，系数α，β，ω，
Figure BDA0001782238920000034
γ通过校准板上所有作为点光源的白点Oi(x，y，z)及对应的弥散圆直径Ddf(i)拟合得到；pm表示主透镜光圈直径，pm＝fm(1-M)/f＃，fm表示主透镜焦距，M表示放大系数，f＃表示主透镜光圈值，Simage表示像距。
优选地，所述步骤5具体为：
根据光场相机成像规律和所述映射函数，计算得到任意三维空间位置白点Oj(x，y，z)对应的弥散圆圆心坐标Cdf(j)(X，Y)及弥散圆直径Ddf(j)，以及微透镜中心位置Cl(j)，计算得到任意三维空间位置白点影响到的所有微透镜后，找到空间任意位置白点Oj(x，y，z)影响到的所有像素及校准权重系数：定义微透镜的权重系数W1为微透镜与弥散圆的重叠面积占弥散圆总面积的百分比；定义像素的权重系数W2为像素与弥散圆覆盖的微透镜下成像白斑区域重叠面积占白斑区域总面积的百分比；每个被任意三维空间位置白点影响到的像素的校准权重系数W＝W1·W2。
优选地，根据下列两方程计算出每个微透镜下被影响到的区域边界，根据边界决定每个微透镜下被影响到的所有像素，
上边界方程：
Figure BDA0001782238920000032
下边界方程：
Figure BDA0001782238920000033
通过获得的体空间像素及该体空间像素的校准权重系数，迭代计算三维空间体素值Ej(x，y，z)。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够精确计算出每个流场示踪粒子发出的光线照亮的所有像素及每个像素的权重系数，通过光场相机拍摄三维空间校准板来消除光线跟踪中由光学观察窗口的折射率及形状、主透镜及微透镜阵列安装误差引起的畸变，明显提高光场粒子图像的三维重构质量。
2、本发明能够对多光场相机系统提供统一的坐标系，满足了对多光场相机系统的校准需要。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明需要解决的光场相机成像中存在的各种光学畸变。
图2为本发明实施流程图。
图3为本发明用于校准的装置及校准板示意图。
图4为本发明一个校准板白点的光场图像。
图5为本发明光场相机光圈值调到最大时拍摄白色背景得到的微透镜中心图像。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的一种用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准算法，通过光场相机拍摄三维空间校准板来消除因光学观察窗口的形状及折射率与空气不同引起的光学畸变、主透镜及微透镜阵列安装误差引起的光学畸变、测量介质与空气的折射率不同引起的光学畸变，提高三维重构权重系数计算精度，进而提升光场粒子图像三维重构质量。
根据本发明提供的一种用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，移动黑底白点校准板到不同景深位置，在不同景深位置下执行如下步骤：
步骤1：单个或多个光场相机拍摄黑底白点校准板，得到多个已知三维位置的白点的光场图像；优选地，在利用光场相机完成对三维流场示踪粒子的光场图像采集后，保持主透镜调焦环不变，如图2所示，利用高精度手动/电动位移台移动校准板，每移动一小步，光场相机拍摄一幅校准板在该位置的图像，见图3。所述校准板上的每一个白点会照亮一个或多个像素，每个被弥散圆覆盖的微透镜下均成像一白斑，记第i个白斑的中心位置为pc(i)；其中，所述校准板上的白点成等间距排列。
步骤2：将各光场相机光圈值调至最大，拍摄白色背景得到微透镜中心图像，如图4所示，优选地，步骤2中所述的白色背景为光强均匀的白色背景，微透镜中心图像中的每个白斑中心即为微透镜中心，记第i个白斑中心即微透镜中心位置为Cl(i)。
步骤3：通过已知三维位置白点的光场图像及微透镜中心图像，根据光场相机成像规律计算得到不同位置白点在光场相机中成像的弥散圆直径及圆心坐标；优选地，步骤3具体为：
基于拍摄的黑底白点校准板的光场图像，根据如下公式计算三维空间校准板第i个白点Oi(x，y，z)对应的弥散圆直径Ddf(i)和圆心坐标Cdf(i)(X，Y)：
(Cl(i)-pc(i))Ddf(i)+dl(Cl(i)-Cdf(i)(X，Y))＝0 (1)
dl＝|Cl(i+1)-Cl(i)|
其中，方程(1)成立的条件为：(a)光场相机为微透镜阵列位于成像传感器一倍焦距之前的聚焦型光场相机，(b)微透镜中心位置Cl(i)对应的微透镜必须被弥散圆完全覆盖；对于一个点光源O(j)，有n个微透镜满足条件(2)就会有n个方程(1)，当n≥2时，通过解超定方程组得到Cdf(i)(X，Y)和Ddf(i)。
其中，步骤1、步骤2、步骤3依次执行，或者步骤2、步骤1、步骤3依次执行。
步骤4：拟合弥散圆直径及圆心坐标与三维体空间位置的映射函数；优选地，步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：建立针孔模型，拟合三维空间校准板第i个白点Oi(x，y，z)与对应弥散圆圆心坐标Cdf(i)(X，Y)的映射函数关系
Figure BDA0001782238920000056
针孔模型如下：
Figure BDA0001782238920000051
其中，λ表示映射关系系数，
Figure BDA0001782238920000054
表示映射矩阵，
Figure BDA0001782238920000055
通过校准板上所有作为点光源的白点Oi(x，y，z)及对应的弥散圆圆心坐标Cdf(i)(X，Y)得到；X、Y分别表示直角坐标系的坐标；x，y，z分别表示空间直角坐标系的坐标；
步骤4.2：建立三维空间校准板第i个白点Oi(x，y，z)与弥散圆直径Ddf(i)的映射函数关系
Figure BDA0001782238920000053
模型如下：
Figure BDA0001782238920000052
其中，系数α，β，ω，
Figure BDA0001782238920000063
γ通过校准板上所有作为点光源的白点Oi(x，y，z)及对应的弥散圆直径Ddf(i)拟合得到；pm表示主透镜光圈直径，pm＝fm(1-M)/f＃，fm表示主透镜焦距，M表示放大系数，f＃表示主透镜光圈值，Simage表示像距。
优选地，所述用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，还包括：
步骤5：根据光场相机成像规律和所述映射函数，找到空间任意位置白点影响到的所有像素及校准权重系数，即实现光场三维粒子图像重构的光场相机校准。优选地，所述步骤5具体为：
根据光场相机成像规律和所述映射函数，计算得到任意三维空间位置白点Oj(x，y，z)对应的弥散圆圆心坐标Cdf(j)(X，Y)及弥散圆直径Ddf(j)，以及微透镜中心位置Cl(j)，计算得到任意三维空间位置白点影响到的所有微透镜后，找到空间任意位置白点Oj(x，y，z)影响到的所有像素及校准权重系数：定义微透镜的权重系数W1为微透镜与弥散圆的重叠面积占弥散圆总面积的百分比；定义像素的权重系数W2为像素与弥散圆覆盖的微透镜下成像白斑区域重叠面积占白斑区域总面积的百分比；每个被任意三维空间位置白点影响到的像素的校准权重系数W＝W1·W2。
优选地，根据下列两方程计算出每个微透镜下被影响到的区域边界，根据边界决定每个微透镜下被影响到的所有像素，
上边界方程：
Figure BDA0001782238920000061
下边界方程：
Figure BDA0001782238920000062
上述两方程为一维情况边界，二维情况边界依据上述方程扩展为二维情况。
通过获得体空间像素及该体空间像素的校准权重系数后，根据乘法代数重构算法，迭代计算三维空间体素值Ej(x，y，z)。
优选地，通过本发明获得体空间像素及该体空间像素的校准权重系数后，即可根据如下MART算法，迭代计算三维空间体素值Ej(x，y，z)，本领域技术人员可以参照现有技术实现所述MART算法，在此不予赘述，因此下文仅示意性的简略介绍用MART算法进行迭代：
Figure BDA0001782238920000071
其中，Ej(x，y，z)表示空间体素(x，y，z)的数值，下标j表示空间体素的序号，j为正整数，上标k表示第k次迭代计算所得到的体素数值；I(xj，yj)表示像素(xj，yj)处的数值，该数值由光场相机所拍摄的示踪粒子光场图像获得；W表示通过本发明计算所得的校准权重系数，μ表示重构迭代松弛因子。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，其特征在于，移动黑底白点校准板到不同景深位置，在不同景深位置下执行如下步骤：
步骤1：单个或多个光场相机拍摄黑底白点校准板，得到多个已知三维位置的白点的光场图像；
步骤2：将各光场相机光圈值调至最大，拍摄白色背景得到微透镜中心图像；
步骤3：通过已知三维位置白点的光场图像及微透镜中心图像，根据光场相机成像规律计算得到不同位置白点在光场相机中成像的弥散圆直径及圆心坐标；
步骤4：拟合弥散圆直径及圆心坐标与三维体空间位置的映射函数；
其中，步骤1、步骤2、步骤3依次执行，或者步骤2、步骤1、步骤3依次执行；
所述用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，还包括：
步骤5：根据光场相机成像规律和所述映射函数，找到空间任意位置白点影响到的所有像素及校准权重系数，即实现光场三维粒子图像重构的光场相机校准；
所述步骤5具体为：
根据光场相机成像规律和所述映射函数，计算得到任意三维空间位置白点Oj(x，y，z)对应的弥散圆圆心坐标Cdf(j)(X，Y)及弥散圆直径Ddf(j)，以及微透镜中心位置Cl(j)，计算得到任意三维空间位置白点影响到的所有微透镜后，找到空间任意位置白点Oj(x，y，z)影响到的所有像素及校准权重系数：定义微透镜的权重系数W1为微透镜与弥散圆的重叠面积占弥散圆总面积的百分比；定义像素的权重系数W2为像素与弥散圆覆盖的微透镜下成像白斑区域重叠面积占白斑区域总面积的百分比；每个被任意三维空间位置白点影响到的像素的校准权重系数W＝W1·W2。
2.根据权利要求1所述的用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，其特征在于，步骤1步中所述校准板上的每一个白点会照亮一个或多个像素，每个被弥散圆覆盖的微透镜下均成像一白斑，记第i个白斑的中心位置为pc(i)；其中，所述校准板上的白点成等间距排列。
3.根据权利要求1所述的用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，其特征在于，步骤2中所述的白色背景为光强均匀的白色背景，微透镜中心图像中的每个白斑中心即为微透镜中心，记第i个白斑中心即微透镜中心位置为Cl(i)。
4.根据权利要求1所述的用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，其特征在于，步骤3具体为：
基于拍摄的黑底白点校准板的光场图像，根据如下公式计算三维空间校准板第i个白点Oi(x，y，z)对应的弥散圆直径Ddf(i)和圆心坐标Cdf(i)(X，Y)：
(Cl(i)-pc(i))Ddf(i)+dl(Cl(i)-Cdf(i)(X，Y))＝0 (1)
dl＝|Cl(i+1)-Cl(i)|
其中，方程(1)成立的条件为：(a)光场相机为微透镜阵列位于成像传感器一倍焦距之前的聚焦型光场相机，(b)微透镜中心位置Cl(i)对应的微透镜必须被弥散圆完全覆盖。
5.根据权利要求1所述的用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，其特征在于，步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：建立针孔模型，拟合三维空间校准板第i个白点Oi(x，y，z)与对应弥散圆圆心坐标Cdf(i)(X，Y)的映射函数关系
Figure FDA0002571241720000021
针孔模型如下：
Figure FDA0002571241720000022
其中，λ表示映射关系系数，
Figure FDA0002571241720000023
表示映射矩阵，
Figure FDA0002571241720000024
通过校准板上所有作为点光源的白点Oi(x，y，z)及对应的弥散圆圆心坐标Cdf(i)(X，Y)得到；X、Y分别表示直角坐标系的坐标；x，y，z分别表示空间直角坐标系的坐标；
步骤4.2：建立三维空间校准板第i个白点Oi(x，y，z)与弥散圆直径Ddf(i)的映射函数关系
Figure FDA0002571241720000025
模型如下：
Figure FDA0002571241720000026
其中，系数α，β，ω，
Figure FDA0002571241720000027
γ通过校准板上所有作为点光源的白点Oi(x，y，z)及对应的弥散圆直径Ddf(i)拟合得到；pm表示主透镜光圈直径，pm＝fm(1-M)/f#，fm表示主透镜焦距，M表示放大系数，f#表示主透镜光圈值，Simage表示像距。
6.根据权利要求1所述的用于光场三维粒子图像重构的光场相机校准方法，其特征在于，根据下列两方程计算出每个微透镜下被影响到的区域边界，根据边界决定每个微透镜下被影响到的所有像素，
上边界方程：
Figure FDA0002571241720000031
下边界方程：
Figure FDA0002571241720000032
通过获得的体空间像素及该体空间像素的校准权重系数，迭代计算三维空间体素值Ej(x，y，z)。
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