CN111711742A - 一种基于相机阵列的水下光场记录装置以及光场成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，包括：相机阵列：用于采集水下目标物的光场信息；采集单元：用于同步采集并传输光场信息；照明模块：用于提供水下照明；控制单元：用于控制照明模块、相机阵列的开或者关，以及照明模块的亮暗，并用于储存光场信息；供电单元：用于供电；机械固件和辅助元件：用于安装固定；密封舱：用于封装和水下工作，所述相机阵列、采集单元、照明模块、控制单元、供电单元通过机械固件和辅助元件安装固定于密封舱内；本发明同时提供了光场成像方法：S1相机标定；S2系统搭载；S3参数设置；S4信息采集。

Description

一种基于相机阵列的水下光场记录装置以及光场成像方法
技术领域
本发明涉及水下光场成像技术领域，尤其涉及一种基于相机阵列的水下光场记录装置以及光场成像方法。
背景技术
水下成像技术凭借高直观、分辨率、智能化的突出优势，在海洋探测与开发中得到越来越多的应用，然而由于水下成像环境的复杂多变，特别是近岸海水、湖泊、河道等水体中存在大量悬浮粒子，粒子的复杂散射和吸收造成了水下成像质量的下降，并进而造成光在水体介质中传输的能量衰减，严重限制了水下成像的应用范围。
基于光场技术的计算成像是一种新型的成像方法，与传统的成像不同，该技术除了记录成像光线的强度，还捕捉入射光线角度，因此，生成一个除三维坐标外，增加一维角度坐标的四维光场，相机重要特征之一是先拍照（4D光场记录），后成像（4D计算成像），除了可以根据设定的景深值计算出清晰在焦图像以外，甚至可以捕捉在传统成像中被遮挡而无法成像的信息，若想通过单个相机在不同位置拍摄来获取光场，显然在水下是不可行的，而且由于水下设备条件的限制，大规模的相机阵列也很难在水下条件中很好的做到数据的同步采集。
发明内容
基于光场成像技术，本发明提供了一种基于相机阵列的水下光场记录装置以及光场成像方法，以解决由于水体吸收和散射造成的水下成像质量差的问题，实现大景深、无需对焦、高质量水下目标物成像。
本发明一方面提供了一种基于相机阵列的水下光场记录装置，包括：
相机阵列：用于采集水下目标物的光场信息；
采集单元：用于同步采集并传输光场信息；
照明模块：用于提供水下照明；
控制单元：用于控制照明模块、相机阵列的开或者关，以及照明模块的亮暗；并用于储存光场信息；
供电单元：用于供电；
机械固件和辅助元件：用于安装固定；
密封舱：用于封装和水下工作。
进一步的，所述相机阵列、采集单元、照明模块、控制单元、供电单元通过机械固件和辅助元件安装固定于密封舱内。
进一步的，所述相机阵列的数量为六个，该相机数量为能完成光场重建的最小数。
进一步的，所述相机阵列以中心为点按照密接六边形的排列方式安装固定。
进一步的，所述相机包括单板相机和镜头组件。
进一步的，所述镜头组件为相同焦距。
进一步的，所述镜头组件包括长焦镜头和广角镜头。
进一步的，所述相机阵列中心安装有照明模块。
进一步的，所述采集单元包括六个输出口和一个输出口，输入口与相机连接实现同步同时采集，输出口与控制单元连接。
进一步的，所述控制单元包括嵌入式计算机、PC104，与照明模块连接。
进一步的，所述供电单元包括开关电源，与照明模块、控制单元连接。
进一步的，所述密封舱包括前端盖、后端盖和金属圆筒，所述后端盖上安装有水密接插件，通过水密接插件与外部实时通讯以及外部提供供电；所述前端盖安装有光学玻璃窗口，所述相机阵列与光学玻璃窗口贴近。
本发明的另一目的提供一种基于相机阵列的水下光场成像方法，该方法在基于相机阵列的水下光场记录装置中实现，该方法包括以下步骤：
S1 相机标定：通过标定板对相机阵列进行定标，采集标定板的定标图像；
S2 系统搭载：将标定完成的水下拍照设备，搭载到水下无人遥控潜水器；
S3 参数设置：根据水下环境，设置系统的各个参数；
S4 信息采集：对准目标物，对目标物进行光场信息采集并得到水下目标物的光场信息。
进一步的，所述步骤S1还包括：对定标图片进行分析处理，得到每个相机各自的定标参数，应用与后期图像校正。
进一步的，所述步骤S4还包括：对采集得到的目标物光场信息，控制单元利用光场重聚焦算法自动进行重聚焦切片数据，最终得到目标物的高分辨率、高景深的光场重建图像。
与现有技术相比，本发明通过借助光场原理呈现一种用于水下光场记录的装置，即一种基于相机阵列的水下光场相机，本发明的有益效果如下所示：
1、 解决了商业化光场相机无法在水下工作的问题；
2、 通过光场重聚焦算法，可以实现先拍照后对焦的效果，解决了水下拍摄景深不足的问题；
3、 基于相机阵列的光场成像方式，有效的增加了视场与分辨率；
4、 基于计算成像的散射噪声消除方法，对获得的光场信息进行处理，解决了由于散射噪声造成的图像像质劣化问题。
因此本发明提出的基于相机阵列的水下光场记录装置与光场成像方法能够实现目标物的高分辨率、高景深的光场成像。
附图说明
图1为本发明水下光场记录装置的正视图。
图2为本发明水下光场记录装置的侧视图。
图3为本发明相机阵列的结构示意图。
附图标记如下：
1.照明模块，2.固定板，3.金属圆筒，4.第一支撑板，5.采集单元，6.控制单元，7.供电单元，8.第二支撑板，9.后端盖，10.第三支撑板，11.第四支撑板,12.前端盖。
具体实施方式
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定，此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备并不受所述示意图的尺寸或比例限制。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素，在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示为水下光场记录装置结构示意图，具体包括：相机阵列、采集单元5、照明模块1、控制单元6、供电单元7、机械固件和辅助元件、密封舱，所述相机阵列、采集单元5、照明模块1、控制单元6、供电单元7通过机械固件和辅助元件安装固定于密封舱内，所述密封舱置于水下工作。
如图3所示，所述相机阵列围绕固定板2的中心按照密接六边形的排列方式安装在固定板2上，六个相机以不会相互碰撞的最小六边形的形状放置，相机阵列数量为能完成光场重建的最小数；所述相机采用单板相机，每个单板相机前方安装有镜头座，镜头座上安装有相同焦距的镜头，根据拍摄的需要可以选择长焦镜头或者广角镜头，长焦镜头适合拍摄中远距离的目标物，广角镜头适合拍摄较大的目标物。
如图1-2所示，所述采集单元5包括六个输出口和一个输出口，输入口与相机阵列连接实现同步同时采集，输出口与控制单元6连接。
所述控制单元6包括嵌入式计算机、PC104，与照明模块1连接，用于控制照明模块1的开或者关，以及调节照明光源的亮暗；所述采集单元5作为中间媒介，连接控制单元6与相机阵列，实现控制单元6控制相机阵列的开或者关，并且实现将相机阵列采集到的光场信息传输给控制单元6并储存。
所述供电单元7包括开关电源，与照明模块1、控制单元6、采集单元5连接用于供电。
所述固定板2为圆形金属板，可以选用铝板、不锈钢等作为材料，中心位置安装固定照明模块1，并开有通孔，用于布放数据线。
所述照明模块1可以选用绿色、白色等不同色温的阵列LED灯，优选的为绿色LED灯，绿光在水下衰减较低，且LED可以避免散斑的产生。
所述密封舱包括前端盖12、后端盖9、金属圆筒3，所述前端盖12上安装有光学玻璃窗口，相机阵列与光学玻璃窗口贴近；所述照明模块1的光源透过光学玻璃窗口照射目标物，目标物将光反射回光学玻璃窗口，携带目标物的光场信息又通过光学玻璃窗口进入到相机阵列，相机阵列采集光场信息。
所述后端盖9上安装有水密接插件，通过水密接插件与外部实时通讯以及接收外部提供的电压。
所述机械固定和辅助元件包括第一支撑板4、第二支撑板8、第三支撑板10和第四支撑板11，所述固定板2通过调节螺柱安装于第一支撑板4，通过调节螺柱可以实现相机阵列角度调节；所述第一支撑板4上开有矩形通孔和圆形通孔用于布放线缆；所述第二支撑板8通过紧固件安装固定于后端盖9；所述第三支撑板10、第四支撑板11安装于第一支撑板4和第二支撑板8之间；所述第四支撑板11上安装有采集单元5和供电单元7；所述第三支撑板10上安装有控制单元6。
所述控制单元6优选地选用Nvidia公司的Jetson TX2 模块，但不限于从。
一种基于相机阵列的水下光场成像方法，该方法基于相机阵列的水下光场记录装置实现，包括以下步骤：
(1)正式拍摄之前，首先利用定标棋盘格做定标，将定标棋盘格放置到合适的位置上，由控制单元6驱动相机阵列开始工作，采集定标棋盘格的图像，图像采集完成，相机阵列停止工作；
(2)通过控制单元6对定标图片进行分析处理，得到每个相机各自的定标参数，应用于后期图像校正；
(3)将系统搭载在水下机器人，对准目标物，并且密封舱光学玻璃与目标物保持50cm以上的工作距离；
(4)通过控制单元6发送指令打开照明模块1照亮目标物；
(5)控制单元6自动调整设置相机阵列的各个参数，开始拍摄目标物，六个相机采集到目标物不同角度方向上的图像信息，由此得到目标物的光场信息，控制单元6利用光场重聚焦算法自动进行重聚焦切片数据，最终由光场信息得到目标物的高分辨率、高景深光场重建图像。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施举例，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本技术领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (13)

1.本发明公开了一种基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，所述水下光场记录装置包括：
相机阵列：所述相机阵列用于采集水下目标物的光场信息；
采集单元(5)：所述采集单元(5)实现同步采集并作为传输光场信息的媒介；
照明模块(1)：所述照明模块(1)用于提供水下照明；
控制单元(6)：所述控制单元(6)用于控制照明模块(1)、相机阵列的开或者关，以及照明模块(1)的亮暗；并用于储存光场信息；
供电单元(7)：所述供电单元(7)用于供电；
机械固件和辅助元件：所述机械固件和辅助元件用于安装固定；
密封舱：所述密封舱用于封装和水下工作；
所述相机阵列、采集单元(5)、照明模块(1)、控制单元(6)、供电单元(7)通过机械固件和辅助元件安装固定于密封舱内。
2.根据权利要求1所述的基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，所述相机阵列的数量为六个，该相机数量为能完成光场重建的最小数。
3.根据权利要求1所述的基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，所述相机以中心为点按照密接六边形的排列方式安装固定。
4.根据权利要求1所述的基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，所述相机包括单板相机和镜头组件。
5.根据权利要求1所述的基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，所述镜头组件为相同焦距。
6.根据权利要求1所述的基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，所述镜头组件包括长焦镜头和广角镜头。
7.根据权利要求1所述的基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，所述相机阵列中心安装有照明模块(1)。
8.根据权利要求1所述的基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，所述采集单元(5)包括六个输出口和一个输出口，输入口与相机阵列连接实现同步同时采集，输出口与所述控制单元(6)连接。
9.根据权利要求1所述的基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，所述控制单元(6)包括嵌入式计算机、PC104，与照明模块(1)连接。
10.根据权利要求1所述的基于相机阵列的水下光场记录装置，其特征在于，所述供电单元(7)包括开关电源，与照明模块(1)、控制单元(6)连接。
11.一种基于相机阵列的水下光场成像方法，其特征在于，该方法基于相机阵列的水下光场记录装置实现，包括以下步骤：
S1 相机标定，通过标定板对相机阵列进行定标，采集标定板的定标图像；
S2 系统搭载 将标定完成的水下拍照设备，搭载到水下无人遥控潜水器；
S3 参数设置 根据水下环境，设置系统的各个参数；
S4 信息采集 对准目标物，对目标物进行光场信息采集并得到水下目标物的光场信息。
12.根据权利要求10所述的基于相机阵列的水下光场拍照方法，征在于：所述步骤S1还包括：对定标图片进行分析处理，得到每个相机各自的定标参数，应用于后期图像校正。
13.根据权利要求10所述的基于相机阵列的水下光场拍照方法，征在于：所述步骤S4还包括：对采集得到的目标物光场信息，控制单元(6)利用光场重聚焦算法自动进行重聚焦切片数据，最终得到目标物的高分辨率、高景深的光场重建图像。
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