CN112040140A - 一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，采集设备模块包括光场相机组和高清相机组，计算拼接模块包括同步控制盒和采集控制软件，采集控制模块获取并控制采集设备模块采集的图像信息，采集设备模块采集的图像信息在计算拼接模块中完成图像配准。本发明采用广角光场相机与高清相机组的网格化排布设计，能够获取较高的视场利用率，并通过光场数据解算的精密深度建立单应变换模型，实现了更为准确、自然的图像拼接结果，最终能够获取宽视场高分辨的瞬态图像，解决了其它全景成像装置存在的低采样率、畸变严重、不能凝视成像的问题。
Description
技术领域
本发明涉及计算摄像学、全景成像领域，特别涉及一种高分辨混合成像装置。
背景技术
对环境的感知，一直是人类获取周围环境信息的手段。视觉信息占人类从外界获取信息的80％左右。自从数字图像的获取成功实现以来，人类对信息的处理形式发生了根本性的变化，给科学研究、工业生产、日常生活带来了极大的影响。随着图像传感器应用的逐渐扩展和深入，在越来越多的应用领域，如摄影测量、文物保护、视频监控、三维重建、自动跟踪等，对获取到的图像的质量有了更高的要求，同时也对传统的成像光学系统提出了更高的挑战。大视场，高分辨率和高帧率的成像仪器一直是科学研究与工程技术工作者不断努力的方向。
全景成像是采用特殊的成像装置获得水平或者垂直方向上的大于180度的半球视场或者360度的视场。全景成像探测技术是伴随着二元光学、大面阵凝视成像器件和图像校正技术发展而成长起来的一种新型成像技术，它与传统成像探测系统的显著区别是超大视场，这一特性让其在未来AR/VR、安全监控、社交交互等领域具有极大的应用前景。但在有限成像阵列下，超大视场会导致更为严重的成像问题，包括空间分辨率低、图像畸变严重等，这无疑限制了全景图像的应用。因此，如何获取宽视场高分辨的成像结果成为了全景成像领域的研究热点。
目前出现的一些成熟的装置及方法均存在固有的限制，鱼眼相机能够获取半球形的视场覆盖，但图像边缘的畸变过于严重，且采样率不足；手机端常搭载的单镜头扫描拼接，无法保证多图像之间的同步性，不能实现凝视成像，且扫描过程的稳定性难以保证；多镜头视场拼接装置使用多个镜头在空间同时覆盖大范围的成像区域，能够保证时域上的同步，并且实时性和可靠性都有显著提高，但是缺少场景深度信息，导致最终拼接的全景图像并不真实。
申请号为CN201910449347.7的发明专利申请公开了一种双鱼眼全景图像采集装置，该装置由两组背靠式鱼眼镜头模组、棱镜与主辅传感器组成，通过棱镜分光的形式，实现了不同光路信息的成像，在成像质量稳定的同时，保证了不同镜头之间的同步，能够实现大范围的凝视成像。该专利的缺点在于，鱼眼相机边缘的严重畸变仍然不可避免，同时由于传感器限制，对宽视场的成像结果会存在采样不足的问题，另外，由于未考虑场景的结构信息，主辅传感器所成图像的拼接效果不能保证满足人的视觉感知。
专利号为ZL201721039324.1的实用新型专利公开了一种全景混合光场成像装置，采用光场相机、鱼眼相机和传统相机相结合，通过转动装置带动平面转动的方式，能够拍摄半球形的全景图像。该专利的缺点在于，对于动态场景无法实现凝视成像，且转动过程比较耗时，也难以满足实时性的要求，此外，转动部件的震颤会引起图像模糊，部件的寿命和稳定性也难以保证，因此在一些应用领域内受到了一定的限制。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，本发明整体结构稳定可靠，成像结果具有宽视场、高分辨、高采样率、低畸变、更为自然、更少人工痕迹等特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，包括三角架、相机固定支架、相机底座、采集设备模块和计算拼接模块，其中采集设备模块包括光场相机组和高清相机组，计算拼接模块包括同步控制盒和采集控制软件，采集控制模块获取并控制采集设备模块采集的图像信息，采集设备模块采集的图像信息在计算拼接模块中完成图像配准。
所述的相机固定支架分为三层，分别是上层支架、中层支架和下层支架，如图2所述，其中光场相机组安装在中间层支架上，高清相机分别排布在上层支架和下层支架上；
所述相机底座将采集设备模块的所有相机固定安装在相机固定支架上。
所述外同步控制盒用于发出固定脉冲，控制采集设备模块的多个相机之间的同步触发；
所述光场相机组为至少两台光场相机均匀排布而成；
所述高清相机组分别对称排布在上层支架和下层支架上，并且在上层支架和下层支架所排布的高清相机数目至少四台以上。
所述光场相机与高清相机的朝向均为拍摄区域方向，并视域范围的存在视域重叠，所述视域重叠包括每个高清相机与相邻两个高清相机及对应上下层支架同位置高清相机的视域重叠，每个光场相机与相邻两个光场相机之间的视域重叠，每个高清相机与光场相机组中至少一个光场相机的和高清相机的视域重叠。
所述视域重叠范围依据视场利用率和拍摄范围的综合考虑，高清相机之间的重叠范围选择在相机视场角5°到10°之间，光场相机之间的重叠范围选择在20°到30°之间。
所述高清相机组与光场相机组的采集图像信息通过几何关联技术注册在一起，所述注册包括高清相机到基准光场相机的图像配准，基准光场相机之间的图像配准，即将异构相机组的坐标系统一到基准坐标系上，其中基准光场相机为光场相机组中正中一个光场相机，当光场相机组数目为奇数，选择正中间一个光场相机为基准光场相机，当光场相机组数目为偶数，选择正中间两个光场相机的任意一个光场相机；所述几何关联是在对整个采集设备模块的所有相机进行标定之后，利用光场相机捕获的场景光线集合，通过已有光场深度估计技术，解算出场景的深度信息，从而通过标定信息与深度信息，重构异源图像之间的单应变换关系，实现图像配准；所述单应变换关系为将高清相机组拍摄的图像变换到基准光场相机坐标系下，并进行图像融合后，获取场景的宽视场高分辨图像。
所述标定信息包括光场相机和高清相机的内参以及各个相机到基准坐标系的外参。
本发明的有益效果在于由于采用广角光场相机与高清相机组的网格化排布设计，能够获取较高的视场利用率，并通过光场数据解算的精密深度建立单应变换模型，实现了更为准确、自然的图像拼接结果，最终能够获取宽视场高分辨的瞬态图像，解决了其它全景成像装置存在的低采样率、畸变严重、不能凝视成像的问题。
附图说明
图1为基于光场的宽视场高分辨混合成像装置的优选实施例的结构图。
图2为基于光场的宽视场高分辨混合成像装置搭建的优选实施例的示意图。
图3为基于光场的宽视场高分辨混合成像装置的图2所示实施例的高清相机组水平视角俯视图。
图4为基于光场的宽视场高分辨混合成像装置的图2所示实施例的高清相机组垂直视角侧视图。
图5为基于光场的宽视场高分辨混合成像装置的图2所示实施例的光场相机组水平视角俯视图。
其中，201-上横向支架，202-中纵向支架，203-下横向支架，204-下横向支架第一孔位，205-下横向支架第二孔位，206-下横向支架第三孔位，207-下横向支架第四孔位，208-下横向支架第五孔位，209-下横向支架第六孔位，210-中纵向支架第一孔位，211-中纵向支架第二孔位，212-中纵向支架第三孔位，301-第一高清相机，302-第二高清相机，303-第三高清相机，304-第四高清相机，305-第五高清相机，306-第六高清相机，501-第一光场相机，502-第二光场相机，503-第三光场相机。
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。
如图1所示，基于光场的宽视场高分辨混合成像装置主要由三部分构成，分别是采集控制模块、采集设备模块以及计算拼接模块。整个装置依靠外同步控制盒发出固定脉冲，并由采集软件控制相应设备对场景信息进行同步采集，能够获取丰富的光场数据和高清图像，同时通过实时对光场相机采集的光线信息进行解耦，来获取场景空间的精密深度，能够建立起基于深度信息的单应变换模型，实现对高清图像的拼接，最终获得场景的宽视场高分辨的成像结果。
一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，包括三角架、相机固定支架、相机底座、采集设备模块和计算拼接模块，其中采集设备模块包括光场相机组和高清相机组，计算拼接模块包括同步控制盒和采集控制软件，采集控制模块获取并控制采集设备模块采集的图像信息，采集设备模块采集的图像信息在计算拼接模块中完成图像配准。
所述的相机固定支架分为三层，分别是上层支架、中层支架和下层支架，如图2所述，其中光场相机组安装在中间层支架上，高清相机分别排布在上层支架和下层支架上；
所述相机底座将采集设备模块的所有相机固定安装在相机固定支架上。
所述外同步控制盒用于发出固定脉冲，控制采集设备模块的多个相机之间的同步触发。
所述光场相机组为至少两台光场相机均匀排布而成。
所述高清相机分别对称排布在上层支架和下层支架上，并且在上层支架和下层支架所排布的高清相机数目至少四台以上。
所述光场相机与高清相机的朝向均为拍摄区域方向，并视域范围的存在视域重叠，所述视域重叠包括每个高清相机与相邻两个高清相机及对应上下层支架同位置高清相机的视域重叠，每个光场相机与相邻两个光场相机之间的视域重叠，每个高清相机与光场相机组中至少一个光场相机的和高清相机的视域重叠。
所述视域重叠范围依据视场利用率和拍摄范围的综合考虑，高清相机组之间的重叠范围选择在相机视场角5°到10°之间，光场相机组之间的重叠范围选择在20°到30°之间。
所述光场相机组用于获得宽视域的场景光线集合，并利用光场深度估计技术，实现对场景深度信息的精密重构。
所述高清相机组与光场相机组的采集图像信息通过几何关联技术注册在一起，所述注册包括高清相机到基准光场相机的图像配准，基准光场相机之间的图像配准，即将异构相机组的坐标系统一到基准坐标系上，其中基准光场相机为光场相机组中正中一个光场相机，当光场相机组数目为奇数，选择正中间一个光场相机为基准光场相机，当光场相机组数目为偶数，选择正中间两个光场相机的任意一个光场相机；所述几何关联是在对整个采集设备模块的所有相机进行标定之后，利用光场相机捕获的场景光线集合，通过已有光场深度估计技术，解算出场景的深度信息，从而通过标定信息与深度信息，重构异源图像之间的单应变换关系，实现图像配准；所述单应变换关系为将高清相机组拍摄的图像变换到基准光场相机坐标系下，并进行图像融合后，获取场景的宽视场高分辨图像。
所述标定信息包括光场相机和高清相机的内参以及各个相机到基准坐标系的外参。
采集设备的框架是本实施例的核心部分。如图2所示，设备搭建的固定支架采用网格状结构，由三部分组成，分别为上横向支架201，中纵向支架202，下横向支架203，共9块铝板，其中上下横向支架为单块铝板组成的对称结构，并各自有6°的俯仰角，用于视场重叠，其上孔位分布呈自中心对称，在下横向支架相应孔位204、205、206、207、208、209上布置有6台高清相机，同时在上横向支架对应孔位处布置其余6台高清相机。中纵向支架由7块铝板组成，中纵向支架的三个孔位210、211、212处朝外放置有3台光场相机。整体装置由12台高清相机及3台光场相机组成，每台相机均由相机底座固定，能避免反复拆装相机，减少磨损，同时垫高相机，防止铝板对镜头产生影响。
高清相机采用ML-U2514MP9 USB3.0相机，搭配有Sony IMX 267CMOS芯片，能够实现32fps帧率下890万像素的场景采样，镜头采用ML-U2514MP9，其水平视角为30°，垂直视角为17°。在横向支架上，高清相机组的水平视角区域的俯视图如图3所示，高清相机301、302、303、304、305、306分别安装于图2对应孔位204、205、206、207、208、209处，朝向分别为30°、54°、78°、102°、126°、150°，呈对称分布，两两相邻相机之间保证6°的视域重叠，整体覆盖的视场角为150°，上横向支架201上相机安装朝向与下横向支架203上相一致。高清相机组的垂直视角区域侧视图如图4所示，单个相机的垂直视场角为17°，按照重叠视场角5°设计，垂直方向整体覆盖的视场角为29°。
光场相机采用lytro illum相机，镜头水平视场角FOV为75度，如图5所示，光场相机501、502、503分别安装于图2孔位209、210、211处，朝向分别为42.5°、90°、137.5°，呈对称分布，两两相邻相机之间重叠的视场角为27.5°，整体覆盖的视场角为170°,俯仰角为0°。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域普通人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应当视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，其特征在于：
所述基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，包括三角架、相机固定支架、相机底座、采集设备模块和计算拼接模块，其中采集设备模块包括光场相机组和高清相机组，计算拼接模块包括同步控制盒和采集控制软件，采集控制模块获取并控制采集设备模块采集的图像信息，采集设备模块采集的图像信息在计算拼接模块中完成图像配准。
2.根据权利要求1所述的一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，其特征在于：
所述的相机固定支架分为三层，分别是上层支架、中层支架和下层支架，其中光场相机组安装在中间层支架上，高清相机分别排布在上层支架和下层支架上。
3.根据权利要求1所述的一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，其特征在于：
所述相机底座将采集设备模块的所有相机固定安装在相机固定支架上。
4.根据权利要求1所述的一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，其特征在于：
所述外同步控制盒用于发出固定脉冲，控制采集设备模块的多个相机之间的同步触发。
5.根据权利要求1所述的一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，其特征在于：
所述光场相机组为至少两台光场相机均匀排布而成。
6.根据权利要求1所述的一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，其特征在于：
所述高清相机组分别对称排布在上层支架和下层支架上，并且在上层支架和下层支架所排布的高清相机数目至少四台以上。
7.根据权利要求1所述的一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，其特征在于：
光场相机与高清相机的朝向均为拍摄区域方向，并视域范围的存在视域重叠，所述视域重叠包括每个高清相机与相邻两个高清相机及对应上下层支架同位置高清相机的视域重叠，每个光场相机与相邻两个光场相机之间的视域重叠，每个高清相机与光场相机组中至少一个光场相机的和高清相机的视域重叠。
8.根据权利要求7所述的一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，其特征在于：
所述视域重叠范围为高清相机之间的重叠范围选择在相机视场角5°到10°之间，光场相机之间的重叠范围选择在20°到30°之间。
9.根据权利要求1所述的一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，其特征在于：
所述高清相机组与光场相机组的采集图像信息通过几何关联技术注册在一起，所述注册包括高清相机到基准光场相机的图像配准，基准光场相机之间的图像配准，即将异构相机组的坐标系统一到基准坐标系上，其中基准光场相机为光场相机组中正中一个光场相机，当光场相机组数目为奇数，选择正中间一个光场相机为基准光场相机，当光场相机组数目为偶数，选择正中间两个光场相机的任意一个光场相机；所述几何关联是在对整个采集设备模块的所有相机进行标定之后，利用光场相机捕获的场景光线集合，通过已有光场深度估计技术，解算出场景的深度信息，从而通过标定信息与深度信息，重构异源图像之间的单应变换关系，实现图像配准；所述单应变换关系为将高清相机组拍摄的图像变换到基准光场相机坐标系下，并进行图像融合后，获取场景的宽视场高分辨图像。
10.根据权利要求9所述的一种基于光场的宽视场高分辨混合成像装置，其特征在于：
所述标定信息包括光场相机和高清相机的内参以及各个相机到基准坐标系的外参。
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