TWI660629B - 自我調整三維立體成像系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種自我調整三維立體成像系統，基於光場技術，包含成像部分及與之可拆卸地連接的鏡頭部分；成像部分包含感測器及反射鏡，將捕獲的光場圖像傳輸至感測器；鏡頭部分包含第一相機鏡頭與第二相機鏡頭，第一相機鏡頭與第二相機鏡頭分別位於鏡頭部分的後部及前部，二者中間放置一個入瞳平面及匹配裝置，該入瞳平面及匹配裝置能夠與第二相機鏡頭的不同焦距相適應，在第一相機鏡頭及入瞳平面及匹配裝置之間形成內部反射單元，該內部反射單元用於將前述捕獲的光場圖像分解並折射成具有不同角度偏移的多個次級圖像。由於本發明提供的三維成像系統係可拆卸的，因此可較容易地將普通相機轉變為3D相機，生成立體圖像，成本低並且便於操作。

Description

自我調整三維立體成像系統
本發明屬於單眼立體成像領域，特別關於一種基於光場技術的自我調整三維立體成像系統。
先前技術中有多種相機能夠捕捉三維圖像。最普通的係兩個完全相同的相機線性排列並相隔一定距離，類比人眼的工作方式。然而立體相機的費用昂貴，而且距離知覺受到攝相距離的影響很大。另一種簡單的解決方式為在相機前增加兩個反光鏡箱，左反光鏡箱作為左眼視線，右反光鏡箱作為右眼視線。投射到相機感測器的圖像為三維圖像。此種設置的好處是便宜，但是缺點為三維深度有限並且解析度比較低。為了解決此等問題，部分公司開發了雷射輔助相機及全光相機來捕捉三維圖像。雷射輔助相機具有高解析度相機，雷射發光器及感測器。因為距離知覺是藉由雷射反射率來計算的，因此此種安排能夠捕捉到高準確率三維深度。但是，除了昂貴以外，此種裝置的使用者介面感受較差。而光場相機(light field camera)又稱為全光相機(Plenoptic camera)，係一種比較先進的設計，與傳統的相機僅記錄光線強度不同，全光相機不僅記錄不同位置下光的強度及顏色，亦記錄不同位置下光線的方向。一種光場相機將微透鏡陣 列放在傳統攝像感測器之前來感測強度、顏色及方向訊息；多相機陣列是另外一種光場相機；而全像攝影為再一種基於膠片的光場相機成像技術。 其中第一種可直接捕捉光場圖像，該相機具有能夠將光場分別並以一定模式反射到感測器圖元的微透鏡陣列。可以藉由電腦圖像處理提取該三維圖像及深度圖。此種全光相機的主要缺點為其僅能捕捉一個方向/軸的光場圖像。
本發明之目的在於提供一種節省成本，同時解決上述技術問題的全光相機，其內部具有能夠捕捉目標圖像多角度的反射單元，在圖像處理後能夠產生三維立體圖像及深度圖。
本發明的一個手段在於提供一種自我調整三維立體成像系統，包含成像部分及與之可拆卸地連接的鏡頭部分；前述成像部分包含感測器及反射鏡，將捕獲的光場圖像傳輸至前述感測器；前述鏡頭部分包含第一相機鏡頭與第二相機鏡頭，該第一相機鏡頭與該第二相機鏡頭分別位於鏡頭部分的後部及前部，二者中間放置一個入瞳平面及匹配裝置，該入瞳平面及匹配裝置能夠與第二相機鏡頭的不同焦距相適應，在第一相機鏡頭及前述入瞳平面及匹配裝置之間形成內部反射單元，該內部反射單元用於將前述捕獲的光場圖像分解並折射成具有不同角度偏移的多個次級圖 像。本發明的另一個手段在於提供一種成像系統一種三維成像系統，其中前述成像部分亦包含捕獲光場圖像的複眼透鏡，該複眼透鏡將該捕獲的光場圖像傳輸至前述感測器；前述複眼透鏡為多個微鏡頭陣列，每個微鏡頭的半徑、厚度及陣列間距與前述感測器的尺寸相關。前述第一相機鏡頭及前述第二相機鏡頭的光圈及焦距可調節，且前述第二相機鏡頭為可替換的鏡頭。前述第二相機鏡頭的光圈比內部反射單元的尺寸大。前述入瞳平面及匹配裝置為瞳鏡頭，該瞳鏡頭的直徑大於前述內部反射單元的直徑，並且允許前述光場圖像的入射光線在前述內部反射單元中進行折射。每個前述次級圖像具有場景的細微不同，基於下列等式(1)及(2)來計算內部反射單元的尺寸及每個次級圖像的焦距：
其中，FOV為前述第二相機鏡頭的視場；n為前述內部反射單元的折射率；r為內部折射的次數；Z為前述內部反射單元的尺寸；f lens 為前第二相機鏡頭的焦距；f sub 為前述次級圖像的焦距。
本發明提供的成像系統可從不同角度捕捉三維圖像，製作 簡便，並且能於現有的全光成像系統相結合，由於本發明提供的三維成像系統係可拆卸的，因此可較容易地將普通相機轉變為3D相機，生成立體圖像，成本低並且便於操作。
100‧‧‧三維成像系統
101‧‧‧第一相機鏡頭
102‧‧‧內部反射單元
103‧‧‧第二相機鏡頭
104‧‧‧相機感測器
105‧‧‧複眼透鏡
106‧‧‧外殼
108‧‧‧焦距
109‧‧‧瞳鏡頭/匹配裝置
110‧‧‧成像部分
111‧‧‧鏡頭部分
112‧‧‧反光鏡
113‧‧‧焦平面
114‧‧‧調節裝置
115‧‧‧目標場景
116‧‧‧虛像
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術手段，下面將對實施例中所需要使用的圖式作簡單地介紹。顯而易見地，下面描述中的圖式僅係本發明的一些實例，對於所屬技術領域中具有通常知識者而言，在不付出創新性勞動的前提下，亦可以根據此等圖式獲得其他的圖式。
【圖1】為本發明成像系統之光路圖；【圖2】為本發明成像系統之立體圖；【圖3】為內部反射單元之視角圖；【圖4】為根據本發明的成像系統單一圖像捕捉後的規範化過程示意圖；【圖5】為根據本發明的成像系統將次級圖像比較後具有細微不同視角之示意圖；【圖6】為根據本發明的成像系統重新聚焦及立體顯示步驟後之示意圖；【圖7】為本發明的成像系統獲得的多視角子孔徑圖像陣列；【圖8】為本發明一種實施方式採用複眼的數字重聚焦效果圖；【圖9】為數字重聚焦原理圖。
結合相應之圖式，對本發明的具體實施例進行描述。然而，本發明可以由多種不同的形式實施，而不應被解釋為侷限於此處展示的實施例。提供此等實施例僅是為了本發明可以詳盡及全面，從而可以將本發明的範圍完全地描述給所屬技術領域中具有通常知識者。圖式中說明的實施例的詳細描述中使用的措辭不應對本發明造成限制。
圖1為本發明的三維成像系統之光路圖。三維成像系統100為可攜式消費者能夠使用的相機，整合成像部分110及鏡頭部分111，其中，成像部分110包含相機感測器104；複眼透鏡105；及反光鏡112；其中相機感測器104採用數位單眼相機領域的先進攝影系統C型(Advanced Photo System Type-C,APS-C)或者全畫面(Full Frame)圖像感測器，或其他成像品質較高的感測器；複眼透鏡105由一系列小透鏡組合形成，從不同的角度捕獲某個圖像，例如光場圖像的訊息，從而剝離出三維訊息以辨別特定物件。複眼透鏡105由微鏡頭陣列組成，設計為除了捕獲光場圖像外，亦可以產生深度圖。並且，複眼透鏡105是為了相機感測器104服務的，因此，其與相機感測器104的參數有關。例如，複眼透鏡105的每個微鏡頭參數具有0.5毫米的半徑，0.9微米厚，及每個微鏡頭的陣列間距為60微米。相對於相機感測器104，複眼透鏡的尺寸為可伸縮的。在一個實施例中，採用先進攝影系統C型圖像感測器的尺寸為25毫米×17毫米；而在另一個實施例中，採用全畫面圖像感測器的尺寸為37毫米×25毫米。
在成像部分110中亦設置反光鏡112，反光鏡112又稱為 反射鏡或全反鏡，可採用一般單眼相機中的反光鏡片，其目的是為了保證光線通過鏡頭部分111後再進入眼睛，以便取景；該反光鏡112以與鏡頭部分111呈45°的方式，設置在成像部分110中。
鏡頭部分111整合在外殼106中，可拆卸地與成像部分110相連接，其包含第一相機鏡頭101及第二相機鏡頭103，其中第一相機鏡頭101為後相機鏡頭，其具有可以調節的光圈及焦距。第二相機鏡頭103為前相機鏡頭。前後相機鏡頭可調節相機的焦距。其中，第二相機鏡頭103可為可更換/可替換的多片鏡頭。第一相機鏡頭101及第二相機鏡頭103中間為入瞳平面及匹配裝置109，入瞳平面及匹配裝置109可為瞳鏡頭，瞳鏡頭109及第二相機鏡頭103之間的位置關係可藉由調節裝置114(調節裝置114在圖1中未示出)進行調節，瞳鏡頭109可以為單片透鏡，起聚光作用，能夠壓縮第二相機鏡頭103收到的訊息。在第二相機鏡頭103處進行一次成像過程，隨著第二相機鏡頭103的更換或替換，成像角度有所不同。第一相機鏡頭101為短焦鏡頭或微距鏡頭，其固定在外殼106上，第一相機鏡頭101的設計決定本發明的成像系統之大小。在第一相機鏡頭101處進行二次成像過程。該入瞳平面及匹配裝置109設計為能夠矯正光線。在入瞳平面及匹配裝置109與第一鏡頭101之間為內部反射單元102；該內部反射單元102將擬攝入圖像分解並折射成具有不同角度偏移的獨立次級圖像的多角度圖像。該內部反射單元102設計為以不同視角提供多個虛擬圖像。內部反射單元102的尺寸及比例為多折射次數及折射圖像比的決定因素，產生不同角度的圖像。每個折射的次級圖像具有場景的細微不同，而且目標圖像具有輕微的偏移。可以基於下列等式(1)及(2) 來計算內部反射單元102的尺寸及每個次級圖像的焦距： 其中，FOV為前述第二相機鏡頭的視場；n為前述內部反射單元的折射率；r為內部折射的次數；X、Y、Z為前述內部反射單元的尺寸，分別為寬、高、長；f lens 為前述第二相機鏡頭的焦距；f sub 為前述次級圖像的焦距。
內部反射單元102的尺寸可以與相機的尺寸一致，在其中一個實施方式中可以為24毫米(寬)×36毫米(高)×95毫米(長)，亦該單元的比率大約是2：3：8。使用瞳鏡頭是為了與內部反射單元相匹配，並在內部反射單元中進行折射。為了達到此目的，瞳鏡頭的直徑應該比內部反射單元大。在其中一個實施方式中採取的瞳鏡頭直徑大約為50毫米，焦距為12.5毫米。只要前相機鏡頭的光圈比內部反射單元的尺寸大，前相機鏡頭設計為能夠被任何相機鏡頭所代替。
在其中一個實施方式中，在目標場景115的情況下，焦平面113如圖1所示，入瞳平面及匹配系統109與第二相機鏡頭103(即前相機鏡頭)之間的距離為前相機鏡頭的焦距108；光線經脫內部反射單元102的多次折射，經過第一相機鏡頭101(即後相機鏡頭)的以及複眼透鏡105的捕獲，圖像訊息被相機感測器104所獲得。
圖2為本發明三維成像系統的立體圖。整個成像系統100是可攜式的，成像部分110在成像系統的尾部，靠近使用者，便於使用者取景及操作。後相機鏡頭101及前相機鏡頭103中間為瞳鏡頭109，後相機鏡頭101及瞳鏡頭109之間為內部反射單元102，此外，在固定前相機鏡頭103處具有調節裝置114，調節裝置114能夠調節焦距，使其在微觀攝像的條件下亦可獲得清晰的圖像。
圖3為內部反射單元的視角圖。在內部反射單元102中，平均分配相機鏡頭的視角，每個折射鏡分享與中心圖像相同的角度。因此內部折射的次數、折射率及相機鏡頭的視場是內部反射單元的尺寸的重要因素。如圖3所示，在後相機鏡頭101及入瞳平面及匹配系統109之間靠近入瞳平面及匹配系統109處為虛像116，該虛像116依次經過內部反射單元102，後相機鏡頭101及反射鏡112及複眼透鏡105，被相機感測器104捕獲。在一個實施方式中，前後相機鏡頭103及101均採用50毫米鏡頭，具有50°視角，並採用全畫面相機；在另一個實施方式中，前相機鏡頭103採用50毫米鏡頭，後相機鏡頭採用30毫米微鏡頭，亦均具有50°視角，並採用先進攝影系統C型相機。兩種設計的折射率均為1，內部折射次數亦為1。因此在單一圖像中具有9個次級圖像，並且每個次級圖像具有大約15.6°的視角。此外，上述兩個實施方式中，均採用無線照片傳輸及錄影記錄功能。因此這兩個實施方式均能運用於虛擬實境的攝像中。
圖4為根據本發明的三維成像系統單一圖像捕捉後的規範化過程示意圖。例如，如圖4的左邊的視圖為規範化過程前的視圖，其分為-9幅次級圖像；圖4右邊的視圖為依次對應於-次級圖像的 規範化過程後的視圖。藉由下列等式(3)進行規範化： 其中，I n (n=2,3,...,9)代表規範化前的圖像；(n=2,3,...,9)代表規範化後的圖像；mirror(I m ,left,right,up,down)(m=2,3,4,5)代表圖像鏡像後向左、向右、向上及向下；rotate(I k ,π)(k=6,...,9)代表圖像旋轉。
在每個次級圖像規範化以後，可以很容易地識別圖像的偏移。圖4顯示水平及垂直次級圖像的比較，偏移取決於次級圖像的位置。 藉由比較圖4右圖中同一列中的次級圖像，以不同的視角可以很容易地觀察到目標的位移。在次級圖像中觀察到的圖案在次級圖像中被輕微地阻隔，並且在圖像中被完全阻隔。此種現象在圖4水平放置的次級圖像中可以看到，可以看出在右圖中圖像在水平方向亦發生偏移。
圖5為根據本發明的三維成像系統將次級圖像比較後具有細微不同視角的示意圖。利用電腦對複眼圖像處理以後，圖像可被重新聚焦，計算深度圖及進行立體顯示。在一個實施方式的虛擬實境的三維使用中，次級圖像能夠被透射到頭戴式顯示裝置上。次級圖像的水平陣列組合能夠重新進行聚焦。在次級圖像的不同角度，可以計算目標的深度圖。圖5左側視圖中，次級圖像與發生偏移的圖像一一對應。在另一個實施例的虛擬實境的三維使用中，次級圖像能夠被投射到頭戴式顯示裝置上。次級圖像的垂直陣列組合能夠進行重新聚焦。在 次級圖像的不同角度，可以計算目標的深度圖。圖5右側視圖中，次級圖像與發生偏移的圖像一一對應。具體圖像處理過程參見圖7的描述。
圖6為根據本發明的三維成像系統重新聚焦及立體顯示步驟後的示意圖。圖6上圖顯示重新聚焦後生成的圖像較近、中間及遠離的模式；下圖顯示3D顯示及渲染步驟後輸出的左、右及紅藍模式圖像。
圖7為本發明的相機系統獲得的多視角子孔徑圖像陣列，其中前述多視角子孔徑圖像陣列是在原始複眼圖像進行處理後獲得的。根據上述合成孔徑技術，原始複眼圖像中的像素點被重投影到各個子孔徑圖像中，形成對場景不同視角的成像。可以將原始複眼圖像中的光場訊息進一步合成、提取，得到成像空間的多視角視圖，並進一步得到數字重聚焦序列；並且進一步得到深度圖。其中，對合成孔徑圖像利用下列原理進行數字重聚焦，結合圖9所示：
L'(u,v,x',y')=L(u,v,kx'+(1-k)u,ky'+(1-k)v) (6)
I'(x',y')=∫∫ L(u,v,kx'+(1-k)u,ky'+(1-k)v)dudv (7)其中，I、I’表示一次及二次成像面的坐標系；L及L’表示一次及二次成像面的能量。
圖8為數字重聚焦效果圖。
根據物體在不同重聚焦平面的聚焦程度(對比度)，可以計算出場景中各個物體所屬的焦平面，從而可以估算出各個物體的前後位置 關係。同時，提取使用多角度視圖的對極集合關係，可進一步計算場景空間的深度圖。
上述僅用於說明本發明的技術手段，任何所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明的權利保護範圍應視申請專利範圍為準。本發明已結合例子在前面進行闡述。然而，在本發明公開範圍以內的上述實施例以外的其他實施例亦同樣可行。本發明的不同的特點及步驟可以以不同於所描述的其它方法進行組合。本發明的範圍僅受限於所附的申請專利範圍。更一般地，所屬技術領域中具有通常知識者可以輕易地理解此處描述的所有的參數，尺寸，材料及配置是為示範目的而實際的參數，尺寸，材料及/或配置將取決於特定應用或本發明教導所用於的應用。

Claims (8)

  1. 一種自我調整三維立體成像系統，其特徵係其包含：成像部分及與之可拆卸地連接的鏡頭部分；前述成像部分包含感測器及反射鏡，將捕獲的光場圖像傳輸至前述感測器；前述鏡頭部分包含第一相機鏡頭與第二相機鏡頭，該第一相機鏡頭與該第二相機鏡頭分別位於鏡頭部分的後部及前部，二者中間放置一個入瞳平面及匹配裝置，該入瞳平面及匹配裝置可與第二相機鏡頭的不同焦距相適應，在第一相機鏡頭及前述入瞳平面及匹配裝置之間形成內部反射單元，該內部反射單元用於將前述捕獲的光場圖像分解並折射成具有不同角度偏移的多個次級圖像。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之自我調整三維立體成像系統，其中，前述成像部分亦包含：捕獲光場圖像的複眼透鏡，該複眼透鏡將該捕獲的光場圖像傳輸至前述感測器。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之自我調整三維立體成像系統，其中，前述複眼透鏡為多個微鏡頭陣列，每個微鏡頭的半徑、厚度及陣列間距與前述感測器的尺寸相關。
  4. 如申請專利範圍第2項所記載之自我調整三維立體成像系統，其中，前述第一相機鏡頭及前述第二相機鏡頭的光圈及焦距可調節，且前述第二相機鏡頭為可替換的鏡頭。
  5. 如申請專利範圍第3項所記載之自我調整三維立體成像系統，其中，前述第二相機鏡頭的光圈比內部反射單元的尺寸大。
  6. 如申請專利範圍第1或5項所記載之自我調整三維立體成像系統，其中，前述入瞳平面及匹配裝置為瞳鏡頭，該瞳鏡頭的直徑大於前述內部反射單元的直徑，並且允許前述光場圖像的入射光線在前述內部反射單元中進行折射。
  7. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所記載之自我調整三維立體成像系統，其中，每個前述次級圖像具有場景的細微不同，基於下列等式(1)及(2)來計算內部反射單元的尺寸及每個次級圖像的焦距：其中，FOV係前述第二相機鏡頭的視場；n為前述內部反射單元的折射率；r為內部折射的次數；Z為前述內部反射單元的尺寸；f lens 為前述第二相機鏡頭的焦距；f sub 為前述次級圖像的焦距。
  8. 如申請專利範圍第6項所記載之自我調整三維立體成像系統，其中，每個前述次級圖像具有場景的細微不同，基於下列等式(1)及(2)來計算內部反射單元的尺寸及每個次級圖像的焦距：其中，FOV係前述第二相機鏡頭的視場；n為前述內部反射單元的折射率；r為內部折射的次數；Z為前述內部反射單元的尺寸；f lens 為前述第二相機鏡頭的焦距；f sub 為前述次級圖像的焦距。
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