[發明專利]高空間分辨率光場采集裝置與圖像生成方法

有效

• 申請號: 201811439379.0
• 申請日: 2018-11-29
• 公開（公告）號: CN109413407B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 周果清;瞿婉新;王慶;肖照林
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04N13/204
• 分類號: H04N13/204;H04N13/207;H04N13/161;H04N13/156;H04N13/106;H04N5/374
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發明提供了一種高空間分辨率光場采集裝置與圖像生成方法，將微透鏡陣列放置于主鏡頭與壓縮編碼傳感器之間，微透鏡陣列平行于壓縮編碼傳感器，垂直于主鏡頭光軸，將壓縮編碼傳感器的光敏面完全覆蓋；其中每個微透鏡均能夠聚焦成像，且不同微透鏡的成像區域在壓縮編碼傳感器平面互不重疊；目標場景經過主鏡頭所呈的實像經由微透鏡陣列再次匯聚后被壓縮編碼傳感器所記錄。本發明在不降低光場角度分辨率和通光量的同時，獲得高空間分辨率光場數據，可以減少光場數據量，緩解存儲壓力，促進光場視頻拍攝以及光場數據的網絡存儲和傳播應用發展。

技術領域

本發明涉及計算機視覺、計算攝像學和光學工程領域，具體涉及一種利用壓縮編碼傳感器與微透鏡陣列相結合的光場采集裝置和高分辨率光場圖像生成方法。

背景技術

光場成像理論的提出為數字成像領域帶來了革命性進步。與傳統成像僅記錄傳感器平面光強分布的投影理論模型不同，光場成像模型是通過新穎的光學系統將場景中的光線按照某種給定的關系與傳感器像素進行對應。光場采集裝置可以同時采集到光線的位置和角度信息，并在此基礎上通過數字化處理生成新穎的圖像。但與傳統成像技術相比，光場成像技術也存在一定的局限性。在傳感器像素一定情況下，光場成像技術存在分辨率折衷問題。另外由于光場數據量十分龐大，不利于大規模的存儲和網絡傳輸。這已成為限制光場相機及計算攝影術被進一步廣泛應用的瓶頸問題。

為了獲取高分辨率光場圖像，現有的方法主要包括復用方法和計算方法。斯坦福大學設計的128臺相機陣列是空間復用方法的體現。麻省理工學院設計的環形孔徑相機是時間復用方法實現。頻域復用的現有方法存在光場圖像信噪比低的缺點，且較少關注光場角度分辨率的提高。復用方法是將光場位置和角度分辨率之間的折衷轉換為時間、空間或通光量之間的折衷，但相應的采集方法存在時間分辨率降低、采集設備規模增大或光場圖像信噪比低等缺點，很難在應用中實施。計算方法大多需要準確估計內、外參數，或者需要亞像素級的場景幾何結構作為先驗，這在實際應用中也較難實現。已有的利用編碼板調制光線提高分辨率的裝置存在降低光通量的問題。這導致采集信號的信噪比低，重建的光場數據質量較差。

因此，在不降低角度分辨率和光通量的前提下，獲取高空間分辨率光場成為光場成像領域亟待解決的問題。本發明中提出的高空間分辨率光場采集裝置能有效地解決該問題，可以廣泛的應用于光場視頻拍攝、光場數據壓縮傳輸等領域。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于隨機卷積CMOS傳感器和微透鏡陣列結合的光場采集裝置，能夠在不降低角度分辨率和光通量的前提下，利用壓縮感知技術采集包含更多位置信息的光場信號，并通過全局優化的重建算法構建高空間分辨率光場數據。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種微透鏡陣列和壓縮編碼傳感器結合的光場數據采集裝置，包括主透鏡、微透鏡陣列和壓縮編碼傳感器。

所述的微透鏡陣列放置于主鏡頭與壓縮編碼傳感器之間，微透鏡陣列平行于壓縮編碼傳感器，垂直于主鏡頭光軸，能夠將壓縮編碼傳感器的光敏面完全覆蓋；其中每個微透鏡均能夠聚焦成像，且不同微透鏡的成像區域在壓縮編碼傳感器平面互不重疊；目標場景經過主鏡頭所呈的實像經由微透鏡陣列再次匯聚后被壓縮編碼傳感器所記錄。

所述的微透鏡陣列中微透鏡的排布采用行列方式包括但不僅限于相鄰行微透鏡光心對齊的正四邊形和隔行微透鏡光心對齊的正六邊形排布。

所述的微透鏡陣列中單個微透鏡的艾里斑直徑不超過兩倍圖像傳感器像元最短邊的長度，單個微透鏡的點列圖范圍不超過其艾里斑直徑。

所述的壓縮編碼傳感器采用隨機卷積CMOS圖像傳感器，傳感器的物理分辨率為P*Q；利用移位寄存器中存儲的偽隨機序列控制CMOS上逐像素執行隨機卷積計算，然后利用行、列選擇邏輯單元實現隨機位置采樣，得到壓縮采樣數據；所述的偽隨機序列循環周期內的元素個數大于P*Q。