[发明专利]一种基于光场数字重聚焦的快速三维重建方法及其系统

说明书

技术领域

本发明属于计算成像、图像处理和计算机视觉等技术领域，尤其涉及一种基于光场数字重聚焦的快速三维重建方法及其系统。

背景技术

三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型,是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术，广泛应用于计算机动画、虚拟现实、工业检测等领域。基于视觉的三维重建技术形成了多种理论方法，如主动视觉法和被动视觉法；单目视觉法、双目视觉法、三目视觉或多目视觉法；单视图法和多视图法等。多视图三维重建通过照相机对某个目标物进行拍摄，然后利用拍摄到的图像序列来恢复目标物的三维结构模型，该方法可基于图像序列和视频。目前多视图三维重建方法主要有轮廓法、纹理法、变焦法、亮度法、明暗法等。

变焦法通过获取目标物不同焦深的图像，利用聚焦分析或者离焦分析的方法来实现三维重建。聚焦深度测量(Depth_From_Focus，DFF)就是目标平面与摄像机的图像传感器平面共轭，根据像距由透镜成像公式求得被测面相对于摄像机的距离，即深度。获取目标图像有单相机和相机阵列两种方法。聚焦深度测量(DFF)方法采用单相机方式拍摄图像时，需要多次反复拍摄目标，或者每次拍摄改变相机焦距等参数，或者每次改变相机和目标的相对位置。三维重建时，单相机聚焦深度测量方法拍摄时间长，过程复杂，不适于运动目标。单相机的镜头孔径大小受限，此方法同样不适于远距离目标的重建。基于相机阵列的聚焦深度测量方法突破了拍摄次数和镜头孔径的限制，通过一次拍摄便可获得目标物不同焦深的序列图像，简化了拍摄过程。

光场是指空间中每一个点和每一个方向的辐射函数总和。1996年，美国斯坦福大学教授Levoy(LEVOY,M.,AND HANRAHAN,P.Light field rendering.InSIGGRAPH 96,31–42,1996.)和微软研究院的GORTLER等(The Lumigraph.In SIGGRAPH 96,43–54,1996.)提出光场四维参数化方法，Levoy教授并进一步提出了光场渲染理论。光场数字重聚焦是光场成像技术的重要应用，指的是一次曝光后获得的照片利用数字图像处理技术将模糊离焦图像进行反演，从而重建出聚焦准确的清晰目标图像。光场数字重聚焦由美国斯坦福大学博士Ng提出并实现(NG,R.,LEVOY,M.,BR′EDIF,M.,DUVAL,G.,HOROWITZ,M.,AND HANRAHAN,P.2005.Light field photography with a hand-held plenoptic camera.Tech.Rep.CSTR2005-02,Stanford Computer Science；Ng,R Fourier slice photography ACM Transactions on Graphics 2005NO.3735-744)。

Halcon是德国MVtec公司开发的一套完善的标准的机器视觉算法包，拥有应用广泛的机器视觉集成开发环境，主要集中在字符识别、质量检测、标定、定位等，而且具有非常强大的3d视觉功能。Halcon软件中的DFF(depth_from_focus，聚焦深度测量)三维重建的基本原理是：首先沿Z轴不断调整摄像机的位置，获取目标的序列图像，从而保证整个序列图像覆盖了物体在摄像机中Z轴方向的全部信息，每幅图像有模糊和聚焦清晰区域；然后通过一定的算法(包括菲波拉齐搜索法、金字塔结构搜索法、拉普拉斯算子搜索法以及动态规划搜索法等)获取每一个像素对应在序列图像中聚焦清晰的位置，从而重建出一幅每一景深部位均十分清晰的图像，为全聚焦图；再通过聚焦分析恢复深度信息，最后恢复出比较精确的物体深度信息，全聚焦图和深度信息相结合便可以实现三维重建。DFF算法的基本原理图如图3所示。

目前，还没有一种能够将光场数据获取设备、数字重聚焦技术和DFF技术三者结合对目标物进行快速三维重建的方法和系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种拍摄快捷、不需要移动相机和目标、三维重建效果好的基于光场数字重聚焦的快速三维重建方法及其系统，以解决现有技术存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于光场数字重聚焦的快速三维重建方法，包含以下步骤：

首先，采用光场数据获取设备获取空间四维光场数据；

其次，数字重聚焦模块对所述空间四维光场数据进行数字重聚焦处理，得到聚焦平面序列图像；

最后，三维重建模块对所述聚焦平面序列图像进行三维重建，得到三维重建图像。