[发明专利]可变角度采样数的光场采集装置

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉和光学工程领域，具体地涉及一种光场采集装置。

背景技术

光场成像理论的发展突破了传统成像技术诸多的局限。相应的光场采集设备由于能够记录光线的位置和角度信息，其成像过程颠覆了传统成像仅记录传感器平面光强分布的投影理论模型。光场成像的特点在于光线汇聚和投影可以是数字化过程。因此，其成像效果不再由数据采集时的成像参数所决定，而可根据成像需要进行灵活设定。

光场采集设备主要分为微透镜阵列光场相机、相机阵列系统、掩膜光场相机等。微透镜阵列光场相机通过在传统相机的主镜头和传感器之间加入微透镜阵列，从而获得包含大量微透镜子图像的光场数据，进而解析该数据得到相机内的光场四维采样。相机阵列系统通过不同视角相机获取光场的角度和位置采样。掩膜光场相机通过对编码光圈对光线角度与位置信号进行编码，并采用相应的解码方法重构出光场数据。目前，由于微透镜阵列光场相机具有易于携带和成本低廉等优点，日渐发展成为主流的光场采集设备。

2005年，Ren Ng设计出第一台手持式微透镜阵列光场相机，但是该设备存在光场采样空间分辨率较低的问题。2009年，T.Geogiev等人设计聚焦式的微透镜阵列光场相机，该设计能以牺牲光场角度分辨率为代价提高空间分辨率。由此，聚焦式微透镜阵列光场相机存在空间分辨率与角度采样数的折衷问题。受限于主镜头、微透镜阵列、图像传感器等器件的物理尺寸，现有光场相机系统只能获取特定空间分辨率和角度采样数的光场数据。然而，对于具有不同深度分布特性的场景，光场成像过程对角度采样数的需求具有明显差异，因此现有光场相机难以满足灵活调节角度采样数的拍摄需求。

发明内容

为了克服现有技术角度采样数难以灵活调整的不足，本发明针对聚焦型光场相机角度采样数与成像光路参数设计相关的特点，提供一套可变角度采样数的光场采集装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括图像传感器、微透镜阵列、主镜头、移动托盘、数字位移感应器。

所述的微透镜阵列采用若干个微透镜均匀排布，单个微透镜为平凸透镜，微透镜阵列将图像传感器光敏面完全覆盖；一个镶嵌在滑动导轨内的移动托盘将微透镜阵列固定，能够沿图像传感器的光轴方向在主镜头和图像传感器之间前后移动；固定在相机外围的一个微透镜距离调节环与托盘推动杆精密耦合，微透镜距离调节环旋转时，托盘推动杆带动移动托盘沿图像传感器的光轴方向移动，移动托盘与相机之间连接两个弹簧；数字位移感应器与托盘推动杆固接，感应微透镜阵列的位移变化并将传入数字控制单元中。

所述的数字控制单元采用一片FPGA可编程芯片控制微透镜阵列沿光轴方向的位移变化，按和高斯成像公式控制微透镜阵列光心所在平面到主镜头成像平面的距离，按调整主镜头的光圈，其中，M为角度采样数，F为主镜头焦距，D为主镜头通光孔径直径，d是微透镜单元直径，g为图像传感器光敏面到微透镜阵列中心的距离，|z|为微透镜阵列中心到主镜头焦平面的距离，设一个微透镜后方成像的半径为r，微透镜单元中心到相邻微透镜的空隙中心的距离为a，定义比例因子α满足α·r≥a，则k＝min(α)。

所述的微透镜阵列中微透镜采用正多边形排布，边数大于等于4，单个微透镜的艾里斑直径不超过两个图像传感器像元最短边的长度，单个微透镜的点列图范围不超过其艾里斑直径。

本发明的有益效果是：针对聚焦型光场相机角度采样数与安装参数相关的特点，通过在图像传感器前加入可沿相机光轴方向前后移动的微透镜阵列，可连续调节采集光场的角度采样数，实现了一套可变角度采样数的光场采集装置。

不同于现有光场相机角度采样数固定的缺点，本发明在同一套硬件设备中实现了角度采样数M大于2时的连续变化。如在较低角度分辨率时，可以获得较高的空间分辨率，满足视频监控、跟踪、2D效果显示等应用需求。在较高角度分辨率设置下，可以获得更多场景三维信息，实现深度估计、场景重建的精度提升，以及多视角3D视频观看、去遮挡等应用需求。

本发明装置对光场角度采样数的调节方式方便、快捷，用户交互性较强。设备轻便易携，可以在室内外场景下使用。

附图说明

图1(a)为图像传感器和微透镜阵列可位于主镜头的成像平面之后的光场采集装置的光路示意图，图1(b)为图像传感器和微透镜阵列位于主镜头和主镜头成像平面之间的光场采集装置的光路示意图；

图2(a)为角度采样数的计算示意图，图2(b)为微透镜阵列成正方形排布的计算示意图，图2(c)为微透镜阵列成菱形排布的计算示意图；

图3为角度采样数最小离散化示意图；