[发明专利]高空间分辨率光场采集装置与图像生成方法

说明书

本发明提供了一种高空间分辨率光场采集装置与图像生成方法，将微透镜阵列放置于主镜头与压缩编码传感器之间，微透镜阵列平行于压缩编码传感器，垂直于主镜头光轴，将压缩编码传感器的光敏面完全覆盖；其中每个微透镜均能够聚焦成像，且不同微透镜的成像区域在压缩编码传感器平面互不重叠；目标场景经过主镜头所呈的实像经由微透镜阵列再次汇聚后被压缩编码传感器所记录。本发明在不降低光场角度分辨率和通光量的同时，获得高空间分辨率光场数据，可以减少光场数据量，缓解存储压力，促进光场视频拍摄以及光场数据的网络存储和传播应用发展。

技术领域

本发明涉及计算机视觉、计算摄像学和光学工程领域，具体涉及一种利用压缩编码传感器与微透镜阵列相结合的光场采集装置和高分辨率光场图像生成方法。

背景技术

光场成像理论的提出为数字成像领域带来了革命性进步。与传统成像仅记录传感器平面光强分布的投影理论模型不同，光场成像模型是通过新颖的光学系统将场景中的光线按照某种给定的关系与传感器像素进行对应。光场采集装置可以同时采集到光线的位置和角度信息，并在此基础上通过数字化处理生成新颖的图像。但与传统成像技术相比，光场成像技术也存在一定的局限性。在传感器像素一定情况下，光场成像技术存在分辨率折衷问题。另外由于光场数据量十分庞大，不利于大规模的存储和网络传输。这已成为限制光场相机及计算摄影术被进一步广泛应用的瓶颈问题。

为了获取高分辨率光场图像，现有的方法主要包括复用方法和计算方法。斯坦福大学设计的128台相机阵列是空间复用方法的体现。麻省理工学院设计的环形孔径相机是时间复用方法实现。频域复用的现有方法存在光场图像信噪比低的缺点，且较少关注光场角度分辨率的提高。复用方法是将光场位置和角度分辨率之间的折衷转换为时间、空间或通光量之间的折衷，但相应的采集方法存在时间分辨率降低、采集设备规模增大或光场图像信噪比低等缺点，很难在应用中实施。计算方法大多需要准确估计内、外参数，或者需要亚像素级的场景几何结构作为先验，这在实际应用中也较难实现。已有的利用编码板调制光线提高分辨率的装置存在降低光通量的问题。这导致采集信号的信噪比低，重建的光场数据质量较差。

因此，在不降低角度分辨率和光通量的前提下，获取高空间分辨率光场成为光场成像领域亟待解决的问题。本发明中提出的高空间分辨率光场采集装置能有效地解决该问题，可以广泛的应用于光场视频拍摄、光场数据压缩传输等领域。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于随机卷积CMOS传感器和微透镜阵列结合的光场采集装置，能够在不降低角度分辨率和光通量的前提下，利用压缩感知技术采集包含更多位置信息的光场信号，并通过全局优化的重建算法构建高空间分辨率光场数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微透镜阵列和压缩编码传感器结合的光场数据采集装置，包括主透镜、微透镜阵列和压缩编码传感器。

所述的微透镜阵列放置于主镜头与压缩编码传感器之间，微透镜阵列平行于压缩编码传感器，垂直于主镜头光轴，能够将压缩编码传感器的光敏面完全覆盖；其中每个微透镜均能够聚焦成像，且不同微透镜的成像区域在压缩编码传感器平面互不重叠；目标场景经过主镜头所呈的实像经由微透镜阵列再次汇聚后被压缩编码传感器所记录。

所述的微透镜阵列中微透镜的排布采用行列方式包括但不仅限于相邻行微透镜光心对齐的正四边形和隔行微透镜光心对齐的正六边形排布。

所述的微透镜阵列中单个微透镜的艾里斑直径不超过两倍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。

所述的压缩编码传感器采用随机卷积CMOS图像传感器，传感器的物理分辨率为P*Q；利用移位寄存器中存储的伪随机序列控制CMOS上逐像素执行随机卷积计算，然后利用行、列选择逻辑单元实现随机位置采样，得到压缩采样数据；所述的伪随机序列循环周期内的元素个数大于P*Q。