[发明专利]基于光场编码的相机光瞳像差校正方法

说明书

本发明属于精密测量技术领域，具体为一种基于光场编码的相机光瞳像差校正方法。本发明步骤为：为了克服针孔相机的光瞳像差，确定每根成像光线，采用四维函数(x,y,u,v)描述成像光场，其中(x,y)表示像点坐标，(u,v)而表示该光线在光瞳上的坐标，也即表示光线方向；采用数字微镜阵列进行二值化光瞳编码；基于压缩感知思想，利用全变分优化解出光场矩阵；计算每个像点(x,y)对应的光瞳坐标(u,v)，再结合相机标定结果，可有效地校正相机的光瞳像差，从而构建一个符合实际成像过程的相机模型。本发明可有效消除针孔成像假设造成的光瞳像差，克服单目视觉的方向歧义性，准确计算成像光线的方向；对于提高摄影测量技术的测量精度有重要意义。

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体为一种基于光场编码的相机光瞳像差校正方法。

背景技术

在现代精密测量中，摄影测量术是常用的三维形貌测量技术。摄影测量术主要分为两类：针对漫反射的表面三维测量技术和针对镜面反射的表面三维测量技术。前者以三角测量法为典型代表，尤其是条纹投影技术在工业精密检测中应用十分广泛。其三维重建方法主要包括立体视觉和相位-高度映射。而针对镜面反射的表面，常用的是相位测量偏折术。由于其测量系统简单，动态范围大，抗干扰能力强，可用于复杂曲面的测量，近年来得到广泛关注。其原理是在显示器上产生规则条纹，经被测表面反射后条纹发生变形，采用CCD相机拍摄变形图样，由几何关系推导可以计算出被测面形的表面梯度分布，再通过积分得到面形高度。

在摄影测量术和相机标定中，一般把相机简化为理想的针孔成像模型，认为相机CCD 每个像素的光线均通过同一点(相机光瞳主点)。但由于相机镜头的光瞳具有一定尺寸，这种假设会产生光瞳像差，所计算的光线位置与方向会含有明显的偏差，于是针孔模型不能完美的表达相机的物像关系，对三维测量精度造成严重影响。因此需要一种更简便、有效的高精度光瞳像差校正方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效进行相机光瞳像差校正的方法，以实现相机成像光场的重建。

本发明提出一种相机光瞳像差校正方法，是基于光场编码技术的，具体步骤如下：

（1）为了克服针孔相机的光瞳像差，确定每根成像光线，采用四维函数(X, Y, u,v)描述成像光场L:

（1）

其中，(X, Y)表示该光线在像面Z处的坐标，(u, v)而表示该光线在光瞳上的坐标(对应的z坐标为0)，也即表示光线方向；

（2）构建光场编码光路；所述光场编码光路中包括主镜、2个中继镜、数字微镜阵列(DMD)、CCD，如图1所示；其中，用LCD屏幕作为物，物方光线经主镜聚焦在虚拟成像面上，再经第一中继镜将汇聚光线转为平行光投影在DMD上，该平行光由DMD进行编码采样，并实现光路的转折；第二中继镜将编码后的平行光会聚在CCD像面上，实现图像采集；在DMD上进行Hadamard二值化编码，实现有效的光瞳编码采集过程；图1中， L1为物距，L2=f1+k1+f2，其中，f1为主镜焦距，f2为中继镜焦距，k1为衍射距离，L3为中继镜间距，L4为中继镜焦距距离；

（3）将光瞳像素（u,v）向量化作为光场矩阵L的行，将像素坐标(X,Y)向量化作为光场矩阵L的列，而光场矩阵L中的各元素数值为式(1)决定所有光线从(u,v)传播到(X,Y)像素的总强度；基于压缩感知原理，根据DMD对应的二值编码确定观测矩阵Φ，由对应的双数小波基组成稀疏矩阵Ψ；设光场矩阵L=Ψα，α为光场矩阵L在小波基下的系数，则定义以下目标函数：

（2）

其中，β为标定相机时不同光瞳编码下的相机拍摄图像，表示向量或矩阵的k范数，表示全变分操作，λ为权重系数，由图像的噪声水平决定；