[发明专利]一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法

说明书

本发明涉及一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法，属于计算成像领域。利用聚焦型光场相机结构灵活的特点，从对光场图像的分辨率分析中，得到了光场相机内部几何参数对系统成像效果的影响情况，从而根据实际需要选取合适的系统结构参数，最大化利用已有探测器和光学结构的性能，完成系统的设计。通过几何光学原理，分析主透镜以及微透镜阵列成像关系，通过微透镜成像物像距之比决定空间、角度分辨率的分配，再结合对深度分辨率以及成像深度范围的分析，综合考虑得到聚焦型光场相机的系统设计参数。本发明提出的设计方法，可以为聚焦型光场相机在不同的应用场景提供相应的设计方案，为其在光场深度估计精度的计算方面提供理论依据。

技术领域

本发明涉及计算成像领域，具体地说，涉及一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法。

背景技术

随着计算成像领域的快速发展，近年来通过光场成像的方式获得三维信息得到了一定的关注。光场，即光在空间中辐射的场分布，是一个高维数据，因此采集到光场数据后，可以从中提取出需要的信息，例如空间中的三维信息。

作为光场成像系统的代表之一，基于微透镜阵列的光场相机由E.Adelson等人于1992年提出，这个相机也被称为全光相机(Plenoptic Camera)。2005年，R.Ng等人改进了工艺，使得微透镜和探测器可以直接耦合，省去了中继系统的作用，实现了手持全光相机的设计，这种结构的光场相机也被称为全光相机1.0(Plenopticcamera 1.0)、标准全光相机。然而这种结构的光场相机最大化了光场图像的角度分辨率，因此限制了空间分辨率。为了解决这一问题，A.Lumsdaine和T.Georgiev提出了全光相机2.0(Plenoptic camera 2.0)，也被称为聚焦型光场相机。通过改变微透镜与探测器平面的位置，聚焦型光场相机减小了光场图像的角度分辨率，相对应的提高了图像的空间分辨率。之后，公布号为CN106464789A的专利文献公开了一种混合全光相机，公布号为CN105657221A的专利文献公开了一种包括发光器件的全光相机，等等。

聚焦型光场相机结构灵活，微透镜成像不同的物像距之比代表了不同的空间、角度分辨率分配，微透镜工作F数及空间分辨率又影响到了微透镜成像的景深。再考虑到聚焦型光场相机的深度估计能力与以上参数息息相关，如何设计结构才能达到最佳的三维成像能力便成为了一个至关重要的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚焦型光场相机系统的参数设计方法，对光场图像进行分辨率分析，得到了光场相机内部几何参数对系统成像效果的影响情况，可以根据实际需要选取合适的系统结构参数，最大化利用已有探测器和光学结构的性能设计出聚焦型光场相机。

为了实现上述目的，本发明提供的聚焦型光场相机系统的参数设计方法包括：

根据聚焦型光场相机结构特点与分辨率分配，得到深度分辨率与系统参数的关系；得到满足深度分辨率要求时，系统各参数之间的影响关系，并由此确定系统各参数的数值。

上述技术方案中，根据聚焦型光场相机结构特点与分辨率分配，通过多视角立体匹配原理得出其深度分辨率与系统参数的关系，得到满足深度分辨率要求时，系统各参数之间的影响关系。其中在深度分辨率分析过程中，还需涉及深度范围的分析。在分析时，涉及到的重要参数包括：探测器像素尺寸p，艾里斑半径r_s，微透镜孔径d，微透镜焦距f，微透镜平面到探测器平面的距离B，中间像平面到微透镜平面的距离a，主透镜焦距f_L，主透镜平面到微透镜平面的距离l₀，物距a_L。在得到了系统基本参数后，本发明系统参数设计方法的具体步骤包括：

1)确定聚焦型光场相机空间分辨率与角度分辨率的分配关系；

2)分析基于多视角立体匹配原理进行深度计算的限制因素；

3)根据衍射效应，取有效最小分辨率尺寸，得到中间像空间深度范围的表达式；