[发明专利]一种基于旋转双棱镜的虚拟相机阵列三维成像方法及系统

权利要求书

1.一种基于旋转双棱镜的虚拟相机阵列三维成像方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：基于棱镜的折射效应，固定单相机的视轴将在处于某一旋转角度的双棱镜的作用下发生偏转，其视轴经过系统中双棱镜的每个面的时候，都将发生不同程度的偏转；此时由固定单相机获取的图像能够视为由具有不同位姿参数的所需初始虚拟相机采集到的非校正图像，选取初始虚拟相机的视轴与预设虚拟平面的交点作为虚拟相机阵列中子相机的位置，根据虚拟相机阵列中子相机的位置与视轴偏转的方位角、俯仰角之间的关系确定双棱镜的旋转角度；

步骤二：根据步骤一所述的所需虚拟相机阵列中子相机的位置与双棱镜的旋转角度的关系，通过多次旋转双棱镜改变固定单相机的视轴，实现对目标场景的动态扫描，从而获取充足角度与空间分辨率的未校正多图像序列；

步骤三：为了使获得的对极平面图像(Epipolar Plane Image，EPI)信息更容易被检测，通过对虚拟相机所获取的图像进行位姿变换，将具有不同内参的等效虚拟相机集合变换至同方向且同一虚拟平面内，形成由多个平行、等距且同平面的多相机结构组成的等效虚拟相机阵列，即将未校正的多图像序列变换为由对应平面虚拟相机阵列采集到的的二维图像；

步骤四：根据平面虚拟相机阵列采集到的二维图像，结合光场理论将变换校正后的图像集合用于实现对目标场景的三维信息重构，即基于旋转双棱镜的虚拟相机阵列提高三维成像紧凑型和灵活性；

步骤一实现方法为，

基于棱镜的折射效应，固定单相机的视轴将在处于某一旋转角度的双棱镜的作用下发生偏转，其视轴经过系统中双棱镜的每个面的时候，都将发生不同程度的偏转，偏转的光线矢量R_i(i＝1,2,3,4)表示为：

其中，n_i以及n_i-1分别对应于入射折射面前后的折射率，N_i对应于每个面的法向量；

根据对经过每个棱镜面后光线折射的方向进行分析，并且结合棱镜的参数以及间距，可以得到视轴与每个面的交点S_i(i＝1,2,3,4,5)，表示为：

其中，t_i代表对应的偏转参数，其由偏转光线的方向以及每个面的间距决定；

此时由固定单相机获取的图像能够视为由具有不同位姿参数的所需初始虚拟相机采集到的非校正图像，选取初始虚拟相机的视轴与预设虚拟平面的交点作为虚拟相机阵列中子相机的位置，根据所需虚拟相机阵列中子相机的位置与视轴偏转的方位角、俯仰角之间的关系确定双棱镜的旋转角度；

所述非校正图像对应的初始虚拟相机C_v的投影矩阵表示为：

其中，m_v表示为三维点M的二维投影，K_v、R_v以及T_v分别是初始虚拟相机C_v的内部参数、旋转矩阵以及估计的平移向量。

2.如权利要求1所述的一种基于旋转双棱镜的虚拟相机阵列三维成像方法，其特征在于：步骤三中，

虚拟相机阵列中子相机C_vr的投影矩阵表示为：

其中，m_vr表示为三维点M的二维投影，K_vr、R_vr以及T_vr分别是校正后的虚拟相机阵列中子相机C_vr的内部参数、旋转矩阵以及平移向量；

初始虚拟相机与校正后的虚拟相机之间的变换矩阵H_k表示为：

其中，表示伪逆矩阵计算；通过虚拟相机与校正后的虚拟相机之间的变换获得虚拟相机阵列中子相机采集到的图像。

3.如权利要求2所述的一种基于旋转双棱镜的虚拟相机阵列三维成像方法，其特征在于：所述紧凑性指通过偏转固定单相机的视轴以及对虚拟相机的位姿变换，即能够获取多相机阵列采集到的多视角图像；所述灵活性指通过更改双棱镜旋转角度值的组合，实现更改虚拟相机阵列中的相机数量及位置，相对于真实相机阵列，无需更改每个真实单相机的位置，能够适应不同三维成像场景。