[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

说明书

本发明公开的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，属于三维计算成像技术领域。本发明基于棱镜折射效应，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；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旋转角度；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，从而获取具有充足的角度与空间分辨率的未校正多图像序列；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图像序列，结合光场成像理论实现对目标场景的三维信息重构，提高三维成像紧凑型和灵活性。

技术领域

本发明涉及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，属于三维计算成像技术领域。

背景技术

三维成像技术是机器人、无人驾驶、智能感知等应用中最重要的技术之一。由于被动式三维测量方案可不受激光器的限制，近些年已在众多的目标场景中被广泛地应用。被动式三维测量系统可分为单目相机、双目相机以及多目相机三维重建方法。而多目相机由于可以从多角度获取目标场景的图像信息，成为了三维成像技术中热门的研究方向之一。

传统的多相机三维重建主要有：使用真实相机阵列，一般需要几十个真实相机布置在场景中的固定位置，同时对目标场景进行光信息采集，该类系统具有体积大、相机间距受限于单相机体积的缺点；使用微透镜阵列，对主透镜的成像进行二次成像，该类系统由于使用同一片传感器作为二次成像的接收面，导致获取的图像分辨率严重受限于角度分辨率的大小；使用配合导轨的运动单相机，通过在二维导轨上的位移，使单相机对同一目标场景进行多角度拍摄，该类系统由于导轨运动的因素，实际体积相对较大、移动范围受限于导轨的长度并且相机易受导轨精度与直线度的影响。

发明内容

本发明的主要目的是提供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，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，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；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，从而获取具有充足的角度与空间分辨率的未校正多图像序列；通过对获取的多角度未校正图像序列进行变换，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图像序列，并根据平面虚拟相机阵列采集到的二维图像，结合光场成像理论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。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。

本发明公开的一种基于旋转双棱镜的虚拟相机阵列三维成像方法，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。

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：