CN102164298A - 全景成像***中基于立体匹配的元素图像获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全景成像***中基于立体匹配的元素图像获取方法,属于立体显示领域。使用CCD相机阵列做为全景成像***的空间图像获取方式,将采集得到的多幅不同视点图像,基于立体匹配原理转换生成用于全景成像***显示的2D元素图像集合。这和全景成像***中传统采集设备——微透镜阵列采集得到的图像形式一样,便于与普通的全景成像***显示设备兼容,可以完全消除全景成像***以微透镜阵列获取三维空间场景图像时存在的交叉干扰。
Description
技术领域
本发明属于立体显示领域。
背景技术
全景成像integral imaging技术是一种通过微透镜阵列来记录和显示3D空间场景信息的图像技术。图1展现了现有的全景成像***的采集和显示部分。
如图1(a)所示,采集部分包括微透镜阵列和采集设备如CCD相机,3D物空间场景通过微透镜阵列被CCD相机采集;每个微透镜都从不同的方向记录一部分物体空间,相应生成的一幅幅小图被称为元素图像,有多少个微透镜就有多少个相应的元素图像,所以CCD相机采集的空间场景的3D信息就是一系列2D元素图像集合。显示部分中,把2D元素图像集合放在具有同样参数的显示微透镜阵列后,相应的微透镜阵列把许许多多“元素图像”透射/反射出来的光线聚集后可还原出原来的3D空间, 如图1(b)所示。
全景成像***具有连续视点和在空间上形成真实的立体图像等优势,但其采集的元素图像之间存在交叉干扰问题,也就是光线通过微透镜阵列被记录时,相邻的元素图像在交界位置会出现重叠现象,这降低了3D图像的显示质量,也影响了观察者正确感知场景深度的能力。另外,当采集微透镜阵列与显示微透镜阵列光学参数不匹配时会出现图像畸变、显示质量严重劣化现象。目前,很多研究试图解决全景成像***的交叉干扰问题,如运动透镜阵列技术、使用渐变折射率透镜等,但这些方法只能在一定程度内减小交叉干扰,并且额外所需要的光学部件和机械运动不易实现。
发明内容
本发明提出了一种全景成像***中基于立体匹配的元素图像获取方法,以解决传统全景成像***中采集的元素图像之间存在交叉干扰的问题。
本发明采取的技术方案包括下列步骤:
(1) 对相邻的两幅视图进行基于区域的立体匹配,根据相邻两幅图像中匹配像素点对的视差,计算该物体点深度和世界坐标;按照同样方法,可以计算空间场景的各点的世界坐标,从而重构空间场景的三维立体图像;计算物空间某点深度和世界坐标的方法如下:
使两个CCD相机坐标***的各对应轴平行,将世界坐标系叠加到第一个CCD相机坐标系上,使两***原点重合,对应坐标轴重合,而第一个CCD相机的像平面坐标与相机的XY坐标重合;如图2所示,两个相机镜头的焦距为,空间场景中某点W的世界坐标为,该点形成的两个像平面坐标点为和;
根据上述坐标设定,由第一个像平面的几何关系可得:
根据第二个像平面的几何关系可得:
由式(1)、(2)得到
式(3)右边的绝对值等于视差的绝对值,令视差绝对值用d表示,则
(2)利用全景成像***中显示微透镜阵列的光学参数,建立虚拟的同样参数的采集微透镜阵列,将步骤(1)中重构的三维立体图像作为空间场景,根据微透镜阵列成像过程,计算机生成相应的2D元素图像集合。
下面简单说明计算机生成2D元素图像集合的基本原理。坐标系设置如图4所示,图4中的坐标轴与图2中的坐标轴平行,但两图中的原点位置可以为了计算简便而设置不同,此时,只要将步骤(1)中获得的空间点世界坐标按照***实际参数转换到本坐标系下即可。如将坐标系的原点设置在图2中XYZ坐标系的处,所以步骤(1)中重构的某空间点坐标()转换到坐标系中即为。
在坐标系中,设虚拟透镜阵列与原始图像成像平面的距离为g,虚拟透镜阵列与XY平面平行,其右下角放置于处。若重构的某物体点Q坐标为,经过不同的微透镜会在元素图像成像平面形成对应元素图像的像素点。例如点Q经过某个微透镜(如方向的第个、方向的第个),在该微透镜对应的元素图像中形成了一个像素点,坐标为,坐标值可由式(5)、(6)计算得到。
(6)
利用已知的空间点Q的坐标、微透镜宽度P、微透镜在、方向的序号、,就可计算出元素图像集合中的对应像素点坐标,因此能够得到点Q经过不同微透镜在对应元素图像中的位置,按照同样方法,可以得到重构的物空间各点经过微透镜阵列形成的相应元素图像中像素点的具***置,从而获得2D元素图像集合。
本发明提出一种全景成像***中基于立体匹配的元素图像获取方法,不使用传统的微透镜阵列,而是使用CCD相机阵列做为全景成像***的空间图像获取方式,将采集得到的多幅不同视点图像,基于立体匹配原理转换生成用于全景成像***显示的2D元素图像集合。这和全景成像***中传统采集设备——微透镜阵列采集得到的图像形式一样,便于与普通的全景成像***显示设备兼容。与传统采集方式相比,本发明的空间场景获取方式具有显著的技术效果:
(1)由于光学元件的限制,采用微透镜阵列采集空间场景存在元素图像的交叉干扰缺点。但是本发明中采用CCD相机作为采集设备,并用数字图像处理方法转换为2D元素图像集合,完全消除了元素图像之间的交叉干扰。
(2)传统的全景成像***要求采用同样参数的采集微透镜阵列和显示微透镜阵列,如果两个微透镜阵列参数不匹配,立体图像显示质量严重恶化。本发明则解决了这个问题,因为在多视点图像到2D元素图像集合的转换过程中,已经考虑了显示微透镜阵列的光学参数,获取的2D元素图像集合完全适用于显示微透镜阵列。
综上所述,本发明的空间场景图像获取方法既可以完全消除全景成像***以微透镜阵列获取三维空间场景图像时存在的交叉干扰,又可以解决传统全景成像***中,采集微透镜阵列与显示微透镜阵列光学参数不匹配时出现的图像畸变、显示质量严重劣化的弊端,从而实现高质量的三维立体显示。
附图说明
图1a是全景成像***的采集部分示意图;
图1b是全景成像***的显示部分示意图;
图2是平行双目成像中的视差图;
图3是计算某空间点的世界坐标流程图;
图4是计算机生成2D元素图像集合的坐标系设置;
图5a是本发明全景成像***的采集部分示意图;
图5b是本发明全景成像***的显示部分示意图。
具体实施方式
(1) 对相邻的两幅视图进行基于区域的立体匹配,根据相邻两幅图像中匹配像素点对的视差,计算该物体点深度和世界坐标;按照同样方法,可以计算空间场景的各点的世界坐标,从而重构空间场景的三维立体图像;计算物空间某点深度和世界坐标的方法如下:
使两个CCD相机坐标***的各对应轴平行,将世界坐标系叠加到最右列第一个CCD相机坐标系上,使两***原点重合,对应坐标轴重合,而第一个CCD相机的像平面坐标与相机的XY坐标重合;如图2所示,最右列上面两个相机镜头的焦距为,空间场景中某点W的世界坐标为,该点形成的两个像平面坐标点为和;
根据上述坐标设定,由第一个像平面的几何关系可得:
根据第二个像平面的几何关系可得:
(2)
由式(1)、(2)得到
式(3)右边的绝对值等于视差的绝对值,令视差绝对值用d表示,则
(4)
(2)利用全景成像***中显示微透镜阵列的光学参数,建立虚拟的同样参数的采集微透镜阵列,将步骤(1)中重构的三维立体图像作为空间场景,根据微透镜阵列成像过程,计算机生成相应的2D元素图像集合。
下面简单说明计算机生成2D元素图像集合的基本原理。坐标系设置如图4所示,图4中的坐标轴与图2中的坐标轴平行,但两图中的原点位置可以为了计算简便而设置不同,此时,只要将步骤(1)中获得的空间点世界坐标按照***实际参数转换到本坐标系下即可。如将坐标系的原点设置在图2中XYZ坐标系的处,所以步骤(1)中重构的某空间点坐标()转换到坐标系中即为。
在坐标系中,设虚拟透镜阵列与原始图像成像平面的距离为g,虚拟透镜阵列与XY平面平行,其右下角放置于处。若重构的某物体点Q坐标为,设虚拟透镜阵列与元素图像成像平面的距离为g,物空间点Q坐标为,经过不同的微透镜会在元素图像成像平面形成对应元素图像的像素点。例如点Q经过某个微透镜(如方向的第个、方向的第个),在该微透镜对应的元素图像中形成了一个像素点,坐标为,坐标值可由式(5)、(6)计算得到。
利用已知的空间点Q的坐标、微透镜宽度P、微透镜在、方向的序号、,就可计算出元素图像集合中的对应像素点坐标,因此能够得到点Q经过不同微透镜在对应元素图像中的位置,按照同样方法,可以得到重构的物空间各点经过微透镜阵列形成的相应元素图像中像素点的具***置,从而获得2D元素图像集合。
使用本发明作为空间场景图像获取方式的全景成像***结构如图5所示。
下面详细说明将CCD相机阵列采集的多幅高分辨率图像转换为2D元素图像集合的方法。
***中图像采集设备采用3×3个CCD相机,每个相机镜头的焦距为,水平或垂直方向上相邻两个镜头中心间的连线即基线长度为。显示微透镜阵列的每个微透镜成方形排列,包括个微透镜,透镜焦距为,透镜宽度为,显示微透镜阵列与元素图像之间的距离。
(1) 对采集的9幅图像中相邻的两幅视图进行基于区域的立体匹配,找到两幅图像的对应像素点,计算像素点对的视差。若一对匹配像素点在最右列的第一、第二个像平面内的X、Y坐标分别为,;,;则该像素点对在X轴方向的视差为:
根据式(4)计算该物体点深度:
根据式(1)计算:
(2)利用全景成像***中显示微透镜阵列的光学参数,建立虚拟的同样参数的采集微透镜阵列,将步骤(1)中重构的三维立体图像作为空间场景,根据微透镜阵列成像过程,计算机生成相应的2D元素图像集合。下面根据物体点Q的世界坐标计算它在一个元素图像中的成像位置,其余物体点在元素图像成像平面中的各元素图像中的位置可以类似获得。坐标系设置如图4所示,图4中的、、轴与图2中的、、轴平行,为计算方便,将图4中的原点设置在图2中的处(因为48个微透镜的宽度是),虚拟微透镜阵列右下角放于位置,所以步骤(1)中获得的空间点世界坐标转换为坐标系中的数值,即为。
Claims (2)
1.一种全景成像***中基于立体匹配的元素图像获取方法,其特征在于包括下列步骤:
(1) 对相邻的两幅视图进行基于区域的立体匹配,根据相邻两幅图像中匹配像素点对的视差,计算该物体点深度和世界坐标;按照同样方法,可以计算空间场景的各点的世界坐标,从而重构空间场景的三维立体图像;计算物空间某点深度和世界坐标的方法如下:
使两个CCD相机坐标***的各对应轴平行,将世界坐标系叠加到第一个CCD相机坐标系上,使两***原点重合,对应坐标轴重合,而第一个CCD相机的像平面坐标与相机的XY坐标重合;两个相机镜头的焦距为,空间场景中某点W的世界坐标为,该点形成的两个像平面坐标点为和;
根据上述坐标设定,由第一个像平面的几何关系可得:
根据第二个像平面的几何关系可得:
由式(1)、(2)得到
式(3)右边的绝对值等于视差的绝对值,令视差绝对值用d表示,则
(2)利用全景成像***中显示微透镜阵列的光学参数,建立虚拟的同样参数的采集微透镜阵列,将步骤(1)中重构的三维立体图像作为空间场景,根据微透镜阵列成像过程,计算机生成相应的2D元素图像集合。
2.根据权利要求所述的一种全景成像***中基于立体匹配的元素图像获取方法,其特征在于:计算机生成2D元素图像集合包括下列步骤:
在坐标系中,设虚拟透镜阵列与原始图像成像平面的距离为g,虚拟透镜阵列与XY平面平行,其右下角放置于处;若重构的某物体点Q坐标为,经过不同的微透镜会在元素图像成像平面形成对应元素图像的像素点,例如点Q经过某个微透镜,如方向的第个、方向的第个,在该微透镜对应的元素图像中形成了一个像素点,坐标为,坐标值可由式(5)、(6)计算得到:
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