CN109282757B - 一种光场度量标定方法及标定*** - Google Patents

一种光场度量标定方法及标定*** Download PDF

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Abstract

本发明适用于光学技术领域，提供了一种光场度量标定方法，包括：提供标定物，通过三维测量装置投射结构光的图案到标定物上，通过光场成像装置记录结构光的光场并获得相位编码场；通过三维测量装置重构空间物点的三维坐标，获得光场成像装置的物空间的度量深度；通过相位编码场计算空间物点在光场成像装置像空间的像点的深度剪切值，将深度剪切值与度量深度组成一组测量深度坐标；改变标定物的方位重复上述步骤，获得多组测量深度坐标，用于标定光场成像装置的物空间和像空间深度度量关系。基于该度量关系，可以由像空间的深度精确的确定物空间的深度，使得光场成像不仅具备像空间深度感知的功能，还具备了物空间中的深度测量的功能。

Description

一种光场度量标定方法及标定***
技术领域
本发明属于光学技术领域，特别涉及一种光场度量标定方法及标定***。
背景技术
光场成像是一种新颖的成像方法和技术。相比于传统成像只能记录光线的光强而言，光场成像能够同时记录光线的强度和方向信息，使光线记录维度从二维扩展至四维，突破了传统成像性能局限。例如，通过对光场数据进行剪切操作能够实现数字重聚焦；通过子图像选取能够实现多视角成像。这些成像性能蕴含了场景相关的深度线索，使得光场成像具备深度估计的功能。然而这种深度估计仅是像空间中的深度感知而非物空间中的深度测量。物空间的深度测量对光场成像和三维测量技术具有积极意义，有待提供一种用于物空间深度测量的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光场度量标定方法，旨在解决传统光场成像技术中无法对物空间进行深度测量的技术问题。
本发明是这样实现的，一种光场度量标定方法，所述方法包括以下步骤：
S1：提供标定物，通过三维测量装置投射结构光的图案到所述标定物上，通过光场成像装置记录所述结构光的光场，并获得光场图像的相位编码场；
S2：确定由所述标定物表面反射而被所述光场成像装置记录的光线上的空间物点在所述三维测量装置中的像点，通过所述三维测量装置重构所述像点对应的所述空间物点的三维坐标，获得所述光场成像装置的物空间的度量深度；
S3：通过所述相位编码场计算所述空间物点在所述光场成像装置像空间的对应像点的深度剪切值，将所述深度剪切值与所述度量深度组成一组测量深度坐标；其中，剪切表示光场成像装置记录光场的重采样，所述深度剪切值表示初始采样和重采样像面的像距比；
S4：改变所述标定物的方位，重复步骤S1至S3，获得多组测量深度坐标，所述测量深度坐标用于标定所述光场成像装置的物空间和像空间之间的深度度量关系。
进一步地，所述结构光为双方向明暗相间条纹结构光，所述结构光投射到所述标定物上的图案为网格。
进一步地，所述光场成像装置记录的光场表示为L(s,u)，L为光线辐射强度，s＝(s,t)T为光线的空间坐标，u＝(u,v)T为光线的角度坐标；所述相位编码场表示为φ1,2(s,u)，下标1，2分别表示双方向平行结构光图案的两种不同的方向。进一步地，所述光场成像装置的物空间的度量深度表示为z(s)，所述光场成像装置记录光场的重采样表示为L(sα,u)，其中，sα＝s+u(1-1/α)，表示剪切量，α表示剪切值。
进一步地，所述步骤S3中，通过所述相位编码场计算所述空间物点在所述光场成像装置像空间的对应像点的深度剪切值的步骤包括：
剪切所述相位编码场，所述相位编码场的重采样表示为φ1,2(sα,u)；
通过重采样相位编码场φ1,2(s,u)计算所述光场成像装置像空间的深度剪切值，表示为φ1,2(sα,u)＝φ1,2(s,0)，所述光场成像装置像空间的深度剪切值表示为α(s)；
所述测量深度坐标表示为[z(s),α(s)]；所述标定光场成像装置物空间和像空间之间的深度度量关系表示为z(s)＝f(α(s))，其中f表示关联函数。
本发明的另一目的在于提供一种光场度量标定***，用于实施上述任一项所述的光场度量标定方法，包括标定物、三维测量装置和光场成像装置；
所述三维测量装置用于向所述标定物投射结构光，并用于重构空间物点的三维坐标，以获得所述空间物点在所述光场成像装置的物空间的度量深度，所述空间物点是由所述标定物表面反射而被所述光场成像装置记录的光线上的空间物点；
所述光场成像装置用于记录所述结构光的光场，并获得光场图像的相位编码场，并用于通过所述相位编码场计算所述空间物点在所述光场成像装置像空间的对应像点的深度剪切值。
进一步地，所述结构光为双方向明暗相间条纹结构光，所述结构光在所述标定物上的图案为网格。
进一步地，所述三维测量装置包括第一测量仪和第二测量仪，所述第一测量仪和第二测量仪分别用于输出一组结构光，所述第一测量仪和第二测量仪的光输出或光输入方向交叉，所述光场成像装置设置于所述标定物对所述结构光的反射光路上。
本发明提供的一种光场度量标定方法及***具有如下有益效果：上述光场度量标定方法通过标定物、三维测量装置及光场成像装置的结合，按照上述步骤确定了光场成像装置的像空间和物空间深度的度量关系，基于该度量关系，可以由像空间的深度精确的确定物空间的深度，使得光场成像不仅具备像空间深度感知的功能，还具备了物空间中的深度测量的功能，对光场成像和三维测量技术具有重要的意义。并且该标定方法易于实施，精度高，适用于精确的光场成像***物空间的深度测量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种光场度量标定方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种光场度量标定***的结构图和光路图；
图3是本发明实施例提供的一种光场度量标定方法中光场成像装置的物空间和像空间之间的深度度量关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种光场度量标定方法，该方法包括以下步骤：
S1：提供标定物10，通过三维测量装置20投射结构光的图案到标定物10上，通过光场成像装置30记录结构光的光场，并获得光场图像的相位编码场；
S2：确定由标定物10表面反射而被光场成像装置30记录的光线上的空间物点在三维测量装置20中的像点，通过三维测量装置20重构像点对应的空间物点的三维坐标，获得光场成像装置30的物空间的度量深度；
S3：通过所述相位编码场计算所述空间物点在所述光场成像装置30像空间的对应像点的深度剪切值，将所述深度剪切值与所述度量深度组成一组测量深度坐标；其中，剪切表示光场成像装置30记录光场的重采样，所述深度剪切值表示初始采样和重采样像面的像距比；
S4：改变标定物10的方位，重复步骤S1至S3，获得多组测量深度坐标，测量深度坐标用于标定光场成像装置30的物空间和像空间之间的深度度量关系。
进一步地，标定物10优选是具有一平面反光面的物体，结构光为双方向明暗相间条纹结构光，结构光投射到标定物10上的图案为网格。具体地，结构光可以包括两组明暗直条纹的结构光，这两组直条纹结构光的条纹延伸方向(方向1和方向2)垂直交叉或者不垂直交叉，优选地，方向1和方向2至少呈30°至150°之间的任意夹角，便于确定对应像点和空间物点以及其坐标。
在上述方法中，步骤S1中光场成像装置30记录的光场表示为L(s,u)，L为光线辐射强度，s＝(s,t)T为光线的空间坐标，u＝(u,v)T为光线的角度坐标，具体可以是像空间任一点的空间坐标和角度坐标；相位编码场表示为φ1,2(s,u)，下标1，2分别表示双方向平行结构光图案的两种不同的方向，即方向1和方向2。上述坐标是光场成像装置记录的光场的像素索引值，该记录光场用四维坐标系进行参数化，其中s,t是空间坐标，u,v是角度坐标。
在步骤S2中，旨在通过三维测量装置20确定一空间物点的三维坐标，该空间物点能够成像于光场成像装置30中，即它是由标定物10表面反射而被光场成像装置30记录的光线上的空间物点，三维测量装置20基于其采集的像点重构该空间物点的三维坐标，进而确定光场成像装置30物空间的度量深度，即该空间物点在光场成像装置30物空间的度量深度。
在步骤S3中，光场成像装置30对光场及相位编码场进行剪切(重采样)，光场成像装置30记录光场的重采样表示为L(sα,u)，其中，sα＝s+u(1-1/α)，表示剪切量，α表示剪切值。剪切量即是光场空间坐标的变化量，剪切值是两个采样像面之间的像距比。相位编码场的重采样表示为φ1,2(sα,u)；然后通过重采样相位编码场φ1,2(s,u)计算光场成像装置像空间的深度剪切值，表示为φ1,2(sα,u)＝φ1,2(s,0)，光场成像装置30像空间的深度剪切值为α(s)。
在本实施例中，将上述光场成像装置30的物空间的度量深度表示为z(s)，该测量深度坐标即为[z(s),α(s)]；标定光场成像装置30物空间和像空间之间的深度度量关系表示为z(s)＝f(α(s))，其中f表示关联函数。参考图3，其示意了光场成像装置30的物空间和像空间之间的深度度量关系。图中明确标定了像空间的深度剪切值和物空间深度的对应关系。
上述光场度量标定方法通过标定物10、三维测量装置20及光场成像装置30的结合，按照上述步骤确定了光场成像装置30的像空间和物空间深度的度量关系，基于该度量关系，可以由像空间的深度精确的确定物空间的深度，使得光场成像不仅具备像空间深度感知的功能，还具备了物空间中的深度测量的功能，对光场成像和三维测量技术具有重要的意义。并且该标定方法易于实施，精度高，适用于精确的光场成像***物空间的深度测量。
上述光场度量标定方法基于上述标定物10、三维测量装置20和光场成像装置30实现，因此，包括上述标定物10、三维测量装置20和光场成像装置30的***也在本发明的保护范围内。本发明实施例提供一种光场度量标定***，包括标定物10、三维测量装置20和光场成像装置30；其中，标定物10用于提供一物面，具体可以是平面反光面，三维测量装置20用于向标定物10投射结构光，结构光在标定物10上的图案为网格。三维测量装置20还用于重构空间物点的三维坐标，以获得空间物点在光场成像装置30的物空间的度量深度，该空间物点是由标定物10表面反射而被光场成像装置30记录的光线上的空间物点。光场成像装置30用于记录结构光的光场，并获得光场图像的相位编码场，并用于通过相位编码场计算空间物点在光场成像装置30像空间的对应像点的深度剪切值。
进一步地，该结构光优选为双方向明暗相间的直条纹结构光，两组直条纹结构光的条纹延伸方向(方向1和方向2)垂直交叉或者不垂直交叉，优选地，方向1和方向2至少呈30°至150°之间的任意夹角，便于确定对应像点和空间物点以及其坐标。
进一步地，三维测量装置20包括第一测量仪201和第二测量仪202，该第一测量仪201和第二测量仪202的光输出或输入方向交叉，第一测量仪201输出方向1的直条纹结构光，第二测量仪202输出方向2的直条纹结构光，方向1的直条纹结构光和方向2的直条纹结构光投射在标定物10表面，形成网格状的图案，便于空间物点和像点的确定。标定物10对方向1的直条纹结构光和方向2的直条纹结构光进行反射，反射光被光场成像装置30收集，并获得上述的光场、相位编码场以及光场和相位编码场的重采样。
进一步地，该光场成像装置30记录光场、相位编码场以及光场和相位编码场的重采样，并根据相应数据计算像空间的深度剪切值的具体方式如前文所述，此处不再重复说明。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光场度量标定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：提供标定物，通过三维测量装置投射结构光的图案到所述标定物上，通过光场成像装置记录所述结构光的光场，并获得光场图像的相位编码场；
S2：确定由所述标定物表面反射而被所述光场成像装置记录的光线上的空间物点在所述三维测量装置中的像点，通过所述三维测量装置重构所述像点对应的所述空间物点的三维坐标，获得所述光场成像装置的物空间的度量深度；
S3：通过所述相位编码场计算所述空间物点在所述光场成像装置像空间的对应像点的深度剪切值，将所述深度剪切值与所述度量深度组成一组测量深度坐标；其中，剪切表示光场成像装置记录光场的重采样，所述深度剪切值表示初始采样和重采样像面的像距比；
S4：改变所述标定物的方位，重复步骤S1至S3，获得多组测量深度坐标，所述测量深度坐标用于标定所述光场成像装置的物空间和像空间之间的深度度量关系；
所述结构光为双方向明暗相间条纹结构光，所述结构光投射到所述标定物上的图案为网格。
2.如权利要求1所述的光场度量标定方法，其特征在于，所述光场成像装置记录的光场表示为L(s,u)，L为光线辐射强度，s＝(s,t)T为光线的空间坐标，u＝(u,v)T为光线的角度坐标；所述相位编码场表示为φ1,2(s,u)，下标1，2分别表示双方向平行结构光图案的两种不同的方向。
3.如权利要求2所述的光场度量标定方法，其特征在于，所述光场成像装置的物空间的度量深度表示为z(s)，所述光场成像装置记录光场的重采样表示为L(sα,u)，其中，sα＝s+u(1-1/α)，表示剪切量，α表示剪切值。
4.如权利要求3所述的光场度量标定方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过所述相位编码场计算所述空间物点在所述光场成像装置像空间的对应像点的深度剪切值的步骤包括：
剪切所述相位编码场，所述相位编码场的重采样表示为φ1,2(sα,u)；
通过重采样相位编码场φ1,2(s,u)计算所述光场成像装置像空间的深度剪切值，表示为φ1,2(sα,u)＝φ1,2(s,0)，所述光场成像装置像空间的深度剪切值表示为α(s)；
所述测量深度坐标表示为[z(s),α(s)]；所述标定光场成像装置物空间和像空间之间的深度度量关系表示为z(s)＝f(α(s))，其中f表示关联函数。
5.一种光场度量标定***，其特征在于，用于实施权利要求1至4任一项所述的光场度量标定方法，包括标定物、三维测量装置和光场成像装置；
所述三维测量装置用于向所述标定物投射结构光，并用于重构空间物点的三维坐标，以获得所述空间物点在所述光场成像装置的物空间的度量深度，所述空间物点是由所述标定物表面反射而被所述光场成像装置记录的光线上的空间物点；
所述光场成像装置用于记录所述结构光的光场，并获得光场图像的相位编码场，并用于通过所述相位编码场计算所述空间物点在所述光场成像装置像空间的对应像点的深度剪切值；
所述结构光为双方向明暗相间条纹结构光，所述结构光在所述标定物上的图案为网格。
6.如权利要求5所述的光场度量标定***，其特征在于，所述三维测量装置包括第一测量仪和第二测量仪，所述第一测量仪和第二测量仪分别用于输出一组结构光，所述第一测量仪和第二测量仪的光输出或光输入方向交叉，所述光场成像装置设置于所述标定物对所述结构光的反射光路上。
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