光场成像原理 .docx
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1、精品名师归纳总结光场成像理论目录1. 光场概念11.1 七维全光函数11.2 全光函数的降维12. 光场采集设备的进展与典型结构22.1 多相机光场采集32.2 单相机光场采集63. 微透镜阵列的光场采集113.1 基于针孔阵列的光场采集113.2 基于微透镜阵列的光场采集131. 光场概念七维全光函数光场 Light field 的概念最早于 1936 年由 ershun 提出,用以描述光在三维空间中的辐射传输特性。 1991 年, E.adelson 和依据人眼对外部光线的视觉感知,提出全光函数Plenoptic function ,利用七维函数表征场景中物体外表发出或反射 的光线。在全光
2、函数可以表示为:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结P7其中,P x, y, z, tx, y, z 表征光纤中任意一点的三维坐标。, 表征光纤传输方向 表征光线波长t 表示时间可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结此时,全光函数 P7Px, y, z, t 表示了波长为的光线 t 时刻经过三维空间中坐标可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结为 x, y, z 的点,且传播方向为 , 的一条光线。与只包含位置信息的光场不同,全光函数的七维表示增加了光线的颜色信息及动态变化。1.2 全光函数的降维可编辑资料 - -
3、- 欢迎下载精品名师归纳总结依据全光函数 P7P x, y, z,t 的意义,当光线在自由空间中传播时,其频率 即可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结波长不发生变化,对于静态场,此时全光函数可由七维降至五维,即P5P x, y, z, ,由于观看者往往受限于目标的成像范畴,此时五维光场显现一位冗余,当给定光线在自由空间的辐射不发生变化,因此在限光器的空间范畴内,五维光场可以表示为四维光场。四维光场的参数化表征可有一下三种方式:1) 方向 -点参数化表政法。利用光线与平面的交点x, y 和光线方向 , 作为四维参数来描述光场中的光线。2) 球面光场参数表征法。利用紧紧包围三维物体的球
4、面上两点,可以表征球面封闭范畴内任意一条光线的传播。尽管该参数表征方式采样匀称,但无法表征与球面相切的光线。3) 双平面参数化表征法。双平面参数化表征法是采纳光线与两个平行平面的焦点坐标来对光场中光线进行可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结参数化表征。其表达形式为L s,t ,u,v ,其中 s, t 和 u, v 分表是光纤盒两平面的坐可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结标交点。由于实际中大部分成像系统都可以简化成两个相互平行的平面,如传统光学系统中的光瞳面和探测器像面,因此双平面参数化表征法具有较高的合理性和有用性。图 1.1三种光场参数化模型2. 光场采集设备的进
5、展与典型结构区分于传统成像方式,光场成像是一种运算成像技术,对捕获光场信息进行相应的数字处理才能得到相应的图像信息。从目前光场相机的结构组成上区分,可分为多相机阵列和单相机改造两种方式。多相机阵列采集光场信息是通过相机阵列对同一目标进行成像,由于每一个相机分别处于不同视角,因此对应光场的一个方向采样。单相机改造结构是利用在单个相机中引入光学调制元件,转变成像结构进行如何光场的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结重新采集,实现将入射的四维光场重新分布在二维探测器平面。2.1 多相机光场采集在多相机阵列显现之前,一般通机械移动装置实现相机多目标多视角图像采集。其中典型结构包括M.Lev
6、oy 所设计的移动机械臂和saksen等人设计的二维移动平台。自 1996 年,美国斯坦福高校的Marc Levoy 等人将相机固定到一个广场采集支架,如下图。利用支架的二维平移和二维转动实现四个自由度的调整,仅为完成目标广场的完成采集。在 2000 年,依据斯坦福试验室所设计的移动机械臂原理,等人设计了类似的二维移动平台驱动相机进行光场采样,如下图, 利用光场参数的变化实现不同的成像应用,包括转变景深及调剂焦点。 当相机在平台上能够移动较大范畴距离时,合成光场能够穿透遮挡物对其 后目标进行图像的重构。图 2.1斯坦福采集光场平台可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 2.2 二维
7、移动平台和相机在 2002 年,利用结构排列紧密的微透镜阵列代替摄像头阵列设计了一种结构紧促、成本低廉的光场采集设备,如下图。设备通过8 11 个微透镜阵列对物体进行多角度成像实现光场采集, 再利用一个平板扫描仪对透镜像平面完成一次扫描,即可将全部微透镜所成的像记录到电脑中。图 2.3 采集微透镜阵列和平板扫描仪的光场采集装置可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结早期的多相机阵列仍包括ang 等人设的 8 11 个摄像机阵列 如图 2.4,以及 C.Zhang图 2.4 ang 等人设计的实时相机阵列和 hen 设计可独立调剂姿势的多相机阵列如图 。在后者的设中,每个相机都固定到一个
8、移动机构单元中,可以各悠闲水平方向和两维转动方向进行调剂。图 2.5 可独立调剂姿势的相机阵列论是采纳外部机械或是扫描仪,要完成光场的采集都需要肯定的扫描周期,因此只能局限于对静态物体的拍照,而采纳多相机阵列可以补偿这一缺陷。斯坦福高校的学者利用大型的相机阵列对光场进行捕获与处理,对此进行全面的分析和讨论。环绕成像应用领域的不同,在2003 年 等人设计了几种不同的摄像机阵列,如图2.6.所示。通过严格掌握每个相机单元的时间同步以及位置的精度,从而能精确的对光场数据进行捕获处理,获得高辨论率光场图像。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 2.6 斯坦福相机阵列2.2 单相机光场采
9、集多相机阵列的规模和尺寸限制其使用场合,而实现单相机内的广场猎取就更具实际意义。1992 年,E.Adelson 和设计了一种全光相机Plenoptic camera,其结构原理如图 2.7.a 所示,系统由主镜头、 微透镜阵列、 成像探测器组成。 探测器与主镜头的光瞳关于微透镜共轭, 主镜头出射的光线经过每个微透镜后投影到其对对应的假设干像元上,这些像元共同组成一个“宏像素” Macropixel 。此时每个宏像素的坐标对应目标像点的几何位置,二宏像素中所掩盖的每个探测器像元就代表目标的不同视角信息。在该系统的设计中, 包含了一个光学扩散片和一个场景。 前者的作用类似于摄影相机中的额低通滤镜
10、,相处高于透镜阵列采样频率的高频成分。而场景的引入可以将宏像素对齐到微透镜所在位置。在如下图系统中,利用中继镜头将微透镜阵列焦面上的像转接到探测器,可以解决犹豫微透镜焦距特别小导致的探测器和微透镜阵列难以直接耦合的困难。由于二次成像具有较严峻的渐晕效应,因此在微透镜焦平面处加入一片毛玻璃进行匀光补偿。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 2.7 a全光相机设计结构。 b 采纳终极镜头的全光相机2005 年, R. Ng等人简化了全光相机的设计,在常规摄影相机的基础上制成手持式全光相机 光场相机 ,如下图。等通探测器芯片立接安装在微透镜阵列的焦面上,削减了中继镜头所带来的额外尺寸以
11、及渐晕效应。由于宏像素的排列次序与相应微透镜单元的排列保持一样,两者并不需要严格的对齐,因此也可以去除场镜。图 2.9 中,顶部两幅图片为手持式光场相机所拍照的光场图像,宏观上来看与常规图像没有太大区分, 但从放大后的图中可以明显看出,每个微透镜所对应的宏像素均掩盖了假设 干个探测器像元。 对二维光场图像中的像素进行重新排列,得到四维光场矩阵, 将四维光场重新投影到新的像平而进行积分叠加,就可以获得不同像平而上的对焦图像。这一对焦过程完全依靠数字运算来完成,而非传统的机械对焦方式,因此称之为“数字对焦”Digital refocusing 。图 2.9 底部三幅图片给出光场相机依次对焦到前、中
12、、后三个、同深度位置的重构图像。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 上图为光场相机结构原理图。以下图为光场相机外观图光场图像与数字对焦eorgiev 等人基于光场维度冗余性,削减光场方向维度的采样,即用较低的辨论率换取相对较高的空间辨论率。 在光场相机中, 削减方向采样的直接方法就是减小微透镜单元的孔径和焦距,使单个宏像素所掩盖的像元数削减。减小微透镜单元孔径和焦距的方法分别会引入制造和处理的两大问题。为此,eorgiev可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结等人对此绽开相关讨论,其中和eorgiev 提出的光场相机,又称”聚焦光场相机 ”,其结构如下图。探测器位于微
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