多聚焦光場成像的動態擴展景深原理與技術研究

《多聚焦光場成像的動態擴展景深原理與技術研究》是依託鄭州大學，由劉曉旻擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多聚焦光場成像的動態擴展景深原理與技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉曉旻
• 依託單位：鄭州大學

項目摘要

多聚焦光場相機能擴大光場相機的物理景深，提高空間解析度，是發展的新趨勢。光場相機可以先拍照後聚焦，用大孔徑鏡頭獲得大景深圖像，是近年來研究的熱點。本項目擬針對多聚焦相機擴展景深的物理方法和軟體方法開展研究，探索實現動態景深擴展的新途徑。項目以景深變化和圖像像素分布變化為研究對象。通過研究微透鏡參數的變化和景深變化之間的定量關係，得出景深計算公式和景深放大倍率公式，得到擴大物理景深的方法。通過研究物點位置變化引起的圖像像素分布的變化，得到物點位置信息和方向信息與像素坐標之間的聯繫。最後研究利用圖像像素與主鏡孔徑之間的直接映射，實現景深動態控制的算法。項目用軟體仿真輔助理論分析，搭建實驗平台驗證結果。項目的順利開展，將實現多聚焦光場光片參數化的方法，並提供軟硬體結合的動態擴展景深新技術。項目的結果，為實現不同結構的多聚焦光場相機，提供理論基礎與實驗依據；為實現全光場成像，提供思路與定量依據。

結題摘要

自2005年以來光場相機（light field camera）先拍照後對焦，一次拍照獲得全部目標信息的強大成像能力受到國內外研究人員的極大關注，光場成像逐漸被認為是一種革命性的成像方法。光場成像的多信息圖像處理功能非常強大，在科研、軍事和民用等領域需求廣泛。十幾年來光場成像機理、成像設備的研製以及光場信息提取方法等方面的研究發展迅速，已報導出多種實現方案，拓展出計算成像等研究新領域，其原理也被套用於光譜成像研究之中。隨著研究和套用領域的擴展，光場圖像空間解析度低、深度信息提取算法複雜等不足逐步突顯，成為制約該方法發展的瓶頸。項目研究造成光場圖像空間解析度低的物理機制和制約因素，用ZEMAX和ASAP軟體建立了光學仿真模型，結合光場成像實驗結果，可視化分析制約機理，探尋提高光場圖像成像質量的有效途徑。項目探究了光場成像原理，研究了微透鏡直徑、覆蓋像素數、物距與像距等關鍵參數對圖像空間解析度和角度解析度的影響。結果表明，光場相機的結構決定了成像的空間解析度和光線方向解析度，而光線方向解析度影響深度估計的精度，微透鏡的形狀影響有效圖像解析度，這是光場成像模型與傳統成像模型的本質區別。項目探討了光場圖像的深度提取原理和方法，比較了Lytro1.0型、Adobe2.0型和Raytrix多聚焦型光場相機三者的異同。研究表明，傅立葉切片技術、模板匹配方法、多聚焦散焦法等方法都可以實現光場深度估計，多聚焦散焦法深度估計精度最高。項目提出了基於二消失點的自標定方法和主動視覺變焦自標定方法，前者僅需要包含兩組正交平行直線的場景，視點不同的四幅圖像，就可以計算出相機四個內參數，精度接近於Halcon標定板法。藉助變焦相機主動視覺自標定，項目實現了變焦相機的圖像拼接，這是實現多聚焦光場的基礎。項目在研究光場深度估計和數字重聚焦方法的基礎上，實現了動態擴展景深、depth_from_focus與數字重聚焦結合的光場三維重建工作，完成了具有高空間解析度的壓縮感知光場的多視角重建。綜上所述，資助項目順利完成。