光场相机成像模型及参数标定方法综述
发布时间：2019-07-30 11:51
【摘要】：光场相机成像模型与参数标定方法是拓展光场应用的理论基础和关键环节,已成为计算光场领域的研究热点。不同于传统相机的成像原理,光场相机通过新颖的光学系统将场景中的光线按照某种给定关系与图像传感器像元进行对应,实现对三维空间中光线位置和角度信息的采样与记录,可通过计算摄影学恢复场景的三维结构。利用微透镜阵列分析了光场相机标定的成像模型和参数化模型,比较了不同物理参数设置对光场采样结果的影响;分析了光场相机的光线提取与校正方法、参数标定模型、误差定义与精度度量等主要问题,对光场相机参数标定方法进行了归纳和总结。
【图文】：
中国激光图１Ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ１．０的光路模型及其成像效果Ｆｉｇ．１ＯｐｔｉｃａｌｐａｔｈｍｏｄｅｌａｎｄｉｍａｇｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆＰｌｅｎｏｐｔｉｃ１．０度平面上来自同一点不同方向的光束，在图像传感器上提前聚焦或二次聚焦，其光路模型和成像效果如图２所示。其中，主镜头成像平面、微透镜阵列及图像传感器之间的距离ｚ、ｇ需满足高斯成像公式［９］，以保证物方光束在图像传感器上能够会聚于一点；同时，为使同一物点被记录Ｍ次，ｚ、ｇ应满足关系为Ｍ＝ｚκｇ，其中κ为与微透镜阵列排布方式相关的系数［１４］。聚焦式光场相机的成像方式与传统光场相机相似，子图像成像效果受微透镜阵列的聚焦方式影响而略有不同；当相机参数满足一定关系时，可保证子图像之间不覆盖且尽可能相切。聚焦式光场相机记录光场的方式可近似看作相机阵列，每个子图像等效于主镜头成像面处的观测。受微透镜聚焦方式的影响，这类相机可分为二次聚焦、提前聚焦两种形式；其中，二次聚焦情况下子图像为倒像，提前聚焦情况下子图像为正像，如图２所示。图２Ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ２．０的光路模型及其成像效果。（ａ）二次聚焦；（ｂ）提前聚焦Ｆｉｇ．２ＯｐｔｉｃａｌｐａｔｈｍｏｄｅｌａｎｄｉｍａｇｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆＰｌｅｎｏｐｔｉｃ２．０．（ａ）Ｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｏｃｕｓｉｎｇ；（ｂ）ｆｏｃｕｓｉｎａｄｖａｎｃｅ由图２可知，该模型采样光场的角度分辨率与主镜头、微透镜阵列、图像传感器的相对安装位置有关，因而能够通过调节安装参数来灵活改变光场分辨率，但仍存在角度与位置分辨率的折衷瓶颈。此外，Ｇｅｏｒｇｉｅｖ等［１５］还
备工艺现有条件，主流光场成像系统，如相机阵列、微透镜阵列光场相机，均采用了双平面模型的设计原则。Ｂｉｒｋｌｂａｕｅｒ等［２９］在此基础上利用同轴双柱面模型参数化全景光场，将多个双平面光场注册到同轴双柱面坐标系下，并实现了有效的多视点和重聚焦。可见，双平面光场模型涵盖现有主流光场成像设备，并具有较强的可扩展性。双平面模型参数包括两个平行平面的距离Ｌ，两个二维坐标系的原点偏移（Δｕ，Δｖ），以及各坐标轴单位刻度ｌｘ、ｌｙ、ｌｕ、ｌｖ间的比例，如图４所示。图４双平面模型及其参数Ｆｉｇ．４Ｔｗｏ－ｐａｒａｌｌｅｌ－ｐｌａｎｅｍｏｄｅｌａｎｄｉｔｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ图５（ａ）双平面光场；（ｂ）～（ｄ）改变参数Ｌ、ｌｘ／ｌｕ、（Δｕ，Δｖ）后的光场Ｆｉｇ．５（ａ）Ｔｗｏ－ｐａｒａｌｌｅｌ－ｐｌａｎｅｌｉｇｈｔｆｉｅｌｄ；（ｂ）～（ｄ）ｌｉｇｈｔｆｉｅｌｄａｆｔｅｒｃｈａｎｇｅｏｆＬ、ｌｘ／ｌｕ、（Δｕ，Δｖ）改变其中任意一些参数，将影响光场所记录的场景的透视关系和比例，如图５所示。图５（ａ）为初始光场，记录真实场景中具有朗伯体表面的立方体；图５（ｂ）～（ｄ）分别为光线强度不变时，改变双平面距离Ｌ、参数化平面比例ｌｘ／ｌｕ与ｌｙ／ｌｖ、角度平面位移（Δｕ，Δｖ）后的光场数据，其光线角度均发生变化。虽然４种条件下形成的多视点图像没有差异，且分别在角度信息上做积分得到传统图像，４种光场的成像效果也均相同［１７］；但当重参数化双平面坐标、改变成像平面
【作者单位】： 西北工业大学计算机学院;
【基金】：国家自然科学基金(61531014,61272287) 虚拟现实技术与系统国家重点实验室开放基金(BUAA-VR-15KF-10)
【分类号】：TP391.41
【图文】：
中国激光图１Ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ１．０的光路模型及其成像效果Ｆｉｇ．１ＯｐｔｉｃａｌｐａｔｈｍｏｄｅｌａｎｄｉｍａｇｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆＰｌｅｎｏｐｔｉｃ１．０度平面上来自同一点不同方向的光束，在图像传感器上提前聚焦或二次聚焦，其光路模型和成像效果如图２所示。其中，主镜头成像平面、微透镜阵列及图像传感器之间的距离ｚ、ｇ需满足高斯成像公式［９］，以保证物方光束在图像传感器上能够会聚于一点；同时，为使同一物点被记录Ｍ次，ｚ、ｇ应满足关系为Ｍ＝ｚκｇ，其中κ为与微透镜阵列排布方式相关的系数［１４］。聚焦式光场相机的成像方式与传统光场相机相似，子图像成像效果受微透镜阵列的聚焦方式影响而略有不同；当相机参数满足一定关系时，可保证子图像之间不覆盖且尽可能相切。聚焦式光场相机记录光场的方式可近似看作相机阵列，每个子图像等效于主镜头成像面处的观测。受微透镜聚焦方式的影响，这类相机可分为二次聚焦、提前聚焦两种形式；其中，二次聚焦情况下子图像为倒像，提前聚焦情况下子图像为正像，如图２所示。图２Ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ２．０的光路模型及其成像效果。（ａ）二次聚焦；（ｂ）提前聚焦Ｆｉｇ．２ＯｐｔｉｃａｌｐａｔｈｍｏｄｅｌａｎｄｉｍａｇｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆＰｌｅｎｏｐｔｉｃ２．０．（ａ）Ｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｏｃｕｓｉｎｇ；（ｂ）ｆｏｃｕｓｉｎａｄｖａｎｃｅ由图２可知，该模型采样光场的角度分辨率与主镜头、微透镜阵列、图像传感器的相对安装位置有关，因而能够通过调节安装参数来灵活改变光场分辨率，但仍存在角度与位置分辨率的折衷瓶颈。此外，Ｇｅｏｒｇｉｅｖ等［１５］还
备工艺现有条件，主流光场成像系统，如相机阵列、微透镜阵列光场相机，均采用了双平面模型的设计原则。Ｂｉｒｋｌｂａｕｅｒ等［２９］在此基础上利用同轴双柱面模型参数化全景光场，将多个双平面光场注册到同轴双柱面坐标系下，并实现了有效的多视点和重聚焦。可见，双平面光场模型涵盖现有主流光场成像设备，并具有较强的可扩展性。双平面模型参数包括两个平行平面的距离Ｌ，两个二维坐标系的原点偏移（Δｕ，Δｖ），以及各坐标轴单位刻度ｌｘ、ｌｙ、ｌｕ、ｌｖ间的比例，如图４所示。图４双平面模型及其参数Ｆｉｇ．４Ｔｗｏ－ｐａｒａｌｌｅｌ－ｐｌａｎｅｍｏｄｅｌａｎｄｉｔｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ图５（ａ）双平面光场；（ｂ）～（ｄ）改变参数Ｌ、ｌｘ／ｌｕ、（Δｕ，Δｖ）后的光场Ｆｉｇ．５（ａ）Ｔｗｏ－ｐａｒａｌｌｅｌ－ｐｌａｎｅｌｉｇｈｔｆｉｅｌｄ；（ｂ）～（ｄ）ｌｉｇｈｔｆｉｅｌｄａｆｔｅｒｃｈａｎｇｅｏｆＬ、ｌｘ／ｌｕ、（Δｕ，Δｖ）改变其中任意一些参数，将影响光场所记录的场景的透视关系和比例，如图５所示。图５（ａ）为初始光场，记录真实场景中具有朗伯体表面的立方体；图５（ｂ）～（ｄ）分别为光线强度不变时，改变双平面距离Ｌ、参数化平面比例ｌｘ／ｌｕ与ｌｙ／ｌｖ、角度平面位移（Δｕ，Δｖ）后的光场数据，其光线角度均发生变化。虽然４种条件下形成的多视点图像没有差异，且分别在角度信息上做积分得到传统图像，４种光场的成像效果也均相同［１７］；但当重参数化双平面坐标、改变成像平面
【作者单位】： 西北工业大学计算机学院;
【基金】：国家自然科学基金(61531014,61272287) 虚拟现实技术与系统国家重点实验室开放基金(BUAA-VR-15KF-10)
【分类号】：TP391.41
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6 李凌e，
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