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光場成像技術與設備 版權信息
- ISBN：9787030695130
- 條形碼：9787030695130 ; 978-7-03-069513-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
光場成像技術與設備 內容簡介
光場成像理論及應用概論系統(tǒng)了介紹了新興的光場成像技術的發(fā)展歷程，總結了光場采集系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展，重點介紹了課題組研發(fā)的億級像素光場采集系統(tǒng)。本書從光場成像的理論論述了光場重聚焦、光場設備檢校等技術方法，重點論述了無需白圖像和基于線特征的光場檢校方法。本文書從光場數(shù)據(jù)的深度生成不同方法出發(fā)，闡述了單線索、雙線索的深度檢測方法，介紹了基于成像一致性的深度快速生成算法，以及全景光場拼接方法和設備。很后本書從光場成像的應用出發(fā)，介紹了幾種典型的應用。
光場成像技術與設備 目錄
目錄
前言
第1章 光場成像概論 1
1.1 傳統(tǒng)光學相機理論與發(fā)展 1
1.2 光場理論起源與發(fā)展 3
1.3 光場采集設備演變 4
1.4 全光相機與光場采集 7
參考文獻 10
第2章 全光相機檢校理論與方法 12
2.1 傳統(tǒng)光學相機檢校理論與方法 12
2.2 全光相機模型 18
2.3 全光相機雙檢校理論與方法 21
參考文獻 32
第3章 光場數(shù)據(jù)與成像理論 34
3.1 四維光場與數(shù)據(jù)組織 34
3.2 四維光場成像理論 34
3.3 光場影像表達方法 36
3.4 基于四維光場的重聚焦與全聚焦 42
3.5 高清晰度全聚焦圖像提取方法 45
3.6 全聚焦圖像結果與分析 55
參考文獻 66
第4章 光場數(shù)據(jù)的深度估計 67
4.1 基于圖像立體匹配的方法 67
4.2 基于成像一致性的單線索深度估計方法 73
4.3 多深度線索融合的方法 77
4.4 幾種典型算法的對比 86
4.5 基于EPI的方法 103
4.6 基于深度學習的光場深度估計 105
參考文獻 108
第5章 光場相機硬件發(fā)展狀況 110
5.1 合成光場 110
5.2 編碼掩膜光場 112
5.3 微透鏡陣列光場 112
5.4 10M到100M全光相機 113
5.5 光場采集范圍與全光相機參數(shù) 116
5.6 光場相機發(fā)展趨勢 118
參考文獻 119
第6章 光場相機的應用 121
6.1 數(shù)字重聚焦應用 121
6.2 精密工業(yè)檢測 126
6.3 位移監(jiān)測 130
6.4 虛擬現(xiàn)實與光場 146
6.5 自動駕駛 148
參考文獻 149
前言
第1章 光場成像概論 1
1.1 傳統(tǒng)光學相機理論與發(fā)展 1
1.2 光場理論起源與發(fā)展 3
1.3 光場采集設備演變 4
1.4 全光相機與光場采集 7
參考文獻 10
第2章 全光相機檢校理論與方法 12
2.1 傳統(tǒng)光學相機檢校理論與方法 12
2.2 全光相機模型 18
2.3 全光相機雙檢校理論與方法 21
參考文獻 32
第3章 光場數(shù)據(jù)與成像理論 34
3.1 四維光場與數(shù)據(jù)組織 34
3.2 四維光場成像理論 34
3.3 光場影像表達方法 36
3.4 基于四維光場的重聚焦與全聚焦 42
3.5 高清晰度全聚焦圖像提取方法 45
3.6 全聚焦圖像結果與分析 55
參考文獻 66
第4章 光場數(shù)據(jù)的深度估計 67
4.1 基于圖像立體匹配的方法 67
4.2 基于成像一致性的單線索深度估計方法 73
4.3 多深度線索融合的方法 77
4.4 幾種典型算法的對比 86
4.5 基于EPI的方法 103
4.6 基于深度學習的光場深度估計 105
參考文獻 108
第5章 光場相機硬件發(fā)展狀況 110
5.1 合成光場 110
5.2 編碼掩膜光場 112
5.3 微透鏡陣列光場 112
5.4 10M到100M全光相機 113
5.5 光場采集范圍與全光相機參數(shù) 116
5.6 光場相機發(fā)展趨勢 118
參考文獻 119
第6章 光場相機的應用 121
6.1 數(shù)字重聚焦應用 121
6.2 精密工業(yè)檢測 126
6.3 位移監(jiān)測 130
6.4 虛擬現(xiàn)實與光場 146
6.5 自動駕駛 148
參考文獻 149
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光場成像技術與設備 節(jié)選
第1章 光場成像概論 1.1 傳統(tǒng)光學相機理論與發(fā)展 人類通過眼睛來觀察世界，后來科學研究發(fā)現(xiàn)眼睛就是一個成像系統(tǒng)的組成部分。光線通過視網膜和神經來成像并傳導到大腦中存儲。通過成像的方式來記錄世界是人類的本能，人體本身就是一個復雜的成像系統(tǒng)。人的眼睛就是這個復雜成像系統(tǒng)的“鏡頭”，大腦就是“機身和后背”。不同于語言和文字，影像能夠直觀形象地記錄現(xiàn)實世界。對現(xiàn)實世界中的物理對象進行成像，是人類不斷探索和記錄現(xiàn)實世界的基礎需要。因此，人類也在不斷發(fā)展能夠成像的技術設備。相機是人類*常見的也是*傳統(tǒng)的成像設備，其自身在不斷地演變和發(fā)展。在2000多年前，墨子進行了**次小孔成像的實驗。在近代，牛頓又應用光是沿直線傳播的這一基本理論，給出了小孔成像模型，但小孔成像模型并沒有導致**臺光學相機的產生。基于斯涅爾定律逐步發(fā)展起來的透鏡成像模型，給相機的誕生提供了理論模型的基礎。世界上**臺光學相機誕生于1839年，法國畫家達蓋爾以自己發(fā)明的底片和顯影技術，結合哈謝爾夫發(fā)明的定影技術和維丘德發(fā)明的印相紙，發(fā)明了銀版照相機。這臺照相機由兩個木箱組成，將一個木箱插入另一個木箱中進行調焦，用鏡頭蓋作為快門控制曝光時間，就可以拍攝出清晰的圖像（圖1-1）。 圖1-1 達蓋爾和他發(fā)明的照相機 19世紀，光學相機迎來了一個快速發(fā)展的時代。1841年，沃哥蘭德發(fā)明了世界上**臺全金屬機身的照相機，該照相機還安裝了世界上**只*大相對孔徑為1/3.4的鏡頭。1845年，馬滕斯發(fā)明了世界上**臺可以遙控拍攝人眼整個視角的全景照相機。值得說明的是，全景這個詞*初指的是能夠覆蓋整個人眼視角(約150°)的取景范圍，但現(xiàn)在由于技術的發(fā)展，360°的影像都已經成為一種常見的影像形式。1849年，布魯斯特發(fā)明了立體照相機和雙鏡頭的立體觀片鏡。1899年，迪奧隆和勒旭額爾發(fā)明了世界上**臺彩色照相機，至此，拍攝景物進入了彩色時代。 普通相機一般是利用透鏡光學成像原理形成影像，并使用感光元件記錄影像。相機的進步可以從相機和鏡頭結構兩條線來論述。*早的光學相機結構非常簡單，僅僅包括暗箱、鏡頭和感光元件。隨著科學技術的快速發(fā)展，相機發(fā)展成為了一種結合光學、精密機械、電子技術和化學等技術集成的復雜產品，組成結構也變得較為復雜。主要包括鏡頭、光圈、快門、取景器等重要組件。鏡頭已經從單一的透鏡發(fā)展成透鏡組，使得所拍攝景觀在焦點平面上形成清晰的影像。光圈用于控制光線透過鏡頭進入機身內感光面的光量，通常在鏡頭內。光圈控制了匯聚經過鏡頭的光量，因此，實際的通光孔徑隨著光圈的有效孔徑的改變而改變。快門則控制著光線在感光片上停留時間的長短。取景器用于確定被拍攝景物的范圍以便進行拍攝構圖，現(xiàn)代照相機的取景器通常還帶有測距、對焦等功能。20世紀初，光學相機迎來了外形和體積上的大變革。1905年，美國柯達公司發(fā)明了折疊便攜式照相機，受到了大眾的熱烈歡迎。1928年，世界上**臺雙鏡頭反光照相機由德國弗蘭克和海德克公司推出。與此同時，照相機的性能也在逐步提高和完善，光學取景器和測距器等被廣泛應用在照相機上，機械快門的調節(jié)范圍不斷擴大，黑白感光膠片的感光度、分辨度和寬容度不斷提高，彩色感光片也開始被廣泛應用。但是，感光片是一種不易于使用、不實時、需要時間處理的成像物質。和人眼這個所見即所得的成像系統(tǒng)相比，顯然還有較大的差距。隨著數(shù)字技術的發(fā)展，特別是感光元件的出現(xiàn)，相機從模擬相機時代向數(shù)碼相機時代邁進。 感光元件是光學相機的核心組成部分，21世紀前，相機的成像載體一般是感光膠片，盡管制作工藝和材料經歷很多進步，但膠片不能實時成像，必須經過后續(xù)系列步驟才能得到采集的影像。電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)或互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)等感光電子元器件的出現(xiàn)革新了傳統(tǒng)光學相機的成像和使用方式，數(shù)字、實時、非消耗成為數(shù)碼成像的主要特點。電子感光元器件的面積大小與像素大小成正比。數(shù)碼成像的彩色形成和膠片通過感光物質的方式不同，采用的是一種稱為Bayer真彩色成像的方式。電子感光元件中的每個像素傳感器都是一個探測器，Bayer真彩色成像在整個電子感光元件在覆蓋一層顏色濾波陣列(color filter array，CFA)，通過這種濾光設備，每個像素只接受到紅、綠、藍(red，green，blue，RGB)波段中的某一個波段的能量，其排列方式如圖1-2所示。所以，覆蓋一層Bayer顏色濾波陣列保證了每個像素只保留一個顏色成分。每個像素除自己接收的波段信息外，其他兩個波段的信息是通過鄰近相關相同波段插值形成。這樣每個像素的RGB值其實包括兩個來源，一是RGB中的某一個波段是自身接收的；二是RGB中其他的兩個波段是通過鄰近像元相同波段信息插值而來。 圖1-2 CCD結構示意 1.2 光場理論起源與發(fā)展 普通相機成像的基本過程就是物方的物體發(fā)出(或反射出）的光經過相機的透鏡組后聚焦到成像平面上。由于一旦固定各個成像參數(shù)后，光線能夠聚焦到成像平面上就能成像清晰，否則就模糊。產生這一現(xiàn)象的主要原因是我們記錄的成像結果是某一個物體發(fā)出的光線聚焦積分的結果。那么，自然就產生一個假設，如果記錄的是物體發(fā)出的光線，而不是多個光線聚焦積分的結果，那么就可能把這些光線按照需要聚焦到不同的成像平面上，也就是物體的成像清晰程度是由事后需要決定的，而不是成像前的設定決定的。在光場概念范疇中，認為物體反射的光線充滿了整個像方空間。記錄了這些光場，就是記錄了由光線形成的空間。 光場(light field)的理論*早于1936年由Gershun提出，Gershun認為光場和其他的物理場具有相似的屬性特征（Gershun et al.，1939）。Gershun用空間光線的輻照度的空間分布來描述光場，這是光場的*初理論。Gabor（1948）利用兩束相干光線，獲得了**張全息圖，這張全息圖不僅記錄光線在二維成像面上的積分，還記錄了包含位置和方向信息的光線輻射，一定程度上，這是**張光場圖像。Adelson和Bergen（1991）根據(jù)人眼對光線視覺感知的特性，提出用七維函數(shù)P(x，y，z，θ，φ，t，λ)來表征空間中的幾何光線，其中(x，y，z)為光線中任意一點的三維坐標，(θ，φ)為光線的傳播方向，λ為光線的波長，t為時間，七維函數(shù)又稱之為全光函數(shù)(plenoptic function)。由于全光函數(shù)過于復雜，倘若只考慮光線在空間中的傳輸，光線的波長和發(fā)射時間一般不會發(fā)生變化，因此McMillan認為任意時刻的空間光線可以由五維坐標(x，y，z，θ，φ)來表示(McMillan and Bishop，1995)。為了更進一步地對全光函數(shù)進行簡化，Levoy和Hanrahan（1996）將五維的全光函數(shù)降為四維，并且提出光場渲染理論和雙平面模型來描述靜態(tài)的可見光。雙平面模型利用兩個互相平行的參數(shù)化平面表示四維光場。假設光線在沒有遮擋物和散射介質的區(qū)域，忽略光線在傳播過程中波長和時間維度的變化，則任意一個包含位置和方向信息的光線都可以用雙平面參數(shù)來表示，空間中的光線穿過這兩個平面分別相交于點(u，v)和點(s，t)，光線即可用四維光場函數(shù)L(u，v，s，t)表示，如圖1-3所示。在光場成像設備中，我們可以認為(u，v)表示光線與微透鏡陣列的交點坐標，(s，t)表示光線與CCD傳感器探測面的交點坐標。在整個四維空間中，一條光線對應整個光場的一個采樣點。四維光場理論的出現(xiàn)，為全光相機、相機陣列等光場采集設備提供了理論基礎。現(xiàn)行的大部分單體全光相機和相機陣列的光場采集設備大多是基于四維光場理論的。關于光場采集設備，后面的章節(jié)將有進一步論述。 圖1-3 雙平面模型 1.3 光場采集設備演變 傳統(tǒng)光學相機的成像方式是所見即所得，光場成像作為一種計算成像方式，與傳統(tǒng)成像方式有所不同。光場成像方式所得的光場需要經過相應的數(shù)字化處理才能得到圖像。因而，光場成像的過程其實包含著光場數(shù)據(jù)的采集和光場數(shù)據(jù)的處理兩個部分。從結構上可以將光場的采集設備劃分為兩種，一種是全光相機，全光相機是指在單個相機中加入特殊的光學器件，例如微透鏡陣列，形成透鏡陣列和CCD(或CMOS)兩個參考平面，每一個微透鏡捕獲光線在主透鏡處的所有角度分布。另一種是相機陣列，將數(shù)十個甚至幾百個普通相機形成陣列，起到了微透鏡進行角度采樣的作用。但其實還有其他不同的方式，即通過這些方式，采集到不同角度的、或者能夠分離出不同角度的影像，經過事后處理，形成四維光場的組織形式，我們可以把這些方式稱之為合成光場。 在相機陣列出現(xiàn)之前，人們一般將傳統(tǒng)單體相機安裝到機械移動裝置當中，通過調節(jié)機械裝置來完成對目標場景不同視角圖像的采集。較為有代表性的機械裝置包括Levoy和Hanrahan（1996）設計的移動機械臂和Isaksen等（2000）設計的可以用計算機控制的二維移動平臺。Levoy等將傳統(tǒng)單體相機安裝到移動機械臂上，通過調節(jié)移動機械臂來移動相機，多次曝光來獲取目標場景不同視角的圖像（圖1-4）。 圖1-4 移動機械臂采集光場方式 資料來源：Levoy，1996 然而采用移動機械臂或者二維移動平臺這些方式采集光場都需要耗費一定的時間，并且僅能夠拍攝靜態(tài)物體，為了彌補這一缺陷，多相機組合法采集光場的方式應運而生。多相機組合法采用多個傳統(tǒng)相機組成相機陣列的方式，形成由多個鏡頭投影中心組成虛擬投影參考平面，以及多個CCD(或CMOS)組成的虛擬成像平面。同時通過采用多個相機的方式來獲取目標場景中同一點處不同視角的光線輻射強度，每個相機拍攝的圖像可以看作是光場在不同角度的采樣圖像。比較有代表性的相機陣列是Yang等（2002）和斯坦福大學的Wilburn等（2005）設計的相機陣列。Yang等（2002）設計的相機陣列采用8×8的矩陣結構，包含64個相機可以同時獲取目標場景64個視角的圖像（圖1-5）。 圖1-5 Yang等設計的相機陣列 資料來源：Yang et al.，2002 Wilburn等人在對大型相機陣列的光場采集方式進行了系統(tǒng)性的研究之后，針對不同場景設計出了多種不同配置的相機陣列。這些相機陣列嚴格把控各個相機的時間同步精度和相對位置精度，進而從時間和空間上對光場進行更為精確的處理，以期能夠獲取更高質量的合成圖像（圖1-6）。 圖1-6 斯坦福大學Wilburn等設計的相機陣列 資料來源：Wilburn et al.，2005 相機陣列各子相機之間的距離不同，整個相機陣列就有不同的用途。當所有
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