一種基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的方法，首先利用計算機建立三維立體場景，獲取立體場景的坐標與信息對應的數(shù)據(jù)庫；設定虛擬微透鏡光學參數(shù)，使其符合真實微透鏡的光學參數(shù)，在集成立體成像系統(tǒng)的光學系統(tǒng)中顯示；將所有三維場景坐標從局域坐標轉(zhuǎn)到世界坐標；依據(jù)虛擬微透鏡相機和空間場景的位置，確定視點坐標；將虛擬3D目標根據(jù)不同視點轉(zhuǎn)換成2D圖像，根據(jù)視點坐標生成元素圖像。本發(fā)明提出采用幾何投影、映射技術(shù)，通過計算機構(gòu)成虛擬微透鏡陣列元素圖像，獲取的元素圖像具有更寬的視角范圍、高分辨率和大景深的特點，克服了基于微透鏡陣列獲取的元素圖像陣列之間的干擾，重構(gòu)出了清晰的集成立體圖像。
【專利說明】一種基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成（立體）成像【技術(shù)領域】，尤其涉及一種基于中心投影的集成立體 成像元素圖像生成的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 集成（立體）成像技術(shù)（Integrallmaging，簡稱II，又譯為三維全景成像技術(shù)）， 是一種通過微透鏡陣列來記錄和顯示3D空間場景信息的圖像技術(shù)。集成（立體）成像技 術(shù)的突出的特點是（1)空間上再現(xiàn)了真實立體圖像，并保留正確的顯示比例。不需要任何 觀察設備，而且不受觀察者可視距離的限制。（2)給觀察者提供了連續(xù)視點的真實立體圖 像，克服了眼睛集中適應性調(diào)節(jié)沖突問題。（3)它是一種被動顯示技術(shù)，克服了全息術(shù)中需 要輔助光源來顯示立體圖像的問題。（4)系統(tǒng)組成相對簡單。
[0003] 集成（立體）成像技術(shù)記錄和再現(xiàn)的基本過程：3D物空間場景通過微透鏡陣列 (或針孔矩陣）后被記錄于相應的膠片上；每個微透鏡（或針孔）都從不同的方向記錄一 部分空間場景，相應生成的一幅幅小圖被稱為"元素圖像（子圖像）"。有多少個微透鏡就 有多少個相應的"元素圖像"?？臻g任意一點的視差信息都被這許許多多的"元素圖像"分 散記錄于整個膠片上或CCD上。當將記錄膠片放在一張具有同樣參數(shù)的微透鏡陣列薄片后 時，相應的顯示微透鏡陣列把許許多多"元素圖像（子圖像）"透射/反射出來的光線聚集 后可還原出原來的3D空間。
[0004] 目前的集成立體成像的采集系統(tǒng)通常采用光學微透鏡陣列獲取三維場景的圖像， 光學采集系統(tǒng)由于光的衍射作用導致每個元素圖像的邊界模糊，存在干擾，導致集成立體 圖像對比度差、視角小等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實施例的目的在于提供一種基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成 的方法，旨在解決目前的集成立體成像的采集系統(tǒng)通常采用光學微透鏡陣列獲取三維場景 的圖像，光學采集系統(tǒng)由于光的衍射作用導致每個元素圖像的邊界模糊，存在干擾，導致集 成立體圖像對比度差、視角小的問題。
[0006] 本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的 方法，該基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的方法包括以下步驟：
[0007] 步驟一，首先利用計算機建立三維立體場景，獲取立體場景的坐標與信息對應的 數(shù)據(jù)庫；
[0008] 步驟二，設定虛擬微透鏡光學參數(shù)，使其符合真實微透鏡的光學參數(shù)，在集成立體 成像系統(tǒng)的光學系統(tǒng)中顯不；
[0009] 步驟三，將所有三維場景坐標從局域坐標轉(zhuǎn)到世界坐標；
[0010] 步驟四，依據(jù)虛擬微透鏡相機和空間場景的位置，確定視點坐標；
[0011] 步驟五，將虛擬3D目標根據(jù)不同視點轉(zhuǎn)換成2D圖像，根據(jù)視點坐標生成元素圖 像。
[0012] 進一步，該基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的方法的具體步驟為：
[0013] 步驟一，首先利用計算機建立三維立體場景，獲取立體場景的坐標與信息對應的 數(shù)據(jù)庫，如已有三維場景的數(shù)據(jù)庫直接建立三維場景立體像素與坐標對應的數(shù)據(jù)庫；
[0014] 步驟二，設定虛擬微透鏡光學參數(shù)，符合真實微透鏡的光學參數(shù)，在集成立體成像 系統(tǒng)的光學系統(tǒng)中顯示，微透鏡的點陣數(shù)為50X50,透鏡的焦距為3. 5mm，微透鏡間距為 1mm的光學參數(shù)情況下，系統(tǒng)設定虛擬微透鏡陣列數(shù)為50X 50,透鏡的分辨率150X 150 ;
[0015] 步驟三，將所有三維場景坐標從局域坐標轉(zhuǎn)到世界坐標；
[0016] 步驟四，依據(jù)虛擬微透鏡相機和空間場景的位置，確定視點坐標，依據(jù)參數(shù)設定， 虛擬微透鏡的視點坐標Ζ_(虛擬相機坐標）共有50X50, Z_的第1行第1列的坐標為 (75, 75, Z)(點陣圖的左上角），第1行第2列坐標為（75, 225, Z)，依次類推至第1行第50 列坐標為（75,49 X 150+75, Z)，同樣第2行第1列坐標為（225, 75, Z)，依次類推至第50行 第1列坐標為（49 X 150+75, 75, Z)，這樣共有2500個視點；
[0017] 步驟五，將虛擬3D目標依據(jù)不同視點轉(zhuǎn)換成2D圖像，根據(jù)視點坐標生成元素圖 像，當一個微透鏡的參數(shù)設定好之后，在這一步中，設定視角的值和構(gòu)成集成圖像元素圖像 的長和寬，根據(jù)每個不同的視點獲得相應的2D中心投影圖構(gòu)成元素圖像，視點的數(shù)量與元 素圖像陣列數(shù)相同；
[0018] 視點轉(zhuǎn)換矩陣如下：
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的方法，其特征在于，該基于中心 投影的集成立體成像元素圖像生成的方法包括以下步驟： 步驟一，首先利用計算機建立三維立體場景，獲取立體場景的坐標與信息對應的數(shù)據(jù) 庫； 步驟二，設定虛擬微透鏡光學參數(shù)，使符合真實微透鏡的光學參數(shù)，在集成立體成像系 統(tǒng)的光學系統(tǒng)中顯示； 步驟三，將所有三維場景坐標從局域坐標轉(zhuǎn)到世界坐標； 步驟四，依據(jù)虛擬微透鏡相機和空間場景的位置，確定視點坐標； 步驟五，將虛擬3D目標根據(jù)不同視點轉(zhuǎn)換成2D圖像，根據(jù)視點坐標生成元素圖像。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的方法，其特征在 于，該基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的方法的具體步驟為： 步驟一，首先利用計算機建立三維立體場景，獲取立體場景的坐標與信息對應的數(shù)據(jù) 庫，如已有三維場景的數(shù)據(jù)庫直接建立三維場景立體像素與坐標對應的數(shù)據(jù)庫； 步驟二，設定虛擬微透鏡光學參數(shù)，符合真實微透鏡的光學參數(shù)，在集成立體成像系統(tǒng) 的光學系統(tǒng)中顯示，微透鏡的點陣數(shù)為50X50,透鏡的焦距為f = 3. 5mm，微透鏡間距為p =1mm的光學參數(shù)情況下，系統(tǒng)設定虛擬微透鏡陣列數(shù)為mXn = 50X50,透鏡的分辨率 MXN = 150X150 ； 步驟三，將所有三維場景坐標從局域坐標轉(zhuǎn)到世界坐標； 步驟四，依據(jù)虛擬微透鏡相機和空間場景的位置，確定視點坐標，依據(jù)參數(shù)設定，虛擬 微透鏡的視點坐標Zeam (虛擬相機坐標）共有50 X 50, Ζ_的第1行第1列的坐標為（75, 75， Ζ)，第1行第2列坐標為（75, 225, Ζ)，依次類推至第1行第50列坐標為（75,49 X 150+75， Ζ)，同樣第2行第1列坐標為（225, 75, Ζ)，依次類推至第50行第1列坐標為（49 X 150+75， 75, Ζ)，這樣共有2500個視點； 步驟五，將虛擬3D目標依據(jù)不同視點轉(zhuǎn)換成2D圖像，根據(jù)視點坐標生成元素圖像，當 一個微透鏡的參數(shù)設定好之后，在這一步中，設定視角的值和構(gòu)成集成圖像元素圖像的長 和寬，根據(jù)每個不同的視點獲得相應的2D中心投影圖構(gòu)成元素圖像，視點的數(shù)量與元素圖 像陣列數(shù)相同； 視點轉(zhuǎn)換矩陣如下：
上式中（X，y，ζ)為三維場景坐標信息，（X'，Υ'，Ζ'）為虛擬微透鏡投影面坐標，即可完 成虛擬微透鏡EI圖像的獲取，式中（X，Y)為視點起始點坐標（左上角），WwidthandHheightS 元素圖像的長和寬，本系統(tǒng)設定元素圖像的分辨率為150X1504PWwidth，150, Hheight = 150， 式中MinZ為3D場景與投影面最近的距離，本例中MinZ = 16, MaxZ為3D場景與投影面最 遠的距離，此數(shù)據(jù)隨3D場景的深度變化而變化，根據(jù)上式，可建立出每個元素圖像；由于元 素圖像的分辨率為150X150 (MXN)，式中（X，Y)為視點起始點坐標為（75, 75)，此外虛擬 微透鏡的點陣數(shù)為50X50,因此共有2500個視點元素圖像，依據(jù)步驟四可推出每個視點的 (X，Y)坐標值。
3.如權(quán)利要求1所述的基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的方法，其特征在 于，該基于中心投影的集成立體成像元素圖像生成的方法包括： 步驟一，通過計算機生成三維場景信息； 步驟二，設定虛擬的微透鏡光學參數(shù)； 步驟三，將三維場景信息從局域坐標轉(zhuǎn)到世界坐標； 把物體上移動變量用矢量Δρ表示： ρ' =ρ+Δρ (1) 在此，為轉(zhuǎn)換之后的點，Ρ為原點，Δρ為移動矢量；依據(jù)坐標關系，p(x，y)和 P' (V，/ )之間存在以下關系：
(2) 等式（2)中，ΛΧ和Ay為沿著X和y方向的移動變量； 根據(jù)齊次坐標，一個點成為一個列向量，單位為1，對三維坐標系統(tǒng)，寫成以下齊次坐標 矩陣形式：
(3) 等式⑶中，Δχ、Ay、Δζ為移動矢量Δρ(Δχ，Ay，Δζ)的坐標變量； 尺度變換是對場景的放大或縮小，也就是目標旋轉(zhuǎn)或縮放功能，依據(jù)尺度變換定義，對 3D系統(tǒng)，齊次坐標表示如下：
(4) 在此，Λχ，Ay，ΛΖ代表Χ，Υ，Ζ方向的尺度系數(shù)； ON為經(jīng)過坐標原點的任意一個軸；Ρ點沿著ON軸任意旋轉(zhuǎn)角度Ω，這時Ρ點移動到Ρ1 點，依據(jù)旋轉(zhuǎn)角度和軸向及P點的坐標，pl點的坐標如下：
(5) 公式中aya33為旋轉(zhuǎn)矩陣系數(shù)； 對于任意一個向量Q = qli+q2j+q3k，單位向量被如下定義：
其中
為向量幅度，i，j，k為單位向量，因此； (6) (7) 旋轉(zhuǎn)矩陣： 步驟四，依據(jù)虛擬微透鏡相機和空間場景的位置，確定視點坐標； Ζ_為虛擬相機坐標，Zsurf為投射面位置，（X，Y，Z)和（X'Y'Z'）分別為隨意平面和投 影坐標面，根據(jù)三角形的相似性（ΛΡΟΖ_，AP'ZsurfZeam)，得如下等式：
(B) Ζ_為虛擬相機坐標，Zsurf為投射面位置，（X，Y，Z)和（X'Y'Z'）分別為隨意平面和投 影坐標面；考慮到Ζ坐標軸，最終等式為：
(9) 按矩陣方式寫的時候，上式變?yōu)椋?br> (10) 步驟五，將虛擬3D目標進行轉(zhuǎn)換成2D的變換，在這一步中，設定視角的值和構(gòu)成集成 圖像元素圖像的長和寬；當一個微透鏡的參數(shù)設定好之后，根據(jù)每個不同的視點可以獲得 相應的2D中心投影圖構(gòu)成元素圖像；視點的數(shù)量與元素圖像陣列數(shù)相同，根據(jù)等式（10)， 視點轉(zhuǎn)換矩陣如下： 依據(jù)上式即可完成虛擬微透鏡ΕΙ圖像的獲取。 (11)
【文檔編號】G06T3/00GK104063843SQ201410272990
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】樸燕, 伊戈爾, 王宇 申請人:長春理工大學