[发明专利]从三维场景实时获取视觉信息的方法和照相机

说明书

发明目的

本发明涉及计算与物体体积相关的焦点堆栈(focal stack)的方法，涉及提高所获得的焦点堆栈的图像的分辨率的方法，涉及三维场景中距离的实时测量的方法以及涉及与波前相关的电磁场的复振幅的实时层析X射线照相术测量的方法。

本发明可以知道在场景的表面位置的电磁场的距离和复振幅。

此外，本发明涉及在较大体积范围内实时获取三维场景的视觉信息的照相机，其特征在于使用物镜以及位于物镜的像空间中的小透镜阵列、安置于小透镜焦点处的传感器(收集由小透镜形成的图像)、以及并行计算处理装置，该装置适于计算与照相机所测量的物体体积相关的焦点堆栈，并且适于关于后者计算在所感测的物空间的任一点处的电磁场的复振幅(模和相位)以及辐射面的三维位置。

本发明能够在其中需要知道波前的任何领域或应用中发挥作用，例如地面天文观测、眼科学、全息摄影术等，并且能够在其中需要计量学的任何领域或应用中发挥作用，如实时场景、3D电视、抛光CCD、自动车机械学等。

技术领域

光学。图像处理。

背景技术

本发明涉及两种需要：完成与图像质量至关重要(例如诊断)的任何光学问题相关的波前的复振幅的三维测量的需要，以及在从几微米到几千米的大范围体积中获取足够可靠和精确的深度图的需要，本发明还涉及针对3D电视、3D电影、医疗等三维信息的实时产生。

现有技术

用于如今具有大直径的望远镜(GRANTECAN，Keck，…)和将来的巨型望远镜(直径为50或100米)的自适应光学关注于使用一种被称为多共轭光学的层析X射线照相术来测量大气层相位的三维分布。由于在天空中缺少足够数量的自然点源，因而在望远镜所观察到的物体的视场中总是存在一个自然点源，从而使得不得不使用人造点源：Na星(高度为90km)

为了校正影响来自天空中物体的光束的整个大气层，防止焦距非等晕，必须使用这些人造星中的一些(至少5个)。为了被产生，每个人造星都需要非常高分辨率的高功率的脉冲激光，其转换成昂贵的技术。此外，在花费了如此高成本后，多共轭光学器件只能测量与至多三个水平湍流层相关的大气层相位(使用三个同时测量相位传感器)，也就是说，它扫描影响图像的三维圆柱中的很小一部分。此外，还需利用这种复杂计算恢复相位的估计，该复杂计算使得在大气层稳定期间，在可视范围内(10ms)光束的自适应校正极其复杂。

然而，本发明的背景没有专门地关注于天体物理学领域。在光学或眼科学领域，执行人眼层析X射线照相术的主要兴趣是，根据医学专家获取和具有的病人的视网膜基底的清晰图像，以能够更容易的进行诊断。眼睛中的水状体、玻璃状液、以及晶状体表现得象使视网膜能够获得的图像异常的装置一样。

即使对于这种不需要像地球大气层一样频繁测量(每10ms)的情况，由于它是一种稳定的畸变，因此需要足够的三维分辨率，以不仅获得视网膜基底的好的图像，而且还可以检测可能的眼病变的空间位置。

最后，在例如电视或电影图像等的其它领域，存在有关三维电视的挑战，其中一个至关重要的问题是内容的实时产生，假定技术是如此的复杂和困难，以至于在产生可以在现有3D显示器上显示的3D内容的过程中需要人为干预。在这种情况下，这里所提出的技术在并行计算硬件(GPU和FPGA)上的优化实现可以产生实时的三维内容。

在提及领域的现有技术中已知多种方法，其中小透镜已经被安置在会聚透镜的像平面，产生用于图像参数测量的装置和方法，不过，它们没有使用所谓的组装来进行光学像差的层析X射线照相测量，或获取场景中的距离。

例如，Adelson and Wang(“Single lens stereo with a plenoptic camera(使用全光照相机的单镜头立体视觉)”，IEEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence，Vol.14，No.2，99-106，1992)使用装置结合一种完全不同于本发明的技术来获得距离。