[发明专利]一种基于集成图像技术的场景深度获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于集成图像技术的场景深度获取方法，属于光学领域的视觉测量技术分支。

背景技术

三维空间场景深度信息的获取在工业测量、安全监控、模式识别及三维显示等方面有着广泛的应用。非接触式场景深度信息的获取可分为被动测距传感器和主动测距传感器两大类。主动测距传感器是指视觉系统主动向场景发射能量，通过接受场景的反射能量计算深度信息。像超声测距、雷达成像、结构光源、Moire技术、全息干涉测量法等都属于主动测距法。主动测距技术总体上具有测量精度高、抗干扰性能强和实时性好的优点，但由于需要特殊光源及控制的环境，应用范围受到限制。被动测距法只不需要利用特殊光源，在自然光照下就能够完成深度信息的获取的方法，因而也有着广泛的应用。

双目立体视觉技术是被动测距方法中最常见的一种。其基本原理与人眼测距原理类似。系统中两摄像头的光轴平行，图1，Z_I和Z_r分别表示左右摄像机的光轴，f代表相机焦距，b是左右两图像坐标系原点间的距离，称为基线。D为目标物点P到成像平面的距离，P_I和P_r分别为目标物点P在左右两图像中的成像点，对应x方向取值分别为x_l,x_r，x_r-x_l为该点在左右两幅图间的视差，用d表示，则由三角关系可知

D=bfd]]>    公式1）

其中，b和f需要通过摄像机标定得到，视差可以通过立体匹配方法得到。因此，在已知摄像机的参数的情况下，通过计算目标物点在左、右两幅图像上的视差，就可以确定出该目标物点距相机平面的距离，从而实现对目标距离的测量。

公式1）是在两摄像头的光轴平行，且两台摄像机的焦距都一致的情况下得出的。在两摄像头的光轴不平行或两台摄像机的焦距不一致的情况需要根据摄像机的参数对左右两幅视图进行空间几何变换。所以在具体应用时，一般需要知道两台摄像机的参数并对左右两组图像进行相应的标定，给使用带来麻烦。在完成摄像机标定的基础上，双目立体视觉中获取的深度信息的准确性和基线的长度以及由立体匹配获取的视差的准确度和可靠性有关。其量化误差测量精度随着基线的增加和物体深度的增加而下降。

集成成像技术(Integral Imaging)源于Lippmann 1908的工作。该技术采用一张由微透镜阵列组成的薄片来记录三维物体空间场景；由于每个微透镜都从不同的方向记录一部分物体空间，空间任意一点的视差信息都被这许许多多的元素图像扩散记录于整个记录胶片。当将记录胶片放在一张具有同样参数的微透镜阵列薄片后时，可再现原来的三维场景。

受到理论研究和光电制造工艺的限制，早期的集成成像技术并没有受到重视。1994年，英国的Davies和McCormick等人设计了一种由两极光学传输网络的构成的集成成像成像系统[Optical Engineering,33(11):“Design and analysis of an image transfer system using microlens arrays”]。该系统克服了Lippmann提出的集成成像技术存在的再现的三维场景相对于原来的场景存在空间上深度的反转、元素图像之间的窜扰等问题。1998年，日本NHK广播公司的Arai和Okano等人进一步使用渐变型多模光纤阵列来代替传输透镜阵列，并成功地实现了三维彩色图像的实时显示，验证了由集成成像实现三维电视的可能性。[“Gradient-index lens-array method based on real-time integral photography for three-dimensional images”,Appl.Opt37(11)]。此后，集成成像技术在三维显示技术领域引起关注。