[发明专利]光场相机外参数标定装置及方法

权利要求书

1.一种光场相机外参数标定装置，包括一张颜色编码板和一个角度旋转台，其特征在于：将颜色编码板放置于光场相机主透镜前方2m以内，并将颜色编码板固定在角度旋转台上；所述的颜色编码板由颜色编码纸和微透镜阵列组成；颜色编码纸上打印至少2*3个标定圆，标定圆颜色在水平和竖直两个方向上分别取红绿蓝通道的两种，标定圆上的打印点沿水平和竖直方向在0-255范围内均匀采样，相邻标定圆在同一方向上所取的颜色通道相异；微透镜阵列放置于颜色编码纸靠近光场相机方向一侧，使颜色编码纸上每个标定圆位于一个微透镜正后方，且标定圆直径小于微透镜直径。

2.根据权利要求1所述的光场相机外参数标定装置，其特征在于：所述标定圆内相邻打印点的最小间距其中，f'表示颜色编码纸和颜色编码板上微透镜光心的距离，d表示光场相机内微透镜直径，F表示光场相机的主透镜焦距，M表示角度采样数，即空间中同一物点在图像传感器上被记录的次数，k＝min(α)，设一个微透镜后方成像半径为r，微透镜单元中心到相邻微透镜的空隙中心的距离为a，则比例因子α满足α·r≥a。

3.根据权利要求1所述的光场相机外参数标定装置，其特征在于：所述颜色编码纸和颜色编码板上微透镜光心的距离f'与传感器上单个圆斑对应的打印点数目n_p的关系如下：

其中，y₀表示打印点在Y轴上的坐标，Q₁、Q₃为颜色编码纸上单个标定圆内的两个打印点，Q₁发出的光线穿过主透镜下边缘，Q₃发出的光线穿过主透镜上边缘，d_r表示颜色编码板上微透镜直径，T_d表示颜色编码板中微透镜阵列透镜光心所在平面和光场相机主透镜光心的距离，D表示光场相机主透镜通光孔径的直径，α₀表示颜色编码板上微透镜中心和光场相机主透镜中心的连线与相机光轴的夹角，α₁、α₃分别表示Q₁、Q₃透过其前方微透镜发出的光线和相机光轴的夹角；δ表示标定圆内相邻打印点的最小间距。

4.根据权利要求3所述的光场相机外参数标定装置，其特征在于：所述单个圆斑对应打印点个数在横向和纵向上均不大于10。

5.根据权利要求1所述的光场相机外参数标定装置，其特征在于：所述颜色编码板上标定圆的最小中心距其中，g表示光场相机内部传感器和微透镜阵列中微透镜光心所在平面间距，z表示光场相机内微透镜阵列中微透镜光心所在平面和虚拟平面间距，F表示虚拟平面和主透镜所在平面间距，D表示光场相机主透镜通光孔径直径，上方标定圆发出的上边缘光线和与上方标定圆相邻的下标定圆发出的下边缘光线交于一点，T_d表示颜色编码板中微透镜阵列透镜光心所在平面和光场相机主透镜光心的距离；所述虚拟平面是指在光场相机内部距离主透镜一个焦距且垂直于光轴的平面。

6.一种利用权利要求1所述装置的光场相机外参数标定方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，将颜色编码板放置于角度旋转台，在每个旋转角度上记录对应打印点所发出的光线信息，旋转多个角度记录所有打印点发出的光线；角度旋转台步进小于等于颜色编码纸上单个打印点可被分辨的角度其中，FoV为微透镜视场角，d'为标定圆直径，f'表示颜色编码纸和颜色编码板上微透镜光心的距离，n_r为标定圆直径范围内可打印点数；

步骤2，以颜色编码板所在坐标系为XYZ，其中微透镜阵列所在平面为XOY，原点O位于微透镜阵列平面面向光场相机拍摄场景一侧，纵向为X轴，横向为Y轴，颜色编码板所在平面的法向量为Z轴；拍摄颜色编码板，记录标定圆发出光线的角度，包括以下步骤：

(1)放置颜色编码板使其初始位置所在平面垂直于相机光轴；

(2)利用步进电机使颜色编码板的XOY面绕X轴正向和负向各旋转固定步进，旋转多次以后使标定圆上所有打印点透过微透镜发出的光线被记录；

(3)根据颜色编码板相对其初始位置的旋转角度ξ∈(-90°,90°)，得到标定板法向量和相机光轴的夹角η＝ξ；

(4)提取传感器上圆斑中心，根据内参解码，计算其所在微透镜中心坐标，通过光线传播和折射矩阵，计算光场相机主透镜外部光线在YOZ面上的投影和相机光轴的夹角β，

其中A为折射矩阵，T_t为传播矩阵，F为主透镜焦距，g表示光场相机内部传感器和微透镜阵列中微透镜光心所在平面间距，z表示光场相机内微透镜阵列中微透镜光心所在平面和虚拟平面间距，P₀为CCD上圆斑中心坐标，P₁表示圆斑所在微透镜中心坐标，P₂表示解码出的光线与主透镜平面交点的坐标；所述虚拟平面是指在光场相机内部距离主透镜一个焦距且垂直于光轴的平面；

(5)计算光线在YOZ面的投影与Z轴的夹角γ＝η+β；

(6)将颜色编码板绕Z轴旋转90°，重复步骤(2)～(5)，计算光线在XOZ面的投影和Z轴的夹角；

步骤3，在每一步拍摄的图像中，将每个标定圆在传感器上成像圆斑的颜色拟合为一个颜色值，作为标定圆上不同打印点发出光线的颜色信息；将颜色编码板上各个方向发出光线的颜色和角度对应关系作为光线的先验信息；

步骤4，拍摄带有颜色编码板的场景，根据传感器上圆斑颜色拟合的颜色值，查找先验信息中其匹配的光线在XOZ面和YOZ面上投影与Z轴的夹角，结合圆斑对应标定圆前方微透镜中心的坐标，建立XYZ坐标系下的出射光线方程；

步骤5，建立入射光线方程，计算传感器记录图像上圆斑中心的位置，结合内参查找其所在微透镜中心坐标，根据两点坐标获得光线双平面坐标，通过传播、折射矩阵，计算光线在主透镜外双平面uvst的方程，并将其转换到相机所在的X₁Y₁Z₁坐标系下；

步骤6，根据出射光线方程和入射光线方程匹配对建立方程；

以光场相机所在坐标系为X₁Y₁Z₁，其中传感器所在平面为X₁O₁Y₁，原点O₁位于传感器平面左上角，即面向光场相机拍摄场景观察，纵向为X₁轴，横向为Y₁轴，光轴方向为Z₁；假设坐标系X₁Y₁Z₁和坐标系XYZ的X轴夹角为ω，Y轴夹角为Z轴夹角为κ，XYZ坐标系原点变换到X₁Y₁Z₁坐标系原点的位移为(T_x,T_y,T_z)，则两个坐标系之间的旋转矩阵

平移矩阵

在XYZ坐标系上任意一条直线表示为l(x,y,z,r_x,r_y,r_z)，(x,y,z)表示l上任意一点在XYZ下的坐标，[r_x,r_y,r_z]^T表示l的方向向量；直线l转换到X₁Y₁Z₁坐标系下的坐标表示为l₁(x',y',z',r_x',r_y',r_z')，(x',y',z')表示点(x,y,z)在X₁Y₁Z₁下的坐标，[r_x',r_y',r_z']^T表示l在X₁Y₁Z₁下的方向向量；l上有两点A₀(x_a,y_a,z_a)和B₀(x_b,y_b,z_b)，l₁上有两点A₁(x_a',y_a',z_a')和B₁(x_b',y_b',z_b')，则有

l₁的直线方程为

l₀和l₁的方向向量分别为

则直线方向向量之间的变换关系[r_x',r_y',r_z']^T＝R^-1[r_x,r_y,r_z]^T；

求出l₀上一点(x,y,z)转换到l₁上(x',y',z')的公式

[x',y',z']^T＝λR^-1[r_x,r_y,r_z]^T+R^-1([x,y,z]^T-T)；

则XYZ坐标系上直线和X₁Y₁Z₁上直线的转换关系为

步骤7，求解方程组，从而求取旋转、平移6维参数ω、κ、T_x、T_y、T_z，以及双平面uvst原点和直角坐标系X₁O₁Y₁原点相对位移的2维参数。