[发明专利]近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统

说明书

本发明公开了一种近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，其特征在于，包括近红外光斑投影装置(100)、光场成像组件(200)；其中，所述近红外光斑投影装置(100)，用于在观测目标上散布近红外光斑，增加目标图像的纹理信息；所述光场成像组件(200)，用于对附加了纹理信息的目标场景光线进行成像。本发明能够提高目标景深探测范围的新型遥感光场成像、特别是能够实现弱纹理目标的表面重构。

技术领域

本发明涉及一种近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列遥感光场成像系统，能够提高目标景深探测范围的新型遥感光场成像手段、特别是能够实现遥感弱纹理目标的表面重构，主要设计提出了一种近红外光斑投影的多焦距微透镜阵列的光场相机结构，可以有效地提升相机的观测景深范围。其次借助于近红外光斑的投影装置，在被测物体表面投影人眼安全的近红外波段纹理图案，可以在被探测目标表面缺乏纹理信息时增加纹理信息，提高对弱纹理探测目标三维重建的精度。

背景技术

在遥感与摄影测量领域，对目标三维重建的传统方法是基于单个成像设备对目标进行多角度拍摄，在获取的多角度图像上进行目标表面重构。多视角拍摄则意味着相机获取的数据量越大、数据信息越多，同时导致三维重建的耗时越久，效率更低。目前利用普通相机拍摄出的单张影像信息并不能提供完善且真实的三维信息，仍然不能满足当前工程化的应用要求，而光场相机不同于传统相机，它能够在同一个曝光周期内采样得到同一物点向空间反射或发射的多条光线，再通过这些光线信息构建出场景的三维模型。在内部结构上光场相机在主镜头与感光传感器之间置有数万小透镜的微透镜阵列，这一微透镜阵列可以接受来自主透镜的光线并成像于感光器件上，可以更快地实现三维重建。

现有遥感与摄影测量领域中，三维重建通常采用多视几何的手段，将相机看成小孔成像模型，获取同一物点的光线信息进行几何位置结构计算从而恢复物理世界的三维场景。即通过多个视角相机对物体的拍摄，借助多张包含二维信息的影像构建出原始三维信息，但是能够成功进行三维重建的前提则是必须保证二维信息的有效匹配，此外相机的相对位置姿态需要事先进行标定，而且使用单目相机进行多次观测来进行模拟多目相机则不能够有效地对运动目标进行三维重建。微透镜阵列光场相机则可以有效避免上述的情况，作为一种特殊结构的光学相机，通过微透镜对光线的重复采样，光场相机能够在同一个曝光周期内采样得到同一物点向空间反射或发射的多条光线，这些光线信息即组成物体的光场信息，借助光场信息实现单相机单影像的三维信息重建。

国外在2002年，阵列型光场相机的硬件原型是由MIT视觉实验室首次提出，使用64个相机构建出8*8的相机阵列，但是阵列型光场相机的体积过于庞大，不够便携。而在2011年，世界上第一台便携式微透镜光场相机LYTRO的原型则是由Ren Ng和Marc Levoy等人基于微透镜阵列的成像原理开发。

但是目前来看，传统的光场成像手段对于目标观测的景深范围仍然十分有限，同时在三维深度重建的过程中，纹理信息的缺乏一直是三维重建效果差的一个重要因素。而本发明通过借助于近红外的光斑投影装置，能够在自然条件下增加弱纹理目标的纹理信息，从而能够更好地重建出弱纹理目标的面型三维信息，同时能够保留物体的真实彩色。而另一方面借助于多焦距微透镜阵列，可以有效地拓展光场相机的观测景深范围。因而本发明可以广泛用于遥感三维成像领域，通过多焦距微透镜阵列对弱纹理目标光场信息的采样，实现单相机单影像的三维信息重建，在目标纹理信息较弱的情况下，更为准确地提取观测目标的三维信息和颜色信息。

单相机三维成像是未来遥感立体成像的最根本目标，光场成像方法可以实现立体成像的目标。但首先是其物理装置的实现，利用精密光场成像来实现遥感与摄影测量领域内弱纹理无纹理对象的精确三维重建，解决常规遥感摄影测量方法无法有效重建少纹理目标的难题。如今遥感与摄影测量领域的平台已经不再局限于卫星和高空载人飞机。随着轻小型无人机的发展，依靠小型无人机在贴近测量目标仅数米的距离内拍摄，对峡谷、建筑等的垂直面进行三维重建时有很大优势。本发明涉及的光场成像系统具有轻小型的特点，因此非常适合搭载于小型无人机上进行目标的三维重建与深度测量。

发明内容