一种基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的方法，首先利用计算机建立三维立体场景，获取立体场景的坐标与信息对应的数据库；设定虚拟微透镜光学参数，使其符合真实微透镜的光学参数，在集成立体成像系统的光学系统中显示；将所有三维场景坐标从局域坐标转到世界坐标；依据虚拟微透镜相机和空间场景的位置，确定视点坐标；将虚拟3D目标根据不同视点转换成2D图像，根据视点坐标生成元素图像。本发明提出采用几何投影、映射技术，通过计算机构成虚拟微透镜阵列元素图像，获取的元素图像具有更宽的视角范围、高分辨率和大景深的特点，克服了基于微透镜阵列获取的元素图像阵列之间的干扰，重构出了清晰的集成立体图像。
【专利说明】一种基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成（立体）成像【技术领域】，尤其涉及一种基于中心投影的集成立体 成像元素图像生成的方法。
【背景技术】
[0002] 集成（立体）成像技术（Integrallmaging，简称II，又译为三维全景成像技术）， 是一种通过微透镜阵列来记录和显示3D空间场景信息的图像技术。集成（立体）成像技 术的突出的特点是（1)空间上再现了真实立体图像，并保留正确的显示比例。不需要任何 观察设备，而且不受观察者可视距离的限制。（2)给观察者提供了连续视点的真实立体图 像，克服了眼睛集中适应性调节冲突问题。（3)它是一种被动显示技术，克服了全息术中需 要辅助光源来显示立体图像的问题。（4)系统组成相对简单。
[0003] 集成（立体）成像技术记录和再现的基本过程：3D物空间场景通过微透镜阵列 (或针孔矩阵）后被记录于相应的胶片上；每个微透镜（或针孔）都从不同的方向记录一 部分空间场景，相应生成的一幅幅小图被称为"元素图像（子图像）"。有多少个微透镜就 有多少个相应的"元素图像"。空间任意一点的视差信息都被这许许多多的"元素图像"分 散记录于整个胶片上或CCD上。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，相应的显示微透镜阵列把许许多多"元素图像（子图像）"透射/反射出来的光线聚集 后可还原出原来的3D空间。
[0004] 目前的集成立体成像的采集系统通常采用光学微透镜阵列获取三维场景的图像， 光学采集系统由于光的衍射作用导致每个元素图像的边界模糊，存在干扰，导致集成立体 图像对比度差、视角小等问题。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例的目的在于提供一种基于中心投影的集成立体成像元素图像生成 的方法，旨在解决目前的集成立体成像的采集系统通常采用光学微透镜阵列获取三维场景 的图像，光学采集系统由于光的衍射作用导致每个元素图像的边界模糊，存在干扰，导致集 成立体图像对比度差、视角小的问题。
[0006] 本发明实施例是这样实现的，一种基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的 方法，该基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一，首先利用计算机建立三维立体场景，获取立体场景的坐标与信息对应的 数据库；
[0008] 步骤二，设定虚拟微透镜光学参数，使其符合真实微透镜的光学参数，在集成立体 成像系统的光学系统中显不；
[0009] 步骤三，将所有三维场景坐标从局域坐标转到世界坐标；
[0010] 步骤四，依据虚拟微透镜相机和空间场景的位置，确定视点坐标；
[0011] 步骤五，将虚拟3D目标根据不同视点转换成2D图像，根据视点坐标生成元素图 像。
[0012] 进一步，该基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的方法的具体步骤为：
[0013] 步骤一，首先利用计算机建立三维立体场景，获取立体场景的坐标与信息对应的 数据库，如已有三维场景的数据库直接建立三维场景立体像素与坐标对应的数据库；
[0014] 步骤二，设定虚拟微透镜光学参数，符合真实微透镜的光学参数，在集成立体成像 系统的光学系统中显示，微透镜的点阵数为50X50,透镜的焦距为3. 5mm，微透镜间距为 1mm的光学参数情况下，系统设定虚拟微透镜阵列数为50X 50,透镜的分辨率150X 150 ;
[0015] 步骤三，将所有三维场景坐标从局域坐标转到世界坐标；
[0016] 步骤四，依据虚拟微透镜相机和空间场景的位置，确定视点坐标，依据参数设定， 虚拟微透镜的视点坐标Ζ_(虚拟相机坐标）共有50X50, Z_的第1行第1列的坐标为 (75, 75, Z)(点阵图的左上角），第1行第2列坐标为（75, 225, Z)，依次类推至第1行第50 列坐标为（75,49 X 150+75, Z)，同样第2行第1列坐标为（225, 75, Z)，依次类推至第50行 第1列坐标为（49 X 150+75, 75, Z)，这样共有2500个视点；
[0017] 步骤五，将虚拟3D目标依据不同视点转换成2D图像，根据视点坐标生成元素图 像，当一个微透镜的参数设定好之后，在这一步中，设定视角的值和构成集成图像元素图像 的长和宽，根据每个不同的视点获得相应的2D中心投影图构成元素图像，视点的数量与元 素图像阵列数相同；
[0018] 视点转换矩阵如下：
[0019]
【权利要求】
1. 一种基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的方法，其特征在于，该基于中心 投影的集成立体成像元素图像生成的方法包括以下步骤： 步骤一，首先利用计算机建立三维立体场景，获取立体场景的坐标与信息对应的数据 库； 步骤二，设定虚拟微透镜光学参数，使符合真实微透镜的光学参数，在集成立体成像系 统的光学系统中显示； 步骤三，将所有三维场景坐标从局域坐标转到世界坐标； 步骤四，依据虚拟微透镜相机和空间场景的位置，确定视点坐标； 步骤五，将虚拟3D目标根据不同视点转换成2D图像，根据视点坐标生成元素图像。
2. 如权利要求1所述的基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的方法，其特征在 于，该基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的方法的具体步骤为： 步骤一，首先利用计算机建立三维立体场景，获取立体场景的坐标与信息对应的数据 库，如已有三维场景的数据库直接建立三维场景立体像素与坐标对应的数据库； 步骤二，设定虚拟微透镜光学参数，符合真实微透镜的光学参数，在集成立体成像系统 的光学系统中显示，微透镜的点阵数为50X50,透镜的焦距为f = 3. 5mm，微透镜间距为p =1mm的光学参数情况下，系统设定虚拟微透镜阵列数为mXn = 50X50,透镜的分辨率 MXN = 150X150 ； 步骤三，将所有三维场景坐标从局域坐标转到世界坐标； 步骤四，依据虚拟微透镜相机和空间场景的位置，确定视点坐标，依据参数设定，虚拟 微透镜的视点坐标Zeam (虚拟相机坐标）共有50 X 50, Ζ_的第1行第1列的坐标为（75, 75， Ζ)，第1行第2列坐标为（75, 225, Ζ)，依次类推至第1行第50列坐标为（75,49 X 150+75， Ζ)，同样第2行第1列坐标为（225, 75, Ζ)，依次类推至第50行第1列坐标为（49 X 150+75， 75, Ζ)，这样共有2500个视点； 步骤五，将虚拟3D目标依据不同视点转换成2D图像，根据视点坐标生成元素图像，当 一个微透镜的参数设定好之后，在这一步中，设定视角的值和构成集成图像元素图像的长 和宽，根据每个不同的视点获得相应的2D中心投影图构成元素图像，视点的数量与元素图 像阵列数相同； 视点转换矩阵如下：
上式中（X，y，ζ)为三维场景坐标信息，（X'，Υ'，Ζ'）为虚拟微透镜投影面坐标，即可完 成虚拟微透镜EI图像的获取，式中（X，Y)为视点起始点坐标（左上角），WwidthandHheightS 元素图像的长和宽，本系统设定元素图像的分辨率为150X1504PWwidth，150, Hheight = 150， 式中MinZ为3D场景与投影面最近的距离，本例中MinZ = 16, MaxZ为3D场景与投影面最 远的距离，此数据随3D场景的深度变化而变化，根据上式，可建立出每个元素图像；由于元 素图像的分辨率为150X150 (MXN)，式中（X，Y)为视点起始点坐标为（75, 75)，此外虚拟 微透镜的点阵数为50X50,因此共有2500个视点元素图像，依据步骤四可推出每个视点的 (X，Y)坐标值。
3.如权利要求1所述的基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的方法，其特征在 于，该基于中心投影的集成立体成像元素图像生成的方法包括： 步骤一，通过计算机生成三维场景信息； 步骤二，设定虚拟的微透镜光学参数； 步骤三，将三维场景信息从局域坐标转到世界坐标； 把物体上移动变量用矢量Δρ表示： ρ' =ρ+Δρ (1) 在此，为转换之后的点，Ρ为原点，Δρ为移动矢量；依据坐标关系，p(x，y)和 P' (V，/ )之间存在以下关系：
(2) 等式（2)中，ΛΧ和Ay为沿着X和y方向的移动变量； 根据齐次坐标，一个点成为一个列向量，单位为1，对三维坐标系统，写成以下齐次坐标 矩阵形式：
(3) 等式⑶中，Δχ、Ay、Δζ为移动矢量Δρ(Δχ，Ay，Δζ)的坐标变量； 尺度变换是对场景的放大或缩小，也就是目标旋转或缩放功能，依据尺度变换定义，对 3D系统，齐次坐标表示如下：
(4) 在此，Λχ，Ay，ΛΖ代表Χ，Υ，Ζ方向的尺度系数； ON为经过坐标原点的任意一个轴；Ρ点沿着ON轴任意旋转角度Ω，这时Ρ点移动到Ρ1 点，依据旋转角度和轴向及P点的坐标，pl点的坐标如下：
(5) 公式中aya33为旋转矩阵系数； 对于任意一个向量Q = qli+q2j+q3k，单位向量被如下定义：
其中
为向量幅度，i，j，k为单位向量，因此； (6) (7) 旋转矩阵： 步骤四，依据虚拟微透镜相机和空间场景的位置，确定视点坐标； Ζ_为虚拟相机坐标，Zsurf为投射面位置，（X，Y，Z)和（X'Y'Z'）分别为随意平面和投 影坐标面，根据三角形的相似性（ΛΡΟΖ_，AP'ZsurfZeam)，得如下等式：
(B) Ζ_为虚拟相机坐标，Zsurf为投射面位置，（X，Y，Z)和（X'Y'Z'）分别为随意平面和投 影坐标面；考虑到Ζ坐标轴，最终等式为：
(9) 按矩阵方式写的时候，上式变为：
(10) 步骤五，将虚拟3D目标进行转换成2D的变换，在这一步中，设定视角的值和构成集成 图像元素图像的长和宽；当一个微透镜的参数设定好之后，根据每个不同的视点可以获得 相应的2D中心投影图构成元素图像；视点的数量与元素图像阵列数相同，根据等式（10)， 视点转换矩阵如下： 依据上式即可完成虚拟微透镜ΕΙ图像的获取。 (11)
【文档编号】G06T3/00GK104063843SQ201410272990
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】朴燕, 伊戈尔, 王宇 申请人:长春理工大学