基于相机阵列的元素图像阵列快速获取方法和装置

摘要

一种基于相机阵列的元素图像快速获取方法和装置，主要解决元素图像阵列获取问题，为实现各种场景三维信息获取和应用，以及裸眼三维显示提供了一种简便的元素图像阵列获取手段。目前集成成像光学获取过程一般采用透镜阵列或相机阵列获取元素图像阵列。传统的光学获取手段需要获取匹配透镜阵列个数的大量元素图像组成元素图像阵列，存在获取速度慢，设备复杂，造价昂贵的缺点，无法大规模推广应用。本发明装置包括矩形排列的2×2相机阵列和电子计算机，本发明从集成成像获取的元素图像阵列中元素图像间的相关性出发，利用4个相机组成的相机阵列实现了元素图像阵列的快速获取，降低了获取装置的复杂度和成本。

说明书

技术领域

本发明属于三维成像与显示技术领域，主要提出了一种基于相机阵列的元素图像快速 获取方法和装置。主要解决的是元素图像阵列的获取问题，为实现各种场景三维信息获取 和应用，以及裸眼三维显示提供了一种简便的元素图像阵列的获取手段。

背景技术

裸眼三维显示技术在还原真实显示方面有着很重要的作用。集成成像三维显示技术作 为一种裸眼三维显示技术，具有连续视点，无视觉疲劳，无需辅助器件的优点。基于集成 成像的裸眼三维显示技术需要元素图像阵列才能显示裸眼三维信息。元素图像阵列的获取 一般可以通过计算集成成像获取，也可以由光学手段获取。光学获取中一般采用的是透镜 阵列获取或者相机阵列获取。传统的光学元素图像阵列获取手段需要获取大量的元素图像 组成图像阵列，这样使得传统的光学获取手段存在获取速度慢，设备复杂，造价昂贵的缺 点，无法大规模的推广应用。

发明内容

本发明的目的是解决裸眼三维显示技术中元素图像阵列的获取问题，提供一种基于相 机阵列的元素图像快速获取方法和装置。

本发明从集成成像获取的元素图像阵列中元素图像间的相关性出发，利用4个相机组 成的相机阵列实现了元素图像阵列的快速获取。该方法通过四个矩形排列的相机来获取4 个元素图像，通过计算得到可供应用的元素图像阵列，从而实现了元素图像阵列的快速获 取，具有系统构造简单，造价低廉，获取速度快的优点。

本发明提供的基于相机阵列的元素图像快速获取方法是：根据集成成像原理获取的元 素图像阵列中元素图像间的相关性；利用矩形相机阵列获取四幅元素图像，通过分析四幅 元素图像中对应同名像点的信息，来计算得到可供应用的元素图像阵列。该方法的具体步 骤是：

第一、利用矩形排列的相机阵列来获取三维物体的信息：

相机阵列由位于同一垂直平面内的四个相机C₁，C₂，C₃，C₄组成，排列方式为矩形 排列，水平间距L_x，竖直间距L_y，如图1所示，相机阵列的视场角(θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄)和相 机间距(L_x，L_y)以及三维物体到相机阵列所在平面的间距L需要满足如下条件：相机阵列 中每个相机都能够完整的获取到三维物体的信息，即物体应该放在相机阵列中4个相机各 自视场重叠范围内，如图2所示，四个相机一共可以获取4个元素图像I₁，I₂，I₃，I₄，其 中每个元素图像的像素数为：I_x×I_y。然后利用图像识别技术分析相机阵列记录得到的元素 图像的同名像点的信息。取同名像点中一点Q，可以在4个元素图像I₁，I₂，I₃，I₄中得到 Q点的4个同名像点的坐标，分别用Q_1(x，y)，Q_2(x，y)，Q_3(x，y)，Q_4(x，y)来表示。逐点分析4个 元素图像中所有的同名像点的信息，可以得到同名像点的集合：∑Q，

$Q_{k(x,y)}=\left(\begin{array}{c}{x}_{Q_k}=x_{I_k}-I_x/2\\ y_{Q_k}=y_{I_k}-I_y/2\end{array}\right)$

其中(x_Ik，y_Ik)指的是Q点在从相机阵列直接获取的元素图像上的位置，(x_Qk，y_Qk)是以获 取到的元素图像中心为原点的坐标系下的相对坐标，k∈(1，4)，I_x、I_y分别是相机阵列获取 到的元素图像的横向分辨率和纵向分辨率。

第二：获取集成成像元素图像阵列的相关参数：

元素图像阵列如图3所示，其中需要确定如下的参数：

元素图像阵列的个数：M×N，由集成成像再现系统所采用的透镜阵列参数决定，其中 M为横轴方向元素图像阵列的个数，N为纵轴方向元素图像阵列的个数。

元素图像阵列中元素图像的分辨率：P_x×P_y，由集成成像再现系统所采用的显示器件的 参数决定。P_x是元素图像的横向分辨率。P_y是元素图像的纵向分辨率。

第三、利用4个元素图像I₁，I₂，I₃，I₄计算得到元素图像阵列中所有的元素图像阵列：

从第一步中可以得到4个图像对应的所有同名像点的集合：∑Q。取其中一点Q可以 得到4个元素图像上对应的坐标：Q_1(x，y)，Q_2(x，y)，Q_3(x，y)，Q_4(x，y)。待生成的元素图像阵列的 参数：M×N个元素图像以及每个元素图像均为P_x×P_y大小。则可以得到Q点在M×N个元 素图像的同名像点的位置。其中第(i，j)个元素图像的同名像点的信息Q_(i，j)可以由如下公式 计算得到：

$Q_{(i,j)}=\left(\begin{array}{c}{x}_{Q_{(i,j)}}=x_{Q_1}+(i-1)\times \frac{(x_{Q_3}-x_{Q_1})+(x_{Q_4}-x_{Q_2})}{2\times (M-1)}\\ y_{Q_{(i,j)}}=y_{Q_1}+(j-1)\times \frac{(y_{Q_2}-y_{Q_1})+(y_{Q_4}-y_{Q_3})}{2\times (N-1)}\end{array}\right)$

其中(x_Q(i，j)，y_Q(i，j))，(x_Q1，y_Q1)、(x_Q2，y_Q2)、(x_Q3，y_Q3)和(x_Q4，y_Q4)分别是由第一步中相机阵列 获取到的元素图像I₁，I₂，I₃，I₄中同名像点Q对应的坐标，其中i∈(1，M)，j∈(1，N)。

对整个同名像点合集∑Q进行逐点运算即可得到第I_(i，j)个元素图像的同名像点的信息。 然后再进行计算得到的Q_(i，j)进行判别，判别其是否落在第I_(i，j)个元素图像的视场中。判别 公式如下所示：

$\{Q_{(i,j)}\in I_{(i,j)},\left(\begin{array}{c}\mathrm{Round}\left(\right|x_{Q_{(i,j)}}\left|\right)<\frac{P_x}{2}\\ \mathrm{Round}\left(\right|y_{Q_{(i,j)}}\left|\right)<\frac{P_y}{2}\end{array}\right)$

其中Round(x)表示的是取整。在经过判别后即可得到I_(i，j)的元素图像。逐个重建元素图像 I_(i，j)即可得到可供应用的元素图像阵列。

本发明同时提供了一种相机元素图像阵列的获取装置，该装置包括：

相机阵列：其用途是获取三维物体的元素图像，排列方式为矩形排列的2×2相机阵列， 水平间距L_x，竖直间距L_y，相机阵列的视场角(θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄)和相机间距(L_x，L_y)以及三 维物体到相机阵列所在平面的间距L需要满足如下条件：相机阵列中每个相机都能够完整 的获取到三维物体的信息，即物体应该放在相机阵列中4个相机各自视场重叠范围内；

电子计算机：用于根据相机阵列获取得到的元素图像计算生成元素图像阵列。

本发明的优点和积极效果：

本发明是从集成成像获取的元素图像阵列中元素图像的相关性出发，深入分析获得了 元素图像阵列中各元素图像中同名像点的位置关联特性。并根据此特性提出了一种基于相 机阵列的元素图像阵列快速获取方法和装置。该方法可以快速简便的获取可供应用的元素 图像阵列。相比与传统的相机阵列获取手段，该方法将原本所需的M×N相机阵列简化成 了4个相机组成的矩形阵列，大幅度的降低了获取装置的复杂度和成本。

本发明具有结构简单，成本低廉的优点。

本发明中的元素图像阵列的获取手段，适用于透镜阵列/针孔阵列等阵列型光学仪器的 场景三维信息获取方法和系统，以及由此组成的集成成像裸眼三维显示系统。

附图说明

图1相机阵列的排列示意图；

图2相机阵列和所拍摄物体间关系示意图；

图3元素图像阵列示意图；

图4是实施例1中相机阵列采集到的元素图像；

图5是实施例1中计算得到元素图像阵列；

图6是实施例2中相机阵列采集到的元素图像；

图7是实施例2中计算得到元素图像阵列；

图中，1-相机、2-三维物体、3-相机阵列采集到的元素图像、4-计算得到的M×N的 元素图像阵列。

具体实施方式

本发明提供的基于相机阵列的元素图像快速获取方法是：根据集成成像获取的元素图 像阵列中元素图像间的相关性；利用矩形相机阵列获取四幅元素图像，通过分析四幅元素 图像中对应同名像点的信息，来计算得到可供应用的元素图像阵列。该方法的具体步骤是：

第一、利用矩形排列的相机阵列来获取三维物体的信息：

相机阵列由位于同一垂直平面内的四个相机C₁，C₂，C₃，C₄组成，排列方式为矩形 排列，水平间距L_x，竖直间距L_y，如图1所示，相机阵列的视场角(θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄)和相 机间距(L_x，L_y)以及三维物体到相机阵列所在平面的间距L需要满足如下条件：相机阵列 中每个相机都能够完整的获取到三维物体的信息，即物体应该放在相机阵列中4个相机各 自视场重叠范围内，如图2所示，四个相机一共可以获取4个元素图像I₁，I₂，I₃，I₄，其 中每个元素图像的像素数为：I_x×I_y，然后利用图像识别技术分析相机阵列记录得到的元素 图像的同名像点的信息。取同名像点中一点Q，可以在4个元素图像I₁，I₂，I₃，I₄中得到 Q点的4个同名像点的坐标。分别用Q_1(x，y)，Q_2(x，y)，Q_3(x，y)，Q_4(x，y)来表示，逐点分析4个 元素图像中所有的同名像点的信息，可以得到同名像点的集合：∑Q。

$Q_{k(x,y)}=\left(\begin{array}{c}{x}_{Q_k}=x_{I_k}-I_x/2\\ y_{Q_k}=y_{I_k}-I_y/2\end{array}\right)$

其中(x_Ik，y_Ik)指的是Q点在从相机阵列直接获取的元素图像上的位置，(x_Qk，y_Qk)是以获 取到的元素图像中心为原点的坐标系下的相对坐标，k∈(1，4)，I_x，I_y是相机阵列获取到的 元素图像的分辨率。

第二：根据显示所用的透镜阵列或者针孔阵列，获取集成成像裸眼三维显示所需的元 素图像阵列的相关参数，

元素图像阵列如图3所示，其中需要确定如下的参数：

元素图像阵列的个数：M×N，由集成成像再现系统所采用的透镜阵列参数决定，其中 M为横轴方向元素图像阵列的个数，N为纵轴方向元素图像阵列的个数。

元素图像阵列中元素图像的分辨率：P_x×P_y，由集成成像再现系统所采用的显示器件的 参数决定。P_x是元素图像的横向分辨率。P_y是元素图像的纵向分辨率。

第三、利用4个元素图像计算得到元素图像阵列中所有的元素图像阵列：

从第一步中可以得到4个图像对应的所有同名像点的集合：∑Q。取其中一点Q可以 得到4个元素图像上对应的坐标：Q_1(x，y)，Q_2(x，y)，Q_3(x，y)，Q_4(x，y)。待生成的元素图像阵列的 参数：M×N个元素图像以及每个元素图像均为P_x×P_y大小。则可以得到Q点在M×N个元 素图像的同名像点的位置。其中第(i，j)个元素图像的同名像点的信息Q_(i，j)可以由如下公式 计算得到：

$Q_{(i,j)}=\left(\begin{array}{c}{x}_{Q_{(i,j)}}=x_{Q_1}+(i-1)\times \frac{(x_{Q_3}-x_{Q_1})+(x_{Q_4}-x_{Q_2})}{2\times (M-1)}\\ y_{Q_{(i,j)}}=y_{Q_1}+(j-1)\times \frac{(y_{Q_2}-y_{Q_1})+(y_{Q_4}-y_{Q_3})}{2\times (N-1)}\end{array}\right)$

其中(x_Q(i，j)，y_Q(i，j))，(x_Q1，y_Q1)、(x_Q2，y_Q2)、(x_Q3，y_Q3)和(x_Q4，y_Q4)分别是由第一步中相机阵列 获取到的元素图像I₁，I₂，I₃，I₄中同名像点Q对应的坐标，其中i∈(1，M)，j∈(1，N)。

对整个同名像点合集∑Q进行逐点运算即可得到第I_(i，j)个元素图像的同名像点的信息。 然后再进行计算得到的Q_(i，j)进行判别，判别其是否落在第I_(i，j)个元素图像的视场中。判别 公式如下所示：

$\{Q_{(i,j)}\in I_{(i,j)},\left(\begin{array}{c}\mathrm{Round}\left(\right|x_{Q_{(i,j)}}\left|\right)<\frac{P_x}{2}\\ \mathrm{Round}\left(\right|y_{Q_{(i,j)}}\left|\right)<\frac{P_y}{2}\end{array}\right)$

其中Round(x)表示的是取整。在经过判别后即可得到I_(i，j)的元素图像。

逐个重建元素图像I_(i，j)即可得到可供集成成像实现裸眼三维显示的元素图像阵列。从 而实现了基于相机阵列的可供应用的元素图像阵列快速光学获取。有必要指出的是，以下 实施例只用于本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术人 员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非实质性的改进和调整，仍属于本发明的保护 范围。

实施例1：

利用相机阵列获取集成成像裸眼三维显示所需的元素图像阵列的方法，相机阵列和元 素图像阵列的参数如下：

相机阵列中相机焦距：35毫米

视场角θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄：30度

相机获取的元素图像的分辨率I_x×I_y：640×480

相机阵列中相机间隔L_x：100毫米

相机阵列中相机间隔L_y：100毫米

相机阵列到三维物体间距L：300毫米

元素图像阵列个数M×N：10×10

元素图像分辨率P_x×P_y：200×200

采用本发明利用相机阵列获取集成成像元素图像阵列的步骤如下：

第一步，利用相机阵列来获取元素图像

相机阵列获取到的元素图像如图4所示。

第二步，利用图像识别技术，对相机阵列获取的元素图像进行同名像点的识别。来获 取同名像点的集合∑Q，取其中一同名像点以做示范，同名像点Q的坐标如下所示：

$\left(\begin{array}{c}{Q}_{I_1}:(-54,-54)\\ Q_{I_2}:(-\mathrm{54,54})\\ Q_{I_3}:(54,-54)\\ Q_{I_4}:\left(\mathrm{54,54}\right)\end{array}\right)$

根据第三步中提到的公式：

$Q_{(i,j)}=\left(\begin{array}{c}{x}_{Q_{(i,j)}}=x_{Q_1}+(i-1)\times \frac{(x_{Q_3}-x_{Q_1})+(x_{Q_4}-x_{Q_2})}{2\times (M-1)}\\ y_{Q_{(i,j)}}=y_{Q_1}+(j-1)\times \frac{(y_{Q_2}-y_{Q_1})+(y_{Q_4}-y_{Q_3})}{2\times (N-1)}\end{array}\right)$和$\{Q_{(i,j)}\in I_{(i,j)},\left(\begin{array}{c}\mathrm{Round}\left(\right|x_{Q_{(i,j)}}\left|\right)<\frac{P_x}{2}\\ \mathrm{Round}\left(\right|y_{Q_{(i,j)}}\left|\right)<\frac{P_y}{2}\end{array}\right)$

可以计算得到10×10的元素图像阵列I_(i，j)中Q点的坐标如下(如图5所示)：

(-54，54) (-42，54) (-30，54) (-18，54) (-6，54) (6，54) (18，54) (30，54) (42，54) (54，54)

(-54，42) (-42，42) (-30，42) (-18，42) (-6，42) (6，42) (18，42) (30，42) (42，42) (54，42)

(-54，30) (-42，30) (-30，30) (-18，30) (-6，30) (6，30) (18，30) (30，30) (42，30) (54，30)

(-54，18) (-42，18) (-30，18) (-18，18) (-6，18) (6，18) (18，18) (30，18) (42，18) (54，18)

(-54，6)  (-42，6)  (-30，6)  (-18，6)  (-6，6)  (6，6)  (18，6)  (30，6)  (42，6)  (54，6)

(-54，-6) (-42，-6) (-30，-6) (-18，-6) (-6，-6) (6，-6) (18，-6) (30，-6) (42，-6) (54，-6)

(-54，-18)(-42，-18)(-30，-18)(-18，-18)(-6，-18)(6，-18)(18，-18)(30，-18)(42，-18)(54，-18)

(-54，-30)(-42，-30)(-30，-30)(-18，-30)(-6，-30)(6，-30)(18，-30)(30，-30)(42，-30)(54，-30)

(-54，-42)(-42，-42)(-30，-42)(-18，-42)(-6，-42)(6，-42)(18，-42)(30，-42)(42，-42)(54，-42)

(-54，-54)(-42，-54)(-30，-54)(-18，-54)(-6，-54)(6，-54)(18，-54)(30，-54)(42，-54)(54，-54)

逐点计算∑Q中的所有的同名像点，可以得到由相机阵列获取的元素图像阵列扩展来的可 供集成成像裸眼三维显示所需的元素图像阵列，结果如图6所示。三维再现结果如图7所 示。