一种叠进式摄像机阵列结构的光场成像装置

摘要

本发明属于光学成像及机械制造领域，具体涉及一种叠进式摄像机阵列结构的光场成像装置。该成像装置包括一个支撑部件和多个摄像机；所述支撑部件由底座和若干根支撑杆组成；所述摄像机通过固定安装的方式设置在支撑杆上，每个支撑杆上安装数量相等的摄像机；在垂直平面上，同一根支撑杆上的每个摄像机以不同的俯仰角从上至下依次配置；在水平平面上，不同支撑杆上且位于相同高度的摄像机以不同的方位角从左至右依次配置。本发明通过空间点多次成像为获取空间光场信息提供基础条件，同时又通过相邻摄像机的视野延拓为拼接获得更大视场的空间场景信息提供必要前提。本发明结构简单，成本低，易于实现及推广。

说明书

技术领域

本发明属于光学成像及机械制造领域，具体涉及一种叠进式摄像机阵列结构的光场成像装置。

背景技术

从照相机、摄像机等成像设备诞生之日起，人们就一直在不断地朝着“看得清”和“看得广”这两个方向努力。此外，随着数字图像处理技术的发展、成像系统结构设计的创新以及光学成像技术的出现，人们开始不仅仅满足于对自然界真实场景的二维信息进行获取和显示，还期望能够获得空间场景的三维结构信息、甚至是更高维度的全光场数据信息。光场成像技术通过记录光辐射在传播过程中的位置和方向信息，相比于只记录二维信息的传统成像方法，具有更加丰富的信息，为空间场景的三维重建、数字图像重聚焦和全聚焦等提供可能。

为克服单个摄像机图像传感器物理像素分辨率受限、获取捕捉场景信息有限的问题，将多个摄像机按照固定结构组合安装的摄像机阵列是一种常见的成像装置。按照阵列中各个摄像机的成像视野和应用背景，基于摄像机阵列的成像方法主要有两种：

(1)多摄像机拼接式成像

多摄像机拼接式成像技术将多个摄像机按照不同的视角方位固定组合安装，相邻摄像机的视场范围紧邻错开，只存在少许的重叠视野，从而分别获取不同方位场景的图像信息，然后拼接得到大视场的全景图像。典型的产品有：美国Honeywell公司推出的PARASCAN全景摄像机，以及美国国防先进研究项目局(DARPA)提出的面向高空航拍的军用地面侦察成像系统(ARGUS-IS)等。然而，由于多摄像机拼接式成像系统中的各个摄像机视点存在偏差，即各个摄像机的光学中心在空间上不可能完全重叠，当空间场景存在明显的深度变化，无法满足所拍摄的全局场景都处在一个距离相对固定的空间平面上这一假设时，无论摄像机标定和图像配准的精度有多高，在理论上图像拼接的裂缝就不可避免。

(2)基于相机阵列的光场成像

将多个相机按照固定结构规则分布，对同一空间范围的场景进行重复成像，从而获取该空间范围完整的光场数据信息，是目前光场成像技术的一种主要手段。实现方法主要有两种：一是将多个相机紧凑密集排布，各个相机视场基本重叠但略有差别；二是将多个相机环绕所拍摄的场景目标扇形分布，从不同视线方向对同一场景分别拍摄。斯坦福大学的B.Wilburn等人在基于相机阵列的光场成像技术方面开展了系统性的研究，设计了多种不同空间排布的相机阵列。此外，这类比较成功的样机还有MIT的64相机阵列，卡耐基梅隆大学虚拟现实项目中的3D Room，以及国内清华大学戴琼海团队研制的多视点动态场景视频采集平台等。然而，无论上述哪种方法，光场成像的视场范围都非常有限，多个相机都只是对相同的空间场景进行拍摄，无法获取宽广大视场空间的光场信息。

发明内容

为解决的上述技术问题，本发明针对现有各种摄像机阵列无法同时实现大视场高分辨率光场成像的问题，提出一种叠进式摄像机阵列的光场成像装置，通过设计使得阵列中各个摄像机视场在水平和垂直两个方向上既相互存在重叠又渐进延拓，实现同一空间点信息被多个摄像机同时捕捉，为获取空间光场信息提供可能；同时相邻摄像机的视野延拓为拼接获得更大视场的空间场景信息提供基础前提。具体技术方案如下，

一种叠进式摄像机阵列结构的光场成像装置，包括一个支撑部件和多个摄像机；所述支撑部件由底座和若干根支撑杆组成；所述摄像机通过固定安装的方式设置在支撑杆上，每个支撑杆上安装数量相等的摄像机；在垂直平面上，同一根支撑杆上的每个摄像机以不同的俯仰角从上至下依次配置；在水平平面上，不同支撑杆上且位于相同高度的摄像机以不同的方位角从左至右依次配置。

优选地，所述支撑杆按阵列式等间距排列。

优选地，所述底座为弧形柱体结构，所述底座上设置有圆孔，用于固定所述支撑杆。

优选地，同一根支撑杆上在垂直方向相邻的两个摄像机视场保持有1/2～3/4的区域重合；水平方向相邻的两根支撑杆上且位于相同高度的两个摄像机视场保持有1/2～3/4的区域重合。

优选地，同一根支撑杆上在垂直方向相邻的两个摄像机视场保持有2/3的区域重合；水平方向相邻的两根支撑杆上且位于相同高度的两个摄像机视场保持有2/3的区域重合

优选地，不同支撑杆上且位于相同高度的每个摄像机俯仰角相同。

优选地，所述支撑杆的数量为6根，每个支撑杆上的摄像机数量为3个。

优选地，所述摄像机固定安装的方式具体为，在支撑杆上设置固定盒，所述固定盒通过焊接或螺栓连接到支撑杆上，所述摄像机通过螺栓连接方式设置在固定盒内。

采用本发明获得的有益效果：本发明所述叠进式摄像机阵列结构的光场成像装置通过空间点多次成像为获取空间光场信息提供基础条件，同时又通过相邻摄像机的视野延拓为拼接获得更大视场的空间场景信息提供必要前提。本发明结构简单，成本低，易于实现及推广。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明中底座的俯视图；

图3是本发明装置中的叠进式摄像机阵列单个维度视场角分布示意图；

图4是本发明装置中的三个相邻摄像机局部叠进式视场分布示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本发明结构示意图；本发明公开了一种叠进式摄像机阵列结构的光场成像装置，包括一个支撑部件1和多个摄像机2；所述支撑部件1由底座11和若干根支撑杆12组成；所述摄像机通过固定安装的方式设置在支撑杆12上，每个支撑杆12上安装数量相等的摄像机；在垂直平面上，同一根支撑杆上的每个摄像机以不同的俯仰角从上至下依次配置；在水平平面上，不同支撑杆上且位于相同高度的摄像机以不同的方位角从左至右依次配置。实施例中，所述支撑杆按阵列式等间距排列，整个成像装置架设在一个三脚架上，三脚架的高度可根据拍摄场景需要自行调节。本发明成像装置选择支撑杆为6根，每个支撑杆上的摄像机为3个；且实施例中每个摄像机选用相同的图像传感器和成像镜头，即具有相同的图像分辨率、成像特性，以及相同的水平视场角范围和垂直视场角范围。成像装置整体长50cm，宽30cm。其中，每个摄像机单元选用型号为SJM-200C的通用USB2.0彩色数字相机，搭配1/3彩色CMOS图像传感器，成像分辨率为1280×1024；成像镜头为6mm焦距的光学工业镜头，水平视场角为54度，垂直视场角为40.5度。实施例中所述摄像机固定安装的方式为在支撑杆上设置固定盒，所述固定盒通过焊接或螺栓连接到支撑杆上，所述摄像机通过螺栓连接方式设置在固定盒内。固定盒的材料可以选择金属材质，固定盒的形状根据摄像机的外形确定，便于保护摄像机在室外工作。

如图2所示，本发明中底座的俯视图；底座为弧形柱体结构，所述底座上均匀设置有圆孔13，用于固定所述支撑杆，使所有支持杆呈弧形等间距分布。

如图3所示，本发明装置中的叠进式摄像机阵列视场角分布示意图；在水平方位上每相邻两个摄像机的视场均有三分之二的视场重合区域，在整个装置的系统视场上，摄像机的视场之间既相互存在重叠，又渐进延拓，最终形成一种弯曲的成像焦平面设计。同理，在垂直平面上(俯仰方位上)也形成了一种弯曲的成像焦平面设计。如图4所示，为实施例中，水平方向上相邻的三个摄像机的视场重叠示意图，即相邻支撑杆上且位于相同高度的两个摄像机的视场保持有三分之二的视场区域重合。本发明装置中通过摄像机的视场重叠，使得各个摄像机在水平和垂直两个方向的视角呈现叠进式分布排列。

本发明装置中相邻摄像机间的重叠视野使得同一空间点信息被多个摄像机同时捕捉，为获取空间光场信息提供可能；同时，相邻摄像机的视野延拓为拼接获得更大视场的空间场景信息提供基础前提。

以上所述仅为本发名的较佳实施范例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。