标准全光照相机的光场几何外文翻译资料

 2022-03-14 21:10:54

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标准全光照相机的光场几何

摘要：标准全景照相机（SPC）是一项摄影创新，允许从单次曝光获取集中在不同深度的二维图像。与传统相机相反，SPC由微透镜阵列和虚拟投影的主透镜组成镜头进入物体空间。本研究第一次提供了一个方法来估计提取的重新聚焦图像的距离和深度来自SPC获取的捕获。 此外，估计的位置以及对应于等效照相机的虚拟镜头的基线数组派生。 在傍轴近似的基础上，进行光线追踪已经开发并实施了采用线性方程的模型使用Matlab。 使用光学模拟工具Zemax进行验证目的。通过设计一个现实的SPC，实验证明a在3.5米处的预测图像重聚焦距离偏差小于11％来自Zemax的模拟，而基线估计表明没有显着差异。 应用建议的方法将使一个通过差异分析来替代传统的深度图采集。

  1. 简介

近年来，人们对全光照相机以及它们在图像捕获后重新聚焦二维（2-D）图像的能力的兴趣日益增加。关于光场主题的最初研究可以追溯到Ives[1]和Lippmann [2]，他们分别发现了通过阵列针孔和微透镜从不同角度收集光线的可能性。随后，包括七维全光函数[3]，全光相机[4]和四维（4-D）光场参数化[5]在内的多项研究已在上个世纪产生。后者的成果通过将光场（LF）描述为一组光线与两个二维平面相交，从而实现空间和角度光信息的图像采集和重建，从而简化了全光函数。 2000年，Isaksen等人[6]探索了使用摄像机阵列捕获的视点图像重新聚焦的能力。 重新聚焦可以被看作是合成4-D LF的2-D聚焦图像片（FIS）。 Ng等人 这一技术理念进一步研究了基于手持式标准全光相机（SPC）重新聚焦的方法，该相机在传感器前面安装了微透镜阵列（MLA）[7]。之后，Levoy等人在显微镜上实施了这种全光照设置[8]并且最近由Broxton等人提出。[9]。 2009年，Lumsdaine和Georgiev [10]通过为聚焦全光照相机（FPC）引入一种允许MLA不同位置的新渲染技术，大大提高了有效空间分辨率。然而，FPC固有地导致角度信息的损失，导致角度和空间分辨率之间的折衷[11]。 吴等人进行了一项早期的深度测量研究，使用积分图像的差异分析。[12]。 这种方法面临的挑战是最大限度地减少由于相机阵列设置相对较小的基线而导致的视差图所导致的误差。 Bishop等人进行了改进。 [13]和Perwass等。[14]。 Georgiev等人首先研究了虚拟微透镜的位置。[15]。 其中，FPC的主平面计算确定虚拟透镜投影到物体空间中，与一系列摄像机相比。到目前为止，该尝试的当前状态不提供基线估计。

关于SPC，关于虚拟基线也存在不确定性，就像FIS的距离一样。 借助傍轴近似和线性方程，本文首次解决并解决了这些问题。 所提出的命题以几种方式为LF的主题做出贡献。 首先，它预先协助SPC的规格说明。 其次，FIS的距离预测将增强SPC深度图的计算。 此外，由于在多视图显示器上筛选全光内容需要关于基线设置的知识，因此本文提出的新方法支持该应用。 使用真实射线追踪工具Zemax进行的实验测试通过在距离le;300毫米处的相对误差低于0.5％并且在大约3.5米的距离处低于11％来验证Matlab的实施。

  1. 光线追踪交集模型

历史上，Levoy等人详细阐述了捕获低频数据方面最有影响力的成就。 [5]当分别用（u，v）和（s，t）表示的两个二维平面的交点描述LF的光线时。 随后，Ng等人 [7]重新研究LF参数化L（s，t，u，v），将其适用于一个全光照相机，其中在微透镜平面（s，t）出现的测量辐照度I由下式给出

其中A(bull;)表示孔径，（U，V）是主透镜平面，bU是主透镜和MLA平面之间的间距(s,t).滚降系数cos4theta;也被称为渐晕。 通过考虑光圈完全打开，使得A（bull;）= 1，忽略晕映和因数1 / bU 2方面的平方反比定律，可以缩短方程。 为了进一步简化以下描述，可以看到LF被不考虑垂直尺寸的两个一维（1-D）平面相交的光线捕获。 因此，后续的声明基于这样的假设：相机参数在水平和垂直方向上被等同地指定，从而允许在两个方向上类似地应用所提出的解决方案。 因此，辐照度由水平给出

仔细研究简化的Eq.(2)由Ng可知，LbU（s，U）是由微透镜平面s和主透镜平面U处的交点确定的压缩LF图像投影，符合Levoy提出的LF参数化。

图1.辐照度平面（参考文献[16]，图1）

然而，实际上在微透镜的图像平面处测量光的入射辐照度，用u表示。 因此，提供射线相交的可检索坐标的两个平面相当于（u，s）而不是（s，U）。 忽略由于透镜材料引起的反射和吸收，图1借助类似三角形的方法示出了从主透镜U出现的特定点处的辐照度IbU沿着其微图像Ws(u)成比例地分布， 与辐照度Ifs(u)。所以得出

如果根据人类视觉感知光谱的波长受到限制和加权，则辐照度可以由光度照度E代替

2.1标准全光照相机

越来越多的文献主要通过使用类似三角形的方法来解释重新聚焦[7,14,15]。 根据Ng等人。[7]，在SPC中，传感器的图像平面位于MLA后面的微透镜焦距fs的距离处。 正如Hahne和Aggoun [16]的研究出版物最初所显示的那样，通过利用薄透镜方程[17]，主光线可以从传感器的图像平面追踪到真实的物体空间

考虑到微透镜的像距bs等于其焦距fs（bs = fs）的限制，在数学上证明

该射线追踪方法的基本思想依赖于这样的事实，即在几何光学中，准直光线会聚在凸透镜的焦点上。 在这个阶段，可以假设MLA背后的重点是无限小。 结果，如图2所示，在图像平面上的离散位置上撞击无限小点的主光线可以通过微透镜和主透镜进行追踪。其中，微图像内的位置由具有连续索引iisin; Z 在[ - （m-1）/2，（m-1）/2]的范围内，其中m表示被认为是一致的每个微图像内的一维D像素数。 在m为奇数的情况下，中心微图像位置可以通过c =（m-1）/ 2来获得。 当从中心位置c开始计数指数时，微图像位置由uc i给出。 两个相邻位置uc i的间隔可以看作是数码相机的像素间距pp。

图2（a）微透镜sj和主光线mi.（b）穿过主透镜的平行光线.

由于u i每个位置都有一个主光线，所以主光线可以通过它们各自的斜率mi来区分。 例如，在图2（a）中，具有斜率m-1的主光线在由jisin;Z索引的每个微透镜s下聚焦在uc-1处。因此，所有微透镜下的主光线m-1形成 在微透镜前方的准直光束m-1。 通常，深度由z表示，并且更具体地由zU表示用于主透镜的光轴，并且相应地用于每个微透镜的zsj。如图2（b）所示，由于准直光的行为，形成光束mc-1的平行射线被认为在主透镜U的系统的主平面HU1和HU2处折射并且从主透镜镜头焦平面FU。 这个相应的点由Fi表示，并沿垂直于z的维度变化。

2.2重新对焦图像合成

除了本节前面提出的假设外，假设传播光从朗伯表面反射到照相机设备，其发光度M等于照度EbU。另外，由于EbU由空间采样点sj组成，因此物面M可以类似地由离散物点s,j描述。正如方程（4）中，合成一个图像E,bU，它将由平面s上的照度EbU的常规照相机捕获，需要选择和求和特定值Efs[uc i，sj]。此外，SPC的原始低频图像能够在没有MLA的情况下生成聚焦于图像传感器后面（距离大于bU）的图像。这些假设图像将具有照度E并形成可重新聚焦的LF，其被微透镜压缩并分布在Efs（u，s）上。为了区分可重新聚焦的成像平面E，用合成照度Ea代替EbU，而EbU = E,0并且距离更远的图像平面E,a被连续索引a。

图3.光线跟踪相交模型（参考文献[16]，图2）

图3描绘了交叉主光线使得LF切片重新聚焦合成的原理。 请注意，在给出的示例中，bUgt; fU和分隔符H1UH2U = 0。 将一对主光线追踪到物体空间中导致在平面Ma（例如，M1）处指示光线可能从其发射的位置的交叉点。 因此，恢复点M1 [sj]可以通过收集不同微图像中的照度值并对其求和来完成。如图4所示，为了方便起见，微图像分辨率被定义为m = 3，其具有 微图像中心在c = 1。给出两个相应的例子

为了更容易地遵循全光LF中的射线追踪的思想，在方程式中给出的例子的主光线 （7）和（8）在图4中突出显示。因此，很明显M1平面上的物点将会集中在E,1在实际图像平面Efs后面。

图4.光线跟踪交点示例演示方程（7）和（8）

研究所有可能的综合组合允许对提供FISs E,a的算法公式进行逆向工程从给出的原始数据Efs

正如Hahne和Aggoun [16]，从[UC 1，Sj]的坐标空间，以一个单一的指数[XK]，在数字图像中通常指定的翻译建议的，由下式给出

能够转换公式,合成（7）和（8）为

  1. 聚焦图像切片的距离估计

考虑到SPC的背景和重新调整合成，本节将重点放在FIS距离的阐述上。 具体而言，第一小节旨在开发基于像素中心主光线的距离预测，而后续部分则考虑像素宽度和光学分辨率极限来估计FIS的深度。

3.1中央位置

仔细检查方程式的合成。（7）和（8）表明只选择Efs[uc i，sj]的两种组合并将相关主光线追溯回物体空间的交点就足以获得相应切片a的度量距离。 通过将每条主光线的路径细分为可以看到发生折射的区间，光线路径在数学上被描述为线性方程的组成。参考图2，在每个微透镜sj下在相同相对位置uc i处会聚的射线具有相同的入射角，换句话说，具有相同的斜率mi，其由

其中Delta;u= uc - uc i和uc表示微透镜下的中心焦点的位置。通过引入ni，j作为定义为像平面的x截距

Pm表示从底部透镜开始由j标记的微透镜的间距。 表示从微透镜像平面到主透镜U的光学中心的主光线的线性函数因此由

在近轴光线追踪中，可以看到单个光线在薄透镜的主平面H处几何折射。 取决于斜率mi，微图

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