阅读说明：本技术 光场相机前置镜焦平面定位方法和装置 (Method and device for positioning focal plane of front lens of light field camera ) 是由 袁艳 苏丽娟 朱聪慧 王继超 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光场相机前置镜焦平面定位方法和装置,其中,方法包括：搭建成像装置,并确定与自准直经纬仪出射光束垂直的参考平面；搭建测量装置,并确定与参考平面垂直的光束,采集不同标称物距下的光场图像；根据不同标称物距下的光场图像得到相邻微透镜质心之间的距离,并根据质心距离指标定位前置镜系统的焦平面位置。该方法可以灵活控制进入光场相机的入射光方向,且适用于其他需要定位焦平面的光学成像系统,并消除了目视解译的人为因素的判别干扰,从而可以准确定位光场相机前置镜系统的焦平面。(The invention discloses a method and a device for positioning a focal plane of a front lens of a light field camera, wherein the method comprises the following steps: constructing an imaging device, and determining a reference plane vertical to an emergent beam of the auto-collimation theodolite; building a measuring device, determining a light beam vertical to a reference plane, and collecting light field images under different nominal object distances; and obtaining the distance between the centroids of the adjacent microlenses according to the light field images under different nominal object distances, and positioning the focal plane position of the front lens system according to the centroid distance index. The method can flexibly control the direction of incident light entering the light field camera, is suitable for other optical imaging systems needing to position the focal plane, eliminates the discrimination interference of human factors of visual interpretation, and can accurately position the focal plane of the front lens system of the light field camera.)

光场相机前置镜焦平面定位方法和装置

技术领域

本发明涉及光场相机装配调试技术领域，特别涉及一种光场相机前置镜焦平面定位方法和装置。

背景技术

光场相机的光学成像系统，主要由三个部分构成：前置镜系统、微透镜阵列以及探测器面，见图1所示的光场相机结构简图。

2005年R.Ng发明了第一台手持式光场相机，提出了光场相机1.0结构，即微透镜阵列位于前置镜系统的像面位置，探测器面位于微透镜阵列的一倍焦距处。其成像原理为，有限距离目标上的一点，经过前置镜系统成像后，会聚焦在微透镜阵列平面，之后不同强度和方向的光线，会经过单个微透镜二次成像，到达微透镜所对应的探测器像元上。这种光场成像技术，为人们认识真实世界，提供了更为丰富的信息，即可以通过一次曝光捕获目标的空间位置信息以及角度信息，在目标三维重建等方面有着重要应用。

基于光场相机1.0结构，对无穷远目标成像时，前置镜系统的像面位置恰为焦平面位置，即微透镜阵列应恰好位于前置镜系统的焦平面位置，称为在焦。此时，可以确保到达探测器上的每个像元的能量只会来自于一个微透镜，各微透镜之间无信息混叠。但是，由于仪器加工误差和安装误差等因素的影响，无法保证根据设计值来安装的微透镜阵列，一定与前置镜系统的焦面位置重合。当二者不重合即离焦时，会导致能量溢出到相邻的微透镜对应的探测器像元中，造成信息混叠，如图2所示。因此，准确定位前置镜系统的焦平面位置，对成像效果及恢复目标的三维信息有着很重要的影响。

相关技术中，(1)对比其他定位前置镜系统焦平面得方法，目视解译，根据正负离焦的不同现象，来判断微透镜阵列是否位于前置镜系统的焦平面位置，这种方法高度依赖实验人员的经验，人为因素造成的偏差较大，具有一定的局限性。(2)根据光场相机的主透镜的焦距及预设物距计算出主透镜的像距，并以在距离范围内筛选的方式，确定满足预设成像要求的主透镜与微透镜阵列之间的距离。然而，这种方法仅理论计算，并没有进行实验验证。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种光场相机前置镜焦平面定位方法，该方法可以准确定位光场相机前置镜系统的焦平面。

本发明的另一个目的在于提出一种光场相机前置镜焦平面定位装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种光场相机前置镜焦平面定位方法，包括以下步骤：搭建成像装置，并确定与自准直经纬仪出射光束垂直的参考平面；搭建测量装置，并确定与所述参考平面垂直的光束，采集不同标称物距下的光场图像；根据所述不同标称物距下的光场图像得到相邻微透镜质心之间的距离，并根据质心距离指标定位前置镜系统的焦平面位置

本发明实施例的光场相机前置镜焦平面定位方法，可以灵活控制进入光场相机的入射光方向，且适用于其他需要定位焦平面的光学成像系统，并消除了目视解译的人为因素的判别干扰，从而可以准确定位光场相机前置镜系统的焦平面。

另外，根据本发明上述实施例的光场相机前置镜焦平面定位方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述距离的横向质心距离的计算公式为：

其中，I_h,-1和I_h,1为一行中心微透镜I_h的上下相邻行微透镜，s为像素的行号，t为像素的列号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述距离的纵向质心距离的计算公式为：

其中，I_z,-1和I_z,1为一列中心微透镜I_z的左右相邻列微透镜。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述不同标称物距下的光场图像得到相邻微透镜质心之间的距离，进一步包括：分别对所述横向质心距离和所述纵向质心距离进行统计分析，其中，去掉横向或纵向十字叉丝两端各1个边缘微透镜的数据，及靠近十字叉丝中心的左右或上下

个微透镜的数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述质心距离指标为当中心微透镜的两个相邻微透镜之间的质心距离为

时，判定定位前置镜系统焦平面的位置。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种光场相机前置镜焦平面定位装置，包括：第一搭建模块，用于搭建成像装置，并确定与自准直经纬仪出射光束垂直的参考平面；第二搭建模块，用于搭建测量装置，并确定与所述参考平面垂直的光束，采集不同标称物距下的光场图像；定位模块，用于根据所述不同标称物距下的光场图像得到相邻微透镜质心之间的距离，并根据质心距离指标定位前置镜系统的焦平面位置。

本发明实施例的光场相机前置镜焦平面定位装置，可以灵活控制进入光场相机的入射光方向，且适用于其他需要定位焦平面的光学成像系统，并消除了目视解译的人为因素的判别干扰，从而可以准确定位光场相机前置镜系统的焦平面。

另外，根据本发明上述实施例的光场相机前置镜焦平面定位装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述距离的横向质心距离的计算公式为：

其中，I_h,-1和I_h,1为一行中心微透镜I_h的上下相邻行微透镜，s为像素的行号，t为像素的列号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述距离的纵向质心距离的计算公式为：

其中，I_z,-1和I_z,1为一列中心微透镜I_z的左右相邻列微透镜。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述定位模块进一步用于分别对所述横向质心距离和所述纵向质心距离进行统计分析，其中，去掉横向或纵向十字叉丝两端各1个边缘微透镜的数据，及靠近十字叉丝中心的左右或上下个微透镜的数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述质心距离指标为当中心微透镜的两个相邻微透镜之间的质心距离为时，判定定位前置镜系统焦平面的位置。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为相关技术的光场相机结构简图；

图2为相关技术的微透镜阵列在焦与离焦示意图；

图3为根据本发明实施例的光场相机前置镜焦平面定位方法的流程图；

图4为根据本发明一个实施例的光场相机前置镜焦平面定位方法的流程图；

图5为根据本发明实施例的调试成像装置示意图；

图6为根据本发明实施例的测量装置示意图；

图7为根据本发明实施例的光场相机探测器测量示意图；

图8为根据本发明实施例的质心距离指标示意图；

图9为根据本发明实施例的纵向十字叉丝在不同标称物距的质心距离均值示意图；

图10为根据本发明实施例的光场相机前置镜焦平面定位装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据背景技术记载可知，本发明所要解决的技术问题是：如何准确定位光场相机前置镜系统的焦平面。为此，本发明实施例提出了一种可变焦的安装调试装置，和基于质心距离指标的定位光场相机前置镜焦平面的方法。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的光场相机前置镜焦平面定位方法和装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的光场相机前置镜焦平面定位方法。

图3是本发明一个实施例的光场相机前置镜焦平面定位方法的流程图。

如图3所示，该光场相机前置镜焦平面定位方法包括以下步骤：

在步骤S301中，搭建成像装置，并确定与自准直经纬仪出射光束垂直的参考平面。

可以理解的是，如图4所示，本发明实施例首先搭建成像装置，调试获得与自准直经纬仪出射光束垂直的参考平面。

具体而言，按图5所示的实验装置，将水平转台置于水平平台上，并在水平转台上放置多维调整台，调整多维调整台表面与大地水平。将前置镜系统与微透镜阵列和探测器面耦合成的光场探测单元组合安装，形成光场相机，放置在多维调整台上。在光场相机镜头的前表面紧贴平晶，认为平晶完全平行于光场相机的镜头平面，则平晶表面可以作为调试光场相机的参考平面。在水平平台的另一侧，放置自准直经纬仪，调整自准直经纬仪的高度，使自准直经纬仪发出的十字叉丝激光光束能够被光场相机前的平晶接收，此时，调整自准直经纬仪底座旋钮与大地水平，自准直经纬仪上的数字显示y轴为270°。绕Y轴旋转水平转台进行粗调，使自准直经纬仪能够接收经过平晶反射的十字叉丝的像，利用多维调整台进行微调，使反射的十字叉丝的像恰好位于自准直经纬仪刻板中央。调整自准直经纬仪的水平旋转即改变自准直经纬仪上数字显示x轴的值，若观察到十字叉丝在刻板上竖直方向位置保持不变，仅水平移动，则认为完成了调试过程，否则，重复精调多维调整台，直至随自准直经纬仪x轴的值的改变，反射回的十字叉丝的像仅发生水平方向的移动。

此时，完成了光场相机成像装置的调整，并且获得了与自准直经纬仪发出的激光光束垂直的参考平面。

在步骤S302中，搭建测量装置，并确定与参考平面垂直的光束，采集不同标称物距下的光场图像。

可以理解的是，如图4所示，搭建测量装置，调试获取与参考平面垂直的光束，开展测量实验，获取不同标称物距下的光场图像。

具体而言，按图6所示测量装置，撤掉自准直经纬仪及平晶，在水平平台上距离光场相机一定距离处，将变焦平行光管的前脚和后脚分别放置在两个升降台上。将十字叉丝安装在平行光管可调组件位置。实验所选取的十字叉丝宽度满足

长度满足

其中，其中w_line表示十字叉丝的宽度，f_G表示变焦平行光管的焦距，f_s表示光场相机前置镜系统的焦距，d_ml表示微透镜直径，a表示衍射斑大小，l_line表示十字叉丝的长度，M表示十字叉丝的长度成像时所占的微透镜的个数。

调整变焦平行光管的可调组件，改变标称物距L的大小，当标称物距为L_r时，变焦平行光管出射平行光，此时，观察光场相机探测单元采集的光场图像，粗调两个升降台的沿Y轴、X轴的相对位置，使变焦平行光管出射光束能够完全覆盖光场相机镜头，并且使十字叉丝成像在探测器中心位置附近。精调两个升降台，使十字叉丝主要成像在一行M个微透镜下和一列M个微透镜下，且上下左右对称，每个微透镜成像覆盖探测器面N×N个像素，如图7所示为光场相机探测器测量示意图。此时，绕Y轴转动水平转台，观察到十字叉丝的像始终沿水平方向移动，则认为变焦平行光管的主光线垂直于参考平面，完成整个测量装置的搭建。

调整水平转台绕Y轴方向的旋转，使十字叉丝的像回到探测器中心位置。开展测量实验，调整变焦平行光管的可调组件，记初始标称物距为L₁，采集十字叉丝的图像I₁。重复多次改变标称物距L_i，采集十字叉丝的图像I_i。本次实验中，测量并记录K组标称物距及对应采集到的光场图像，即i＝1,2,…,K。

在步骤S303中，根据不同标称物距下的光场图像得到相邻微透镜质心之间的距离，并根据质心距离指标定位前置镜系统的焦平面位置。

可以理解的是，如图4所示，计算相邻微透镜质心之间的距离，并进行统计分析，然后根据提出的质心距离指标，定位前置镜系统的焦平面位置。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据不同标称物距下的光场图像得到相邻微透镜质心之间的距离，进一步包括：分别对横向质心距离和纵向质心距离进行统计分析，其中，去掉横向或纵向十字叉丝两端各1个边缘微透镜的数据，及靠近十字叉丝中心的左右或上下个微透镜的数据；质心距离指标为当中心微透镜的两个相邻微透镜之间的质心距离为

时，判定定位前置镜系统焦平面的位置。

具体而言，步骤S303进一步包括两个步骤，具体如下：

步骤一：如图7中所示，最右显示灰度反转及分段二值化，黑色代表能量最强，白色代表能量最弱，灰色表示能量过渡，更直观的体现了采集到的光场图像的能量主要集中在一行和一列微透镜上，称能量最集中的微透镜为中心微透镜，称一行中心微透镜I_h的上下相邻行微透镜为相邻微透镜I_h,-1和I_h,1，称一列中心微透镜I_z的左右相邻列微透镜为相邻微透镜I_z,-1和I_z,1。

利用图像处理软件(例如matlab)实现图像分割，得到横向和纵向一系列中心微透镜和相邻微透镜，h和z的取值是

图像质心，可以理解成把图像中每一点的灰度值认为是此点处的质量，是通过计算整幅图像的能量分布得到的图像的能量中心。

计算横向十字叉丝上下相邻微透镜的质心，其列号理论上应该一致，因此只对行号进行差值计算，得到横向质心距离c_h：

计算纵向十字叉丝左右相邻微透镜的质心，其行号理论上应该一致，因此只对列号进行差值计算，得到纵向质心距离c_z。

分别对横向和纵向质心距离进行统计分析，为了排除十字叉丝中心在横向和纵向上能量混叠的影响，去掉横向(纵向)十字叉丝两端各1个边缘微透镜的数据，以及靠近十字叉丝中心的左右(上下)个微透镜的数据。

统计分析横向质心距离的均值为

标准差统计分析纵向质心距离的均值为

标准差

h和z的取值为

步骤二：重复步骤一，得到不同标称物距L_i获取图像的横向质心距离的均值

标准差S_H ⁱ，纵向质心距离的均值

标准差S_Z ⁱ。

本发明实施例提出的定位前置镜系统焦平面的质心距离指标为，当中心微透镜的两个相邻微透镜之间的质心距离为

时，认为定位了前置镜系统焦平面的位置。图8给出了质心距离指标判断的示意图，其中，中间部分为中心微透镜，两侧为相邻微透镜，N为单个微透镜覆盖的横向像元数。

因此，若i＝k时，指标

恰位于横向统计值

范围内，则认为标称物距为L_k时，微透镜阵列恰好位于前置镜系统的成像面位置。根据成像系统的成像规律，则探测单元与前置镜头之间应增加的距离，使微透镜阵列恰好位于前置镜系统的焦平面位置。

纵向同理。理论上，横向和纵向定位的焦平面位置应该一致，但由于十字叉丝横向和纵向宽度上的细微差别，最终结果可能会稍有出入，此时，取标准差较小的方向作为最终判断标准。

图9给出了纵向十字叉丝在不同标称物距的质心距离均值的统计结果。其中，横坐标为标称物距，纵坐标为质心距离的均值。

综上，本发明实施例提出的光场相机前置镜焦平面定位方法，可以灵活控制进入光场相机的入射光方向，且适用于其他需要定位焦平面的光学成像系统，并消除了目视解译的人为因素的判别干扰，从而可以准确定位光场相机前置镜系统的焦平面。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的光场相机前置镜焦平面定位装置。

图10是本发明一个实施例的光场相机前置镜焦平面定位装置的结构示意图。

如图10所示，该光场相机前置镜焦平面定位装置10包括：第一搭建模块100、第二搭建模块200和定位模块300。

其中，第一搭建模块100用于搭建成像装置，并确定与自准直经纬仪出射光束垂直的参考平面；第二搭建模块200用于搭建测量装置，并确定与参考平面垂直的光束，采集不同标称物距下的光场图像；定位模块300用于根据不同标称物距下的光场图像得到相邻微透镜质心之间的距离，并根据质心距离指标定位前置镜系统的焦平面位置。本发明实施例的装置10可以准确定位光场相机前置镜系统的焦平面。

进一步地，在本发明的一个实施例中，距离的横向质心距离的计算公式为：

其中，I_h,-1和I_h,1为一行中心微透镜I_h的上下相邻行微透镜，s为像素的行号，t为像素的列号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，距离的纵向质心距离的计算公式为：

其中，I_z,-1和I_z,1为一列中心微透镜I_z的左右相邻列微透镜。

进一步地，在本发明的一个实施例中，定位模块300进一步用于分别对横向质心距离和纵向质心距离进行统计分析，其中，去掉横向或纵向十字叉丝两端各1个边缘微透镜的数据，及靠近十字叉丝中心的左右或上下个微透镜的数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，质心距离指标为当中心微透镜的两个相邻微透镜之间的质心距离为

时，判定定位前置镜系统焦平面的位置。

需要说明的是，前述对光场相机前置镜焦平面定位方法实施例的解释说明也适用于该实施例的光场相机前置镜焦平面定位装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的光场相机前置镜焦平面定位装置，可以灵活控制进入光场相机的入射光方向，且适用于其他需要定位焦平面的光学成像系统，并消除了目视解译的人为因素的判别干扰，从而可以准确定位光场相机前置镜系统的焦平面。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。