摘要
当前，光场成像的研究方兴未艾。光场成像突破了传统光学成像只能记录光线强度的局限性，大大拓展了光学成像应用的深度与广度。光场成像结合了计算成像技术，可有效解决传统光学成像系统中难以解决的离焦、深度信息缺失等问题。随着研究的深入，光场成像已应用于三维立体成像、显微成像、图像处理与分析等领域，极具研究价值。但现有光场成像系统仍存在空间分辨率不高等问题，大大限制其应用范围。本文以基于微透镜阵列的光场成像系统为研究对象，从其光场理论、空间分辨率提升和视觉测距等三个方面进行研究，主要研究内容如下： 1.以几何光学，结合四维光场函数，研究了基于微透镜阵列的光场成像理论，讨论了微透镜阵列的排列，构建了光场双平面参数化模型；基于该模型，分析了光场视角图提取方法、以及光场重聚焦理论。经研究发现，基于微透镜阵列的光场成像系统空间分辨率不高的关键在于，牺牲空间分辨率以换取角度分辨率的提升。 2.针对光场成像中视角图提取的分辨率与数据准确性无法兼顾的问题，提出了一种非周期性视角图提取算法。首先分析微透镜阵列采样原理，计算出各微透镜中心的偏移量；然后，分析视角范围，通过合成多个视点的方式，计算合成视点对应各微透镜的投影区域；最后，非周期性提取像素块构成视角图。实验使用Lytro1.0光场相机采集光场数据，采用非周期性算法提取了大小为2×2和3×3的像素块构成视角图，相较于传统方法视角图的分辨率分别提升了2×2倍和3×3倍。 3.针对传统立体视觉测量的局限性，引入光场概念，提出了一种基于光场的单相机测距算法。首先，基于光场重聚焦原理，对光场的位置与角度2D切片进行分析，快速估计目标的模糊深度；然后，基于模糊深度，调节光场重聚焦于目标所在的深度；再基于对极几何原理，选取与中心视角水平和垂直方向的视角图，组成视角图对集合，计算出一组目标物深度数值；最后，根据模糊深度筛去不合理数值，取平均得到目标的深度值。实验结果表明，所提算法的测距精度达到了厘米级，相对误差在3.78%以内。
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