论文总字数：19970字

摘 要

在科技不断发展的今天，光场成像技术因为它独特和新颖的成像优势而受到了的广泛关注，例如先拍照再对焦、可变景深和可变视角等特点。这种新型的成像系统让我们的成像效果不再局限于拍摄时的各个成像参数,可以由后期计算重构而更加灵活多变。因为光场成像系统建模方法这一多样性，不同的研究者对光场相机的成像模型和参数表达方式做出了不同的描述，虽然一方面扩宽了光场研究的思路，但另一方面也给模型和参数表达的统一带来了挑战。为了实现基于光场成像的三维成像，必须对光场相机进行标定。本文以此为研究方向，具体开展以下工作：

1. 研究光场成像的原理，推导光场成像公式，这是光场标定的基础。
2. 研究基于双平面参数化的光场相机标定方法，实现光场相机的标定。
3. 研究基于两步标定法的光场相机标定方法，实现光场相机的标定。

关键词：光场成像；子孔径图像；两步标定

Research on Calibration Algorithm of Light Field Camera

Abstract

Today, with the continuous development of science and technology, light field imaging technology has received extensive attention because of its unique and novel imaging advantages, such as taking pictures before focusing, variable depth of field, and variable viewing angles. This new type of imaging system allows our imaging effects to be no longer limited to the various imaging parameters during shooting, and can be reconstructed by post-calculation to be more flexible and changeable. Because of the diversity of modeling methods for light field imaging systems, different researchers have made different descriptions of the imaging models and parameter expressions of light field cameras. Although on the one hand, the ideas of light field research have been broadened, but the other On the one hand, it also brings challenges to the unification of model and parameter expression. In order to realize three-dimensional imaging based on light field imaging, the light field camera must be calibrated. This paper takes this as the research direction, and specifically carries out the following work:

(1) Study the principle of light field imaging and derive the formula of light field imaging, which is the basis of light field calibration.

(2) Research the calibration method of light field camera based on dual plane parameterization, and realize the calibration of light field camera.

(3) Research the calibration method of light field camera based on two-step calibration method to realize the calibration of light field camera.

Key words: light field imaging; Subaperture image; Two step calibration

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 研究目的、背景、意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文研究内容和章节安排 3

第二章 光场成像原理 4

2.1 双平面成像原理 4

2.2 子孔径图像 5

2.3 极图 6

2.4 元素图像中心点的提取算法和光场图像的校正 7

第三章 基于双平面参数化的光场相机标定 10

3.1 基于双平面参数化的光场相机标定 10

3.1.1 坐标系转换 10

3.1.2 圆心检测 12

3.2 实验结果 13

第四章 基于两步标定的光场相机标定 17

4.1 算法原理 17

4.2 基于中心子孔径图像的标定 20

4.3 MLA参数的标定 21

第五章 总结与展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

致 谢 23

参考文献 24

第一章 绪 论

1.1 研究目的、背景、意义

光场摄像机成像模型及参数标定方法是计算机视觉领域的一个重要研究方向^[18]，是拓展光学领域应用的理论基础和关键环节。成像技术不同于传统的“所见即所得”^[6]，光场相机通过其创新的光学结构，将空间中的三维信息，按照一定关系与图像传感器像元对应，实现了用胶片记录物体在空间中的点位置特征和方向信息，可以通过后期数据处理对场景的三维结构进行恢复。由于图像后处理的灵活性，光场相机可以实现许多新颖的图像生成方法，如数字重聚焦、合成孔径成像、全景深度图像合成等，可应用于视差估计、全景拼接、视场、实时识别与跟踪等。与传统的成像技术相比，光场相机的成像技术也有一定的局限性^[22]。因为它仍然通过图像传感器记录信息，它用一些位置分辨率来换取方向分辨率。因此，在有效像元数保持不变的情况下，光场相机的位置分辨率明显低于传统相机^[6]。此外，与摄像机阵列系统相比，单场摄像机对目标场景方向信息的采样范围小，完整性不够，导致深度恢复精度低、视场小、遮挡弱等问题。

由于光场成像系统的建模方法的多样性,不同的研究人员做出了不同的描述光场相机的成像模型和参数表达式,从而拓宽了光场研究的思维,但同时带来了一些挑战和参数的统一模型。因此，研究光场摄像机的通用成像模型和数据解码方法，以及更通用的参数标定方法，是优化光场计算、拓展光场技术应用的关键环节。

1.2 国内外研究现状

光场（light field）概念的雏形是法拉第在1846年提出的观点：光应该被理解为一种场。与电场和磁场的概念相似，光场是某些内部连接且相互依赖的物质（尤其是空间中的光的集合）的统一总称。后来的学者建立了一个理论模型，并在此基础上观点的光场的参数化表示方法。1936年，Gershun正式提出光场的概念来描述光辐射在空间中的分布和传播，后来被研究人员广泛采用。1991年，Adelson和Bergen等人^[27]，提出了全光函数的概念。它是通过使用七维函数来表征空间中光的辐射传播过程，记录为P(x,y,z,θ,Φ,λ,t),当中的（x,y,z）表示空间中任何点的三维坐标，（θ,Φ）指示光的传播方向，λ光的波长和t时间。一旦确定了全光功能，研究人员就可以对光辐射的各种变换进行相应的模拟计算。然而，难以获得和存储七维全光函数，因此有必要对其进行简化。考虑到静态方案，可以删除时间维度。如果您忽略每个颜色通道中光波长的细微变化，则全光功能可以简化为五个维度P(x,y,z,θ,Φ)。在1996年，Levoy等人^[28]，忽略了空间中传播的光的衰减，将五维全光函数进一步简化为四维，并提出了一种使用双平面参数模型表征光场的方法。

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