基于微透镜阵列的数字光场成像分析-信号与信息处理专业论文.docx

摘要 摘要 I I 摘 要 光场成像作为成像技术中的一个新的方向，它可以实现拍摄后无需机械对焦， 而是通过图像处理计算实现再聚焦，并且可以实现 3D 重建和多目标点聚焦等，这 些特点都使得它在未来的生活中将会有很大的发展空间。 光场相机就是在传统相机的主透镜和成像面之间加入一个微透镜阵列，采用 这种装置得到图像的过程即为光场成像。光场相机可以同时捕捉到场景的空间（或 位置）和方向（或角度）信息，即光场的四维信息。这样，在一次曝光后记录到 的光场利用软件就可以聚焦在任意位置，也就是再聚焦。第一代手持式光场相机 于 2005 年出现，它是将微透镜阵列固定在图像传感器前方一个焦距的位置，这样 就使得微透镜聚焦在无穷远，这样每个微透镜不仅可以记录达到该位置的光线的 总量，而且可以分辨出每一条光线的方向。然后通过将记录的图像进行重组可以 获得清晰的再聚焦图像。但是这种装置得到的最终图像分辨率受微透镜个数影响， 再聚焦时只从每个微透镜对应的几十或者几百个像素点中提取出位置一致的一个 像素点来组成一幅再聚焦图像，因此每幅再聚焦图像的像素值和微透镜个数相同， 像素数受限于微透镜个数。而目前的制备工艺有限，微透镜个数只能达到几百个， 这样一来，对于一个百万像素的 CCD 来说，像素利用率就只有 CCD 像素的几十 分之一，因而图像分辨率低。 为提高图像分辨率，提出了第二代光场相机，第二代与第一代的主要区别是 微透镜阵列与图像传感器的间距可调，这样就可以使微透镜聚焦在主透镜的像面 上，而不是主透镜平面上。这种装置可以使图像空间分辨率和方向分辨率之间有 个很好的权衡关系，同时可以提高图像的空间分辨率，使图像看起来更加清晰。 在后期的图像处理上提出全分辨率光场渲染方法，本文将会展示出此方法的 过程及其程序的要点，并给出提高空间分辨率后的再聚焦结果图像，同时图像的 方向分辨率也会得到充分利用，本文中将会展示出图像的多维视角。根据多维视 角图可以计算出图像的深度位置，并且根据深度位置获取扩展景深图像，即全分 辨率图像，这样也扩展了图像的景深。最终，第二代光场相机的图像空间分辨率 和方向分辨率都会有所提高，同时在景深上也会有所扩展，从而更能满足现代摄 影师们的期望。本文中还将介绍了一下实验装置及结果，给出一些光场相机的改 进方法和后期图像处理的界面。最后对文章做以总结给出了不足及待改进的方向。 关键词：第一代光场相机，第二代光场相机，再聚焦，全分辨率渲染，多维视角 AB ABSTRACT II II ABSTRACT Light field imaging as a new direction of imaging technology can refocuse images after an exposure, by computer processing rather than mechanical focus. It can also achieve 3D restruction and improve depth of field. These advantages will promote development of light field imaging in many industries. In this paper, the traditional plenoptic camera, which is achieved by inserting a microlens array between the sensor and the main lens in the traditional camera are investigated. This process using the plenoptic camera is light field photography. It can capture both spatial (or position) and angular (or direction) information, i.e., the full four-dimensional radiance, of a scene in a single photographic exposure. The hand-held plenoptic camera appeared in 2005, which is also called the plenoptic 1.0 camera, and the microlens array is fixed a microlens’focal length in front of the image sensor. Then the camera focuses the main le