水下光场相机的光场成像参数控制方法及装置

1.本发明涉及计算摄像技术领域，特别是涉及一种水下光场相机的光场成像参数控制方法及装置。


背景技术：

2.海洋资源的探索领域对于水下成像和三维重建设备的需求越来越大，由于传统的单目相机无法获得物体的真实尺寸，双目或多目等设备体积较大，光场相机作为小体积、获取真实尺寸的三维成像设备，将其应用于水下具有重要意义。若在现有的水下光场相机中直接加上前端球壳，那么在空气中设计好的光场相机的性能会下降，进而影响光场或三维信息的获取质量。
3.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

4.为了解决现有水下光场相机的光场成像清晰度较低和视觉效果较差的技术问题，本发明的首要目的在于提供一种水下光场相机的光场成像参数控制方法。
5.本发明的另一目的是提供一种包括上述水下光场相机的光场成像参数控制方法的装置。
6.本发明通过如下技术方案加以实现：
7.一种水下光场相机的光场成像参数控制方法，包括如下步骤：s1、搭建包括光场相机和防水球壳的水下光场相机；其中，所述光场相机包括微透镜阵列、传感器以及含有主透镜的镜头；s2、获取所述光场相机的物理参数，搭建所述防水球壳的光线传播模型；s3、根据所述光线传播模型进行光线传播分析，获取光场相机的等效物距；s4、基于所述光场相机的微透镜阵列之间的视差以及所述光场相机的等效物距，标定所述水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心之间的最短距离；s5、基于所述光场相机的等效物距以及所述水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心的最短距离，优化获取水下光场相机的光场成像参数。
8.在本发明的一些实施例中，步骤s2中，所述光场相机的物理参数通过光场相机标定算法标定得到，具体包括：a1、寻找光场相机的聚焦平面，多次移动标定物，使得光场相机能够聚焦，并分别标定出光场相机的微透镜阵列到中继成像面的距离、微透镜阵列到传感器的距离；a2、给定聚焦情况下的未知物距ui，给定与物距ui深度差距为δui的二个平面标定板作为成像物，计算不同物距ui下同一物点对应的相邻微透镜下像点的绝对距离，得到聚焦情况下的物距u。
9.在本发明的一些实施例中，所述光场相机的微透镜阵列到中继成像面的距离、微透镜阵列到传感器的距离通过表达式(1)和表达式(2)分别标定出来：
[0010][0011]
和
[0012][0013]
其中，a、b分别为光场相机中微透镜阵列到中继成像面的距离和微透镜阵列到传感器的距离；l为聚焦情况下微透镜阵列中相邻两个微透镜同一物点对应两个成像点的绝对距离；f
mla
为微透镜阵列中单个微透镜的聚焦；d
mla
为微透镜阵列中单个微透镜的直径；
[0014]
所述计算不同物距下同一物点对应的相邻微透镜下像点的绝对距离，得到聚焦情况下的物距u，是通过表达式(3)和表达式(4)计算得到：
[0015][0016]
其中，v为所述镜头中主透镜的像距；δvi为根据微透镜阵列之间的视差得到的相机像距的差距值，f
main
为所述镜头中主透镜的焦距；
[0017][0018]
其中，li为不同物距下同一物点对应的相邻微透镜下像点的绝对距离。
[0019]
在本发明的一些实施例中，步骤s2中，所述防水球壳的光线传播模型的表达式如下：
[0020][0021]
其中，n
air
为空气的折射率；l
o'o
为防水球壳的厚度；l
o'a”为水下光场相机的主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点a”的距离，近轴物点a被防水球壳的外表面成像到点a'，防水球壳的内表面将第一次折射的光线再次折射，折射后光线的反向延长线交于近轴物点a对应的虚像点a”；n
shell
为防水球壳的折射率；n
water
为水体的折射率；o为水下光场相机的主光轴与防水球壳外表面的交点；d
object
为近轴物点a到水下光场相机的主光轴与防水球壳外表面的交点o的距离；o'为主光轴与防水球壳内表面的交点。
[0022]
在本发明的一些实施例中，所述近轴点a被防水球壳的外表面成像到点a'的关系的表达式如下：
[0023][0024]
其中，l
oa'
为点a'到主光轴与防水球壳外表面的交点o的距离；l
oc
为防水球壳外表面的半径；
[0025]
满足a”点的位置的表达式如下：
[0026][0027]
其中，l
o'c
为防水球壳的内表面的半径；l
o'a'
为主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点a'的距离。
[0028]
在本发明的一些实施例中，步骤s3中，所述光场相机的等效物距为近轴物点a对应的虚像点a”和所述镜头的主透镜之间的距离，表达式如下：
[0029]
l
a”m
＝l
o'a”+l
o'c
+e(8)
[0030]
其中，l
a”m
为所述镜头的主透镜的等效物距，l
o'a”为主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点a”的距离，l
o'c
为防水球壳的内表面的半径；e为防水球壳中心到所述镜头的主透镜的距离。
[0031]
在本发明的一些实施例中，步骤s4中，所述标定所述水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心之间的最短距离包括：s4-1、使用标定获得所述水下光场相机内部光场相机的光线与微透镜阵列的距离d和微透镜阵列到传感器的距离b；s4-2、根据相似三角形法则，代入标定值b，得到微透镜阵列的物距大小ab，表达式如下：
[0032][0033]
其中，d
mla
为微透镜阵列的单个微透镜的直径；p0和p1分别为标定物点b在微透镜阵列的相邻两个微透镜下的像点，为在像面上的绝对距离；
[0034]
s4-3、得到所述镜头的主透镜的像距，表达式如下：
[0035]
vb＝ab+d(10)
[0036]
s4-4、得到物点b的等效物距l
b”c'
，表达式如下：
[0037][0038]
其中，f为所述镜头的主透镜的焦距；
[0039]
s4-5、得到水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心之间的最短距离l
bound
，表达式如下：
[0040]
l
bound
＝l
b”c-l
o'c-l
o'b”(12)
[0041]
其中，l
o'c
为防水球壳的内表面的半径；l
o'b”为点主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点b对应的虚像点b”的距离。
[0042]
在本发明的一些实施例中，步骤s5中，所述优化获取水下光场相机的光场成像参数包括优化水下光场相机的光场成像清晰度和优化水下光场相机的视场角。
[0043]
在本发明的一些实施例中，优化得到水下光场相机的光场成像清晰度，表达式如下：
[0044][0045]
其中，v是所述镜头中主透镜的像距；l
a”m
是所述镜头中主透镜的等效物距；f为所述镜头中主透镜的焦距；δv就是像距v的改变值；
[0046]
优化得到水下光场相机的视场角，表达式如下：
[0047][0048]
本发明还提供一种水下光场相机的光场成像参数控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现如上项所述的方法。
[0049]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0050]
本发明通过搭建防水球壳的光线传播模型并进行光线传播分析，获取光场相机的等效物距以及标定水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心之间的最短距离进行优化获取水下光场相机的光场成像参数；当用于水下光场采集时，能够使得水下光场相机聚焦在水下物体上，使得水下光场相机能够捕获到清晰的图像，明显提高水下光场相机的光场成像清晰度；且能够使所述光场相机的镜头中的主透镜光心尽可能位于防水球壳中心，从而保证水下光场相机的视场角与空气中光场相机的视场角尽可能接近，明显改善水下光场相机的视场角，视觉效果更好，大大提高了水下光场相机的光场成像质量。
附图说明
[0051]
图1为本发明实施例中水下光场相机的光场成像参数控制方法的原理图；
[0052]
图2为本发明实施例中水下光场相机的示意图；
[0053]
图3为本发明实施例中水下光场相机的光线传播图；
[0054]
图4为本发明实施例中水下光场相机标定图；
[0055]
图5为本发明实施例中水下光场相机实际优化流程图；
[0056]
图6a为实施例2中光场相机在空气中的光场图像；
[0057]
图6b为实施例2中6a的子视角图像；
[0058]
图6c为实施例2中光场相机未经优化的水下光场图像；
[0059]
图6d为实施例2中6c的子视角图像；
[0060]
图6e为实施例2中光场相机优化后的水下光场图像；
[0061]
图6f为实施例2中6e的子视角图像；
[0062]
图7为本发明实施例中水下光场相机的光场成像参数控制方法的步骤流程图；
[0063]
附图标记如下：
[0064]
1为防水球壳、2为光场相机、3为防水舱、4为水下物体、5为主透镜、6为微透镜阵列、7为传感器、8为中继成像面、9为商业镜头。
具体实施方式
[0065]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0066]
本发明实施例旨在提出一种水下光场相机设计及优化方法，刻画了水下光场相机直接放到水下成像质量下降的原因，通过建模可以获得水下光场相机优化方法。通过优化方法获得的水下光场相机参数可以实际获得水下光场相机用于水下光场采集。
[0067]
本发明实施例的思想如附图1所示，首先分析如附图2所示的水下光场相机的光线
传播模型，光线传播模型如图3所示，本发明实施例以伽利略式水下光场相机(基于伽利略式光场相机搭建的水下光场相机)为例，开普勒式光场相机的推导可以直接替换为将成像中继面放在成像面前。首先使用几何光学分析球壳的光线传播模型，进而获取光场相机2的等效物距，使用微透镜之间的视差以及推导得到的水下光场相机的等效物距，标定水下光场相机球壳中心与作为光场相机2主镜头的商业镜头9光心之间的最短距离；最后使用推导得到的等效物距和水下光场相机球壳中心与商业镜头9光心的最短距离，获得水下光场相机参数优化方法。
[0068]
本发明实施例提供一种水下光场相机的光场成像参数控制方法，如图7所示，包括如下步骤：
[0069]
s1、搭建包括光场相机2和防水球壳1的水下光场相机；其中，所述光场相机2包括微透镜阵列6、传感器7以及含有主透镜5的镜头；s2、获取所述光场相机2的物理参数，搭建所述防水球壳1的光线传播模型；s3、根据所述光线传播模型进行光线传播分析，获取光场相机的等效物距；s4、基于所述光场相机2的微透镜阵列6之间的视差以及所述光场相机的等效物距，标定所述水下光场相机的防水球壳1中心与所述光场相机2的镜头光心之间的最短距离；s5、基于所述光场相机的等效物距以及所述水下光场相机的防水球壳1中心与所述光场相机2的镜头光心的最短距离，优化获取水下光场相机的光场成像参数。
[0070]
在具体的实施例中，步骤s2中，通过光场相机2标定算法标定得到光场相机2的物理参数。
[0071]
光场相机2的微透镜阵列6到中继成像面8的距离、微透镜阵列6到传感器7的距离通过表达式(1)和表达式(2)分别标定出来：
[0072][0073][0074]
其中，a、b分别为光场相机2中微透镜阵列6到中继成像面8的距离和微透镜阵列6到传感器7的距离；l为聚焦情况下微透镜阵列6中相邻两个微透镜同一物点对应两个成像点的绝对距离；f
mla
为微透镜阵列6中单个微透镜的聚焦；d
mla
为微透镜阵列6中单个微透镜的直径。
[0075]
通过表达式(3)和表达式(4)计算不同物距ui下同一物点对应的相邻微透镜下像点的绝对距离，得到聚焦情况下的物距u，表达式(3)和表达式(4)如下：
[0076][0077]
其中，v为所述镜头中主透镜的像距，δvi为根据微透镜阵列6之间的视差得到的相机像距的差距值，f
main
为所述镜头中主透镜5的焦距；
[0078][0079]
其中，li为不同物距下同一物点对应的相邻微透镜下像点的绝对距离。
[0080]
防水球壳1的光线传播模型的表达式如下：
[0081][0082]
其中，n
air
为空气的折射率；l
o'o
为防水球壳的厚度；l
o'a”为水下光场相机的主光轴与防水球壳1内表面的交点o'到点a”的距离，近轴物点a被防水球壳1的外表面成像到点a'，防水球壳1的内表面将第一次折射的光线再次折射，折射后光线的反向延长线交于近轴物点a对应的虚像点a”；n
shell
为防水球壳1的折射率；n
water
为水体的折射率；o为主光轴与防水球壳1外表面的交点；d
object
为近轴物点a到主光轴与防水球壳1外表面的交点o的距离；o'为主光轴与防水球壳1内表面的交点。
[0083]
近轴点a被防水球壳1的外表面成像到点a'的关系的表达式如下：
[0084][0085]
其中，l
oa'
为点a'到主光轴与防水球壳外表面的交点o的距离，l
oc
为防水球壳1外表面的半径；
[0086]
满足a”点的位置的表达式如下：
[0087][0088]
其中，l
o'c
为防水球壳1的内表面的半径；l
o'a'
为主光轴与防水球壳1内表面的交点o'到点a'的距离。
[0089]
在具体的实施例中，步骤s3中，光场相机的等效物距为近轴物点a对应的虚像点a”和所述镜头的主透镜5之间的距离，表达式如下：
[0090]
l
a”m
＝l
o'a”+l
o'c
+e(8)
[0091]
其中，l
a”m
为所述镜头的主透镜的等效物距，l
o'a”为主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点a”的距离，l
o'c
为防水球壳的内表面的半径，e为防水球壳1中心到所述镜头的主透镜5的距离。
[0092]
在具体的实施例中，步骤s4中，标定所述水下光场相机的防水球壳1中心与所述光场相机2的镜头光心之间的最短距离包括：
[0093]
s4-1、使用标定获得所述水下光场相机内部光场相机2的光线与微透镜阵列6的距离d和微透镜阵列6到传感器7的距离b；
[0094]
s4-2、根据相似三角形法则，代入标定值b，得到微透镜阵列6的物距大小ab，表达式如下：
[0095][0096]
其中，d
mla
为微透镜阵列6的单个微透镜的直径；p0和p1分别为标定物点b在微透镜阵列6的相邻两个微透镜下的像点，为在像面上的绝对距离；
[0097]
s4-3、得到所述镜头的主透镜5的像距，表达式如下：
[0098]
vb＝ab+d(10)
[0099]
s4-4、得到物点b的等效物距l
b”c'
，表达式如下：
[0100][0101]
其中，f为所述镜头的主透镜的焦距；
[0102]
s4-5、得到水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心之间的最短距离l
bound
，表达式如下：
[0103]
l
bound
＝l
b”c-l
o'c-l
o'b”(12)
[0104]
其中，l
o'c
为防水球壳的内表面的半径，l
o'b”为主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点b对应的虚像点b”的距离。
[0105]
在具体的实施例中，步骤s5中，优化获取水下光场相机的光场成像参数包括优化水下光场相机的光场成像清晰度和优化水下光场相机的视场角。优化得到水下光场相机的光场成像清晰度，表达式如下：
[0106][0107]
其中，v是所述镜头中主透镜5的像距；l
a”m
是所述镜头中主透镜5的等效物距；f为所述镜头中主透镜5的焦距；δv就是像距v的改变值；
[0108]
优化得到水下光场相机视场角，表达式如下：
[0109][0110]
本发明实施例还提出一种水下光场相机的光场成像参数控制装置，包括处理器和存储器，存储器中存储有计算机程序，计算机程序可被处理器执行以实现如上任一项所述的方法。
[0111]
本发明实施例提出的水下光场相机成像模型和标定方法刻画了水下光场相机直接放到水下成像质量下降的原因，通过建模可以获得水下光场相机优化方法。通过优化方法获得的水下光场相机参数可以实际获得水下光场相机用于水下光场采集。
[0112]
在具体的实施方案中，可按下面方式操作。需要注意的是，在下面的实施过程中所述的具体方法(包括水下光场相机的结构、水下光场相机成像分析方法、参数优化方法)都仅为列举说明，本发明实施例所涵盖的范围不局限于所列举的这些方法。
[0113]
实施例1
[0114]
本实施例提出一种水下光场相机设计及优化方法，提出针对水下光场相机的参数设计优化问题的优化模型用于水下光场相机成像清晰度和视场角的优化，所述方法如下：
[0115]
s1：水下光场相机由光场相机2、防水球壳1和防水舱3组成，通过光场相机2标定算法标定出光场相机2的物理参数；
[0116]
s2：利用几何光学与光场理论，建模球壳的光线传播模型；
[0117]
s3：利用s2推导得到的球壳的光线传播模型，获得光场相机的等效物距；
[0118]
s4：使用微透镜之间的视差以及s3推导得到的光场相机的等效物距，标定水下光场相机球壳中心与作为光场相机2主镜头的商业镜头9光心之间的最短距离；
[0119]
s5：利用s3推导得到的等效物距和s4推导得到的水下光场相机球壳中心与商业镜
头9光心的最短距离，获得水下光场相机参数优化方法。
[0120]
一、步骤s1：水下光场相机包括光场相机2、防水球壳1和防水舱3，通过光场相机2标定算法标定出光场相机2的物理参数。
[0121]
首先寻找光场相机2的聚焦平面，多次移动标定物，使得光场相机2能够聚焦，并使用当前情况下视差标定出光场相机2的a、b值，对于伽利略式光场相机，其大小遵循如下公式：
[0122][0123][0124]
其中，a、b分别为微透镜阵列6到中继成像面8的距离和微透镜阵列6到传感器7的距离；l为聚焦情况下相邻两个微透镜同一物点对应两个成像点的绝对距离；f
mla
为微透镜的聚焦；d
mla
为微透镜的直径。
[0125]
给定聚焦情况下的未知物距ui，给定与物距ui深度差距为δui的二个平面标定板作为成像物，一次拍摄获取三个平面的光场图像；计算不同物距下同一物点对应的相邻微透镜下像点的绝对距离，得到聚焦情况下的物距u，满足约束(3)和约束(4)：
[0126][0127]
其中δvi为根据微透镜的视差得到的相机像距的差距值，f
main
为主透镜5的焦距。
[0128][0129]
其中d
mla
为微透镜的直径大小，li为不同物距ui下同一物点对应的相邻微透镜下像点的绝对距离，通过式(3)和式(4)解出相应的v，就得到了聚焦情况下的物距u。
[0130]
二、步骤s2：利用几何光学与光场理论，建模球壳的光线传播模型；
[0131]
如图3所示，在折射过程的第一阶段，近轴物点a被球壳的外表面成像到点a'：
[0132][0133]
其中，n
shell
为防水球壳的折射率；n
water
为水体的折射率；l
oc
为球壳外表面的半径；o为主光轴与球壳外表面的交点；c为球壳的中心；d
object
为物点a到点o的距离，l
oa'
为像点a'到点o的距离。
[0134]
折射过程的第2阶段，球壳的内表面将第一次折射的光线再次折射，折射后光线的反向延长线交于点a”。a”点的位置满足：
[0135][0136]
其中，l
o'c
为防水球壳的内表面的半径；o'为主光轴与球壳内表面的交点；l
o'a'
为点o'到点a'的距离；l
o'a”为点o'到点a”的距离，n
air
为空气的折射率。
[0137]
最终得到能够得到l
o'a”与d
object
的关系：
[0138][0139]
其中，n
air
为空气的折射率；l
o'o
为防水球壳的厚度；l
o'a”为水下光场相机的主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点a”的距离，近轴物点a被防水球壳的外表面成像到点a'，防水球壳的内表面将第一次折射的光线再次折射，折射后光线的反向延长线交于点a对应的虚像点a”；n
shell
为防水球壳的折射率；n
water
为水体的折射率；o为主光轴与防水球壳外表面的交点；d
object
为近轴物点a到主光轴与防水球壳外表面的交点o的距离；o'为主光轴与防水球壳内表面的交点，这一等式给出了球壳对于光线的影响，即球壳的光线传播模型。
[0140]
三、步骤s3：利用s2推导得到的球壳的光线传播模型，获得光场相机的等效物距；
[0141]
虚像点a”和主透镜5之间的距离，也就是主透镜5的等效物距，写成：
[0142]
l
a”m
＝l
o'a”+l
o'c
+e(8)
[0143]
e为球壳中心到主透镜5的距离，m为主透镜5的光心，l
a”m
为主透镜5的等效物距。
[0144]
四、步骤s4：使用微透镜之间的视差以及s3推导得到的光场相机的等效物距，标定水下光场相机球壳中心与作为光场相机2主镜头的商业镜头9光心之间的最短距离；
[0145]
如图4，首先使用标定获得内部光场相机2的光线与微透镜阵列6的距离d和微透镜阵列6到传感器7的距离d。对于任意的近轴标定物点b，假设b在相邻两个透镜下的像点分别为p0和p1，其在像面上的绝对距离为则根据相似三角形法则，代入标定值b，则微透镜阵列6的物距大小ab满足如下表达式：
[0146][0147]
其中，为近轴物点在两个微透镜下成像点的绝对距离；d
mla
为单个微透镜的直径，主透镜5的像距进而可以通过下式得知：
[0148]
vb＝ab+d(10)
[0149]
由于物点b的等效物距，也就是l
b”c'
，遵循高斯公式，即：
[0150][0151]
l
b”c'
为物点b的等效物距，可以由式(4)获得；vb为物点b对应的主透镜5像距；f为主透镜5的焦距；
[0152]
水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心之间的最短距离l
bound
能够通过下式得到：
[0153]
l
bound
＝l
b”c-l
o'c-l
o'b”(12)
[0154]
其中，l
o'b”是点o'到点b对应的虚像点b”的距离，l
b”c'
为物点b的等效物距，其可以由式(11)给出；l
o'c
作为内球壳的半径，设计之初就可以获得。
[0155]
五、步骤s5：利用s3推导得到的等效物距和s4推导得到的水下光场相机球壳中心与商业镜头9光心的最短距离，获得水下光场相机参数优化方法。
[0156]
对于相机清晰度的优化，需要满足：
[0157][0158]
其中，v是主透镜5的像距；l
a”m
是主透镜5的等效物距；f为主透镜5的焦距；δv就是像距v的改变值。
[0159]
相机视场角的优化，主要包括：
[0160][0161]
本实施例的技术方案主要包含两部分，描述为式(13)和式(14)，其中式(13)是为了水下光场相机能够聚焦在水下物体4上，其原理为建模球壳折射模型，从而得到球壳折射后的等效物距，并使得主透镜5的像距作相应的调整，从而使得光场相机2能够捕获到清晰的图像；式(14)是使得光场相机2在能够装配的前提下，使得主透镜5的光心尽可能位于球壳中心，从而保证水下光场相机的视场角与空气中光场相机2的视场角尽可能接近。
[0162]
现有技术没有考虑球壳的影响，因而无法达到优化水下光场相机清晰度和视场角的目的。
[0163]
为了更清晰地阐述本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案以及有益效果，以下将结合附图5、附图6a至附图6f和实施例2，对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。需要强调的是，以下描述仅具有示例性质，并不旨在限定本发明实施例的范围和应用。
[0164]
实施例2
[0165]
实际优化流程图如图5所示。使用一个光场相机2和一个球壳搭建一个水下光场相机并得到δv和e的初值，这一初值是随意装配就能得到的。然后，通过球壳的几何参数，使用球壳的光线传播分析可以得到主透镜5的等效物距的表达式。进一步地，使用清晰度优化模型，也就是式(13)能够得到δv和e的一组解，这一优化会提升相机采集图像的清晰度。然后通过标定得到商业镜头9光心与球壳中心的最短距离l
bound
，并使用式(14)以及l
bound
进行优化的联合优化模型得到δv和e的唯一解，从而达到同时优化清晰度和视场角的目标。
[0166]
使用一个主透镜5焦距为20mm，主透镜5与微透镜间距离为17.85mm，微透镜的直径为0.38mm，微透镜的焦距为1.33mm，微透镜与传感器7之间距离为0.85mm，像素点大小为4μm为例，下面解释其流程。
[0167]
首先使用光场相机2直接拍图像，得到结果如图6a所示，即在空气中的光场图像，这一结果是作为基准值，即没有加上球壳放到水下时的光场图像，相应的提取到的子视角的图像如图6d所示。采用内径为50mm，外径为55mm的防水球壳1，将其如图2组装好放到水下，得到结果如图6b所示，这一结果为未经优化的水下光场相机捕获得到的水下光场图像，相应的提取到的子视角的图像如图6e所示。
[0168]
使用s2、s3、s4步骤，得到l
bound
＝0mm，等效物距为186mm。使用s5步骤，得到δv为2.205mm，e为0mm，优化后水下光场图像如图6c所示，这一结果为经过优化的水下光场相机捕获得到的水下光场图像，相应的提取到的子视角的图像如图6e所示。与未经优化的水下光场图像提取得到的子视角图像相比，其清晰度更高，视觉效果更好；且其视场角与没有加
上球壳放到水下时的光场图像提取到的子视角的图像即图6d更加接近，这证实了本实施例优化方法的有效性。
[0169]
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“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。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。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

技术特征：
1.一种水下光场相机的光场成像参数控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、搭建包括光场相机和防水球壳的水下光场相机；其中，所述光场相机包括微透镜阵列、传感器以及含有主透镜的镜头；s2、获取所述光场相机的物理参数，搭建所述防水球壳的光线传播模型；s3、根据所述光线传播模型进行光线传播分析，获取光场相机的等效物距；s4、基于所述光场相机的微透镜阵列之间的视差以及所述光场相机的等效物距，标定所述水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心之间的最短距离；s5、基于所述光场相机的等效物距以及所述水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心的最短距离，优化获取水下光场相机的光场成像参数。2.如权利要求1所述的水下光场相机的光场成像参数控制方法，其特征在于，步骤s2中，所述光场相机的物理参数通过光场相机标定算法标定得到，具体包括：a1、寻找光场相机的聚焦平面，多次移动标定物，使得光场相机能够聚焦，并分别标定出光场相机的微透镜阵列到中继成像面的距离、微透镜阵列到传感器的距离；a2、给定聚焦情况下的未知物距u
i
，给定与物距u
i
深度差距为δu
i
的二个平面标定板作为成像物，计算不同物距u
i
下同一物点对应的相邻微透镜下像点的绝对距离，得到聚焦情况下的物距u。3.如权利要求2所述的水下光场相机的光场成像参数控制方法，其特征在于，所述光场相机的微透镜阵列到中继成像面的距离、微透镜阵列到传感器的距离通过表达式(1)和表达式(2)分别标定出来：和其中，a、b分别为光场相机中微透镜阵列到中继成像面的距离和微透镜阵列到传感器的距离；l为聚焦情况下微透镜阵列中相邻两个微透镜同一物点对应两个成像点的绝对距离；f
mla
为微透镜阵列中单个微透镜的聚焦；d
mla
为微透镜阵列中单个微透镜的直径；所述计算不同物距u
i
下同一物点对应的相邻微透镜下像点的绝对距离，得到聚焦情况下的物距u，是通过表达式(3)和表达式(4)计算得到：其中，v为所述镜头中主透镜的像距；δv
i
为根据微透镜阵列之间的视差得到的相机像距的差距值，f
main
为所述镜头中主透镜的焦距；其中，l
i
为不同物距下同一物点对应的相邻微透镜下像点的绝对距离。4.如权利要求1所述的水下光场相机的光场成像参数控制方法，其特征在于，步骤s2中，所述防水球壳的光线传播模型的表达式如下：
其中，n
air
为空气的折射率；l
o'o
为防水球壳的厚度；l
o'a”为水下光场相机的主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点a”的距离，近轴物点a被防水球壳的外表面成像到点a'，防水球壳的内表面将第一次折射的光线再次折射，折射后光线的反向延长线交于近轴物点a对应的虚像点a”；n
shell
为防水球壳的折射率；n
water
为水体的折射率；o为主光轴与防水球壳外表面的交点；d
object
为近轴物点a到主光轴与防水球壳外表面的交点o的距离；o'为主光轴与防水球壳内表面的交点。5.如权利要求4所述的水下光场相机的光场成像参数控制方法，其特征在于，所述近轴点a被防水球壳的外表面成像到点a'的关系的表达式如下：其中，l
oa'
为点a'到主光轴与防水球壳外表面的交点o的距离；l
oc
为防水球壳外表面的半径；满足a”点的位置的表达式如下：其中，l
o'c
为防水球壳的内表面的半径；l
o'a'
为主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点a'的距离。6.如权利要求1所述的水下光场相机的光场成像参数控制方法，其特征在于，步骤s3中，所述光场相机的等效物距为近轴物点a对应的虚像点a”和所述镜头的主透镜之间的距离，表达式如下：l
a”m
＝l
o'a”+l
o'c
+e (8)其中，l
a”m
为所述镜头的主透镜的等效物距，l
o'a”为主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点a”的距离，l
o'c
为防水球壳的内表面的半径；e为防水球壳中心到所述镜头的主透镜的距离。7.如权利要求1所述的水下光场相机的光场成像参数控制方法，其特征在于，步骤s4中，所述标定所述水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心之间的最短距离包括：s4-1、使用标定获得所述水下光场相机内部光场相机的光线与微透镜阵列的距离d和微透镜阵列到传感器的距离b；s4-2、根据相似三角形法则，代入标定值b，得到微透镜阵列的物距大小a
b
，表达式如下：其中，d
mla
为微透镜阵列的单个微透镜的直径；p0和p1分别为标定物点b在微透镜阵列的相邻两个微透镜下的像点，为在像面上的绝对距离；s4-3、得到所述镜头的主透镜的像距，表达式如下：
v
b
＝a
b
+d (10)s4-4、得到物点b的等效物距l
b”c'
，表达式如下：其中，f为所述镜头的主透镜的焦距；s4-5、得到水下光场相机的防水球壳中心与所述光场相机的镜头光心之间的最短距离l
bound
，表达式如下：l
bound
＝l
b”c-l
o'c-l
o'b
” (12)其中，l
o'c
为防水球壳的内表面的半径；l
o'b”为主光轴与防水球壳内表面的交点o'到点b对应的虚像点b”的距离。8.如权利要求1所述的水下光场相机的光场成像参数控制方法，其特征在于，步骤s5中，所述优化获取水下光场相机的光场成像参数包括优化水下光场相机的光场成像清晰度和优化水下光场相机的视场角。9.如权利要求8所述的水下光场相机的光场成像参数控制方法，其特征在于，优化得到水下光场相机的光场成像清晰度，表达式如下：其中，v是所述镜头中主透镜的像距；l
a”m
是所述镜头中主透镜的等效物距；f为所述镜头中主透镜的焦距；δv就是像距v的改变值；优化得到水下光场相机的视场角，表达式如下：10.一种水下光场相机的光场成像参数控制装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现如权利要求1至9中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种水下光场相机的光场成像参数控制方法及装置，该方法包括：S1、搭建包括光场相机和防水球壳的水下光场相机；S2、获取光场相机的物理参数，搭建防水球壳的光线传播模型；S3、根据光线传播模型进行光线传播分析，获取光场相机的等效物距；S4、基于光场相机的微透镜阵列之间的视差以及等效物距，标定水下光场相机的防水球壳中心与光场相机的镜头光心之间的最短距离；S5、基于等效物距以及水下光场相机的防水球壳中心与光场相机的镜头光心的最短距离，优化获取水下光场相机的光场成像参数；本发明能够提高水下光场相机的光场成像清晰度；改善水下光场相机的视场角，视觉效果更好，提高了水下光场相机的光场成像质量。量。量。


技术研发人员：金欣 姜国泰
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/9