基于相機(jī)陣列混疊評(píng)價(jià)的測距系統(tǒng)

天津大學(xué)

薛博文，沈佳慧，趙燕飛，茹明明，黃浩楊

1 作品介紹

自行設(shè)計(jì)的相機(jī)陣列測量系統(tǒng)主要由4×4相機(jī)陣列、16路圖像采集卡、高精度電動(dòng)位移臺(tái)組成。

目前主流的陣列相機(jī)圖像采集模式主要有兩種：單個(gè)相機(jī)＋高精度二維電控位移臺(tái)、實(shí)際裝配相機(jī)陣列。相較于前者，搭建實(shí)際的相機(jī)陣列可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)光場的采集，且其制造裝配精度更符合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的模式；而前者只能采集靜態(tài)場景的圖像且基本不考慮相機(jī)的制造裝配誤差問題，僅僅適用于原理性驗(yàn)證，距離實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用仍較遠(yuǎn)。因此本文實(shí)驗(yàn)裝置采用裝配相機(jī)陣列的模式。

相機(jī)陣列中的相機(jī)個(gè)數(shù)影響了角度采樣的密集程度，更密集的采樣有利于減少數(shù)字重聚焦之后的混疊現(xiàn)象，提升測量精度。但受制于體積和成本，相機(jī)個(gè)數(shù)的增加有上限，且隨著相機(jī)個(gè)數(shù)的增加，像質(zhì)的提高逐漸放緩。綜上考慮，確認(rèn)陣列為4×4的大小。由相似三角形原理得到：

式中：f為焦距；Z為物體距離；B為基線距離；d為視差大小。在一定范圍內(nèi)增加基線距離B，也即增加視差，有利于提高測量精度。但這也同樣受系統(tǒng)體積限制，綜合考慮采用30 mm的基線距離，系統(tǒng)長和寬均在150 mm左右。

考慮到相機(jī)陣列的體積限制，單個(gè)傳感器體積應(yīng)較小。因此采用面型小且成本低的SONY1/3英寸CCD圖像傳感器作為陣列單元。傳感器的數(shù)據(jù)接收使用Microvision公司MV-1528型圖像采集卡配合臺(tái)式電腦完成。采集卡可完成16路圖像的同步采集。

鏡頭經(jīng)過標(biāo)定，為焦距約7.91 mm的定焦鏡頭，接口為M12×0.5標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控鏡頭規(guī)格。由于制造裝配誤差，標(biāo)定時(shí)發(fā)現(xiàn)這一批16個(gè)鏡頭的焦距有約±0.4 mm的浮動(dòng)，可以在后續(xù)算法中進(jìn)行校正。

確定了相機(jī)陣列大小、傳感器參數(shù)和排布之后，還要考慮如何設(shè)計(jì)支架來盡量減小制造裝配誤差、提高裝置的精度，特別是保證16個(gè)相機(jī)的光軸互相平行且基線距離為30 mm。初版方案為多層夾板式，此方案下支架結(jié)構(gòu)簡單易加工。但是如果出現(xiàn)裝配誤差會(huì)導(dǎo)致所有的孔位出現(xiàn)偏移。因此，最終選擇單層板，加工為階梯孔的形式。支架的背面走線，正面安裝相機(jī)底座。材質(zhì)使用硬度更高、性狀穩(wěn)定的尼龍，尼龍支架由四角的M3銅柱固定，四個(gè)銅柱再連接內(nèi)層的鋁合金支架。

高精度電動(dòng)位移臺(tái)為Zolix公司生產(chǎn)的，單向移動(dòng)范圍達(dá)到1 m，滿足驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)要求。

2 技術(shù)原理

如圖1所示，相機(jī)陣列采集原始圖像后，根據(jù)提前標(biāo)定好的相機(jī)陣列內(nèi)外參數(shù)對(duì)子圖像進(jìn)行射影變換，通過疊加取均值獲得重聚焦圖像。隨后選取目標(biāo)物進(jìn)行子圖像之間的特征點(diǎn)匹配，通過計(jì)算序列圖像的方差評(píng)價(jià)因子得到物體與相機(jī)的縱向距離。物體和相機(jī)陣列主光軸之間的橫向距離由成像公式得出。在實(shí)際計(jì)算中可以先選定目標(biāo)物，隨后僅僅對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行變換，從而提高計(jì)算效率。

圖1 具體實(shí)施方案流程

在任意兩點(diǎn)間歐氏距離的測量實(shí)驗(yàn)中，由標(biāo)定結(jié)果的相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣以及平移矩陣計(jì)算出控制16張圖像平移的兩個(gè)4×4矩陣。因物體布置距離較遠(yuǎn)，且橫向范圍大，故本實(shí)驗(yàn)選擇將相機(jī)固定在直角板上。直角板固定在光學(xué)平臺(tái)上，保證相機(jī)陣列平面垂直于水平面。如圖2所示，物體A和物體B被放置于平坦的實(shí)驗(yàn)室地面上，高度分別為24.5 cm和17.6 cm。

圖2 1號(hào)相機(jī)采集的A、B兩物體圖像

改變兩個(gè)物體位置，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。將單個(gè)B物體放置于距離相機(jī)陣列40～400 cm的位置，每間隔10 cm進(jìn)行一次拍攝，共獲取37組圖像數(shù)據(jù)。因測量距離遠(yuǎn)，參考量值不再通過電控位移臺(tái)獲得。縱向距離參考量值由鋼卷尺測量。橫向距離參考量值由米尺測量。點(diǎn)擊選擇圖3所示的軟件界面中的“選擇圖像”按鈕可以將一組16張圖像錄入MATLAB進(jìn)行處理。

圖3 軟件界面

選擇目標(biāo)物后，點(diǎn)擊“物體A縱向距離”按鈕，即完成縱向距離計(jì)算。界面會(huì)顯示目標(biāo)物的特征匹配結(jié)果。

隨后根據(jù)每一個(gè)slope計(jì)算對(duì)應(yīng)“重聚焦”圖像的每一個(gè)特征點(diǎn)位置坐標(biāo)的方差。在計(jì)算過程中，slope值的步長取為0.01，范圍為（-120，0）。最終發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性顯著高于清晰度評(píng)價(jià)曲線。

使用鼠標(biāo)在圖像中的物體A和B上分別選取兩點(diǎn)，點(diǎn)擊“橫向距離測量”按鈕，完成物體A左側(cè)至物體B右側(cè)的橫向距離測量。同理可以完成垂直方向距離測量。最后根據(jù)式（1）計(jì)算兩點(diǎn)之間的歐氏距離。

式中：r為最終距離；W為橫向距離；H為垂直方向距離；Z為縱向距離。

為測量方便，在鼠標(biāo)選點(diǎn)步驟中，分別選取了圖4中物體A、B左右兩側(cè)的點(diǎn)。真實(shí)距離為28.2 cm，測量結(jié)果為28.0 cm，相對(duì)誤差為0.7%。考慮到鼠標(biāo)選點(diǎn)精確度較低，因此橫向測量結(jié)果相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)。兩物體縱向距離分別為80 cm和100 cm，相對(duì)誤差分別為5.86%和0.41%。

將物體在80～460 cm范圍內(nèi)按一定間隔布置，使用本系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，選取間隔120 mm的兩個(gè)相機(jī)上物體的相同點(diǎn)，進(jìn)行同等條件下基于雙目的深度估計(jì)。本方法與雙目測量結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

目前國內(nèi)對(duì)于光場測量的研究較少，已有的算法多為原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，即使用單個(gè)相機(jī)＋高精度電控位移臺(tái)的形式模擬陣列相機(jī)的成像效果，可以很方便地改變相機(jī)型號(hào)和采樣密度，但這些算法普遍沒有考慮相機(jī)的位置誤差等問題，這與實(shí)際應(yīng)用相差較遠(yuǎn)。在此基礎(chǔ)上，我們自行設(shè)計(jì)相機(jī)陣列，并以此為基礎(chǔ)完成整套算法的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）提出了一種陣列相機(jī)的總體設(shè)計(jì)方法，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，提升了現(xiàn)有相機(jī)陣列系統(tǒng)應(yīng)用場景的靈活性；

（2）設(shè)計(jì)了基于混疊效應(yīng)的深度估計(jì)算法，選擇因子評(píng)價(jià)重聚焦序列圖像的發(fā)散和匯聚程度，得益于誤差平均效應(yīng)，使得系統(tǒng)相比雙目具有更高的測量精度。

（3）提出了計(jì)算圖像上兩點(diǎn)間歐氏距離測量方法，通過鼠標(biāo)操作即可獲得空間中兩點(diǎn)之間的距離，提升了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度和可讀性。

以相機(jī)陣列為基礎(chǔ)的計(jì)算攝影技術(shù)可以從多個(gè)成本較低的相機(jī)中恢復(fù)出更高維度的信息，可用于對(duì)場景的深度估計(jì)。采用基于數(shù)字重聚焦的方法進(jìn)行深度估計(jì)，計(jì)算速度快，在機(jī)載成像、安全監(jiān)控、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測、顯微診斷等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。