物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機控制方法

摘 要：光場相機由于其自身不需要對焦的優(yōu)勢在很多行業(yè)都得到了廣泛應用。但是光場相機還沒有實現(xiàn)對目標的定位和精確查找，限制了光場相機在當今物聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展。為了實現(xiàn)光場相機的精確定位和目標精密查找功能，使光場相機能夠給工業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)元宇宙、仿真工廠等行業(yè)的發(fā)展提供便捷的工具性服務，本文將光場相機的三維成像技術與通信裝置、指南針、三軸陀螺儀、定位裝置以及光場相機控制系統(tǒng)相融合，應用OCR文字識別功能和圖像查詢功能，實現(xiàn)對所拍攝物體進行精準三維圖像合成以及所在圖像的精確定位，并且在工業(yè)4.0的機器人車間精確展示出用戶當前所處的位置及當前位置周邊設備的分布，為設備的維修、管理等提供圖片參考。該方法可以為工業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)元宇宙、仿真工廠等的發(fā)展提供豐富的底層數(shù)據(jù)基座，推動我國工業(yè)新制造的發(fā)展。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；可定位；光場相機；三維照片；數(shù)字孿生地圖；三維深度信息

中圖分類號：TP39；TB879 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-04

0 引 言

在制造業(yè)的自動化、數(shù)字化、智能化轉型過程中，需要應用大量的機器視覺和物聯(lián)網(wǎng)相關技術，物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機可被廣泛應用于工業(yè)設備監(jiān)測、故障診斷、故障維修中，對拍攝物體進行三維圖像數(shù)據(jù)合成并進行精確定位，還能支持文字查詢、圖像搜索等功能，可在機器人車間精確展示出用戶當前所處的位置及當前位置周邊設備的分布，為設備的維修、管理等提供參考。

1 概 述

光場相機是“先拍照后對焦處理”的相機，光場相機吸收照射進相機的瞬間光線，測量場景內(nèi)的所有光線，然后重造三維光場，對場景進行還原。在這個過程中，光場相機收集光線，并將其轉化為多個1和0，再針對不同用途對數(shù)據(jù)進行處理。光場相機的核心在于兩部分，即光場感應器（硬件設施）和光場引擎驅動（軟件支持），前者類似于蒼蠅的復眼，能夠將場景中所有光線的波長、強度和方向一一撲捉，而后者則主要為后期圖像制作提供支持。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，普通相機已不能滿足當今物聯(lián)網(wǎng)的需求，光場相機由于其自身不需要對焦的優(yōu)勢在很多行業(yè)都得到了廣泛應用。但是，目前光場相機的應用主要針對普通大眾消費領域，例如3D效果和動畫效果制作等，而對于物聯(lián)網(wǎng)中目標的精確查找與定位還不夠“智慧”。例如，德國RAYTRIX 3D光場相機的具體實現(xiàn)方法為：先將光場相機安裝好，再拍攝照片并列印，并將需要定位的目標物體在打印出的照片中標出，使得目標物體在照片中的位置與實際物理位置對應，從而實現(xiàn)需要定位的目標物體的實際物理位置與照片中的位置對應。然而，上述方法費時費力，并且精確度不高。

物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機結合定位功能及指南針、陀螺儀等對拍攝照片中的物體進行定位，能夠精確確定每一物體在所拍攝照片中的精確位置，能實現(xiàn)3D照片及照片地圖等的合成。此外，還結合ORC文字查詢功能及圖像識別、圖像搜索查詢等功能，實現(xiàn)物體定位的智能化，方便用戶快速查找需要定位的目標物體并根據(jù)目標物體在照片地圖中的位置確定該物體的實際物理位置。

2 物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機實現(xiàn)方法

光場相機能夠記錄三維空間中光線的位置和角度信息，重建場景的三維深度信息[1]。光場的概念最早由Gershun[2-3]提出，用以描述光在三維空間中的輻射傳輸特性。Ng等[4]在主鏡頭和相機成像探測器之間放置微透鏡陣列，研制出光場相機，實現(xiàn)了單相機的光場獲取，但是這種傳統(tǒng)光場相機的分辨率較低。Georgiew 等[5-6]提出了光場相機2.0的設計，也稱為聚焦光場相機。聚焦光場相機的成像探測器不在微透鏡陣列的焦面上，減少了光線方向維度的采樣，用較低的方向分辨率換取相對更高的空間分辨率，有效提高了重聚焦圖像的成像分辨率。

物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機由存儲器、處理器、通信裝置、指南針、三軸陀螺儀、定位裝置以及光場相機控制系統(tǒng)組成，詳細如圖1所示。

指南針用于在光場相機拍攝照片時測量物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機的拍攝方向。三軸陀螺儀用于在物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝照片時測量物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機的拍攝角度。處理器用于獲取物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝的多張照片及物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝每一照片時的拍攝方向及拍攝角度，并根據(jù)每一照片的拍攝方向及拍攝角度將多張照片合成為三維照片。光場相機的處理器還包括識別模塊，用于識別物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝的照片上的文字，將照片上的文字轉換成可編輯文本，并將可編輯文本與其對應的照片關聯(lián)。處理器上還包括圖片識別模塊，可根據(jù)使用者輸入的圖片從物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機所拍攝的照片中搜索出與該使用者輸入的圖片相匹配的照片。定位裝置用于對物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機所在位置進行定位。物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機還包括通信裝置，用于實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機與遠端服務器之間的連接。

南京大學的張益昕認為[7]三維照片形成的方法是，首先采用高曝光圖像峰值檢測法對微透鏡陣列中心進行標定；然后利用標定得到的中心坐標數(shù)據(jù)對原始光場數(shù)據(jù)進行重映射得到4D光場；最后利用重積分與基變換的方法對獲取的4D光場數(shù)據(jù)進行處理，獲得光場重聚焦圖像。接下來采用交互式方法分割出場景中紋理較為復雜的部分；然后利用散焦深度圖結合分割出的場景重新定義原始場景的深度范圍；最后采用光場圖像散焦與相關性結合的方法得到量化級為256的深度圖。這里重新定義的深度范圍實質(zhì)就是光場圖像的重聚焦范圍。利用該方法在不增加深度生成時間的情況下，提高了深度圖的整體質(zhì)量，有利于對生成的深度圖像進行后期處理與應用。

利用光場原始圖像進行數(shù)字重聚焦獲取多幅不同深度的散焦圖像；再利用散焦方法生成一幅簡單的深度圖像；最后利用深度圖像確定每幅散焦圖像的具體聚焦位置以進行最后的全聚焦圖像生成。該方法突破了傳統(tǒng)基于圖像融合的全聚焦圖像生成算法的限制，能夠準確找出散焦圖像的聚焦區(qū)域，進行全聚焦圖像生成。

光場相機拍攝照片時控制光場相機上一定位裝置對光場相機所在位置進行定位；獲取光場相機拍攝每一照片時的位置信息，并根據(jù)每一照片的拍攝位置、拍攝方向及拍攝角度將多張照片合成一三維照片地圖。光場相機拍攝照片上的文字，將照片上的文字轉換成可編輯文本，并將可編輯文本與其對應的照片關聯(lián)。另外，根據(jù)使用者輸入的圖片從光場相機所拍攝的照片中搜索出與該使用者輸入的圖片相匹配的照片。

物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機不僅能夠精確確定物體在所拍攝照片中的精確位置，實現(xiàn)照片地圖等的合成，通過結合ORC文字查詢及圖像識別、圖像搜索查詢等功能，還可實現(xiàn)物體定位的智能化，方便使用者快速查找需要定位的目標物體，并根據(jù)目標物體在照片地圖中的位置確定該物體的實際物理位置，如圖2所示。

3 物聯(lián)網(wǎng)可定位相機實現(xiàn)流程

物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機用于特定場所，例如超市、生產(chǎn)車間、停車場、倉庫等空間內(nèi)進行拍攝。圖3是物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機控制方法的步驟流程。

南京信息工程大學的錢蕾認為[8]，不采用三角測量方式的測量方法局限于縱深物體的測量。也有人提出多相機系統(tǒng)的方式，即一個相機采集不到，別的相機能采集到。理論上，相機越多，最終結果完整性就越好，然而系統(tǒng)會變得越來越復雜，系統(tǒng)耗費更大。本文所用的光場相機的一次拍攝能夠獲取比傳統(tǒng)的CCD（Charge-Coupled Device， CCD）相機更加豐富的角度信息。我們通過將傳統(tǒng)結構光系統(tǒng)中的CCD相機替代為光場相機，構建新的結構光系統(tǒng)，將采集的多角度圖片生成的數(shù)據(jù)采取合適的方法融合，能夠一定程度上獲得比傳統(tǒng)結構光系統(tǒng)更加完整的三維數(shù)據(jù)。

三維照片地圖是指具有地圖功能的三維照片，光場相機拍攝照片時控制定位裝置對光場相機定位，從而獲取光場相機的位置信息和相對定位信息，例如工業(yè)4.0機器人車間某一編號的機器人機械手臂的末端等。根據(jù)照片的拍攝位置、拍攝方向及拍攝角度將多張照片合成為真實場景下的，符合實際位置、方向及角度的三維光場地圖，也可稱其為三維光場數(shù)字孿生地圖。

在合成的三維光場數(shù)字孿生地圖上，將照片上的文字內(nèi)容轉換成可編輯文本并將可編輯文本與其對應的照片關聯(lián)，便于用戶根據(jù)文字信息搜索照片。本文在文字信息搜索中采用光學字符識別（Optical Character Recognition， OCR）技術識別照片上的文字內(nèi)容并將文字內(nèi)容轉換為可編輯文本。

（1）控制模塊在物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝照片時發(fā)送控制指令控制物聯(lián)網(wǎng)定位，指南針測量物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機的拍攝方向，控制物聯(lián)網(wǎng)可定位三軸陀螺儀測量物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機的拍攝角度。

（2）獲取模塊獲取物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝的多張照片及物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝照片時的拍攝角度及拍攝

方向。

（3）合成模塊根據(jù)照片的拍攝方向及拍攝角度將多張照片合成為三維照片。

（4）控制模塊在物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝照片時控制物聯(lián)網(wǎng)可定位裝置對物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機的拍攝位置進行

定位。

（5）獲取模塊獲取物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝照片時對應的位置信息。

（6）合成模塊根據(jù)照片的拍攝位置、拍攝方向及拍攝角度將多張照片合成為三維照片地圖。

（7）文字識別模塊識別物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝的照片上的文字，將照片上的文字轉換成可編輯文本并將可編輯文本與其對應的照片關聯(lián)。

（8）圖片識別模塊用于從物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機所拍攝的照片中搜索出與該用戶輸入的圖片相匹配的照片。物聯(lián)網(wǎng)可定位控制模塊還可根據(jù)輸入的圖片確定該圖片在物聯(lián)網(wǎng)可定位三維照片地圖上所處的位置，并將物聯(lián)網(wǎng)可定位位置標示出來。

4 物聯(lián)網(wǎng)可定位相機的物聯(lián)網(wǎng)功能

本物聯(lián)網(wǎng)可定位通信裝置用于實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機與其他光場相機或遠端服務器之間的通信數(shù)據(jù)傳輸，物聯(lián)網(wǎng)可定位通信裝置可以是藍牙模組、WiFi模組、ZigBee模組等。

假定該模塊用來檢測產(chǎn)線的各設備是否正常運行，多個WiFi數(shù)據(jù)兼精確定位模塊發(fā)數(shù)據(jù)給云端數(shù)據(jù)存儲服務器，云端數(shù)據(jù)存儲服務器根據(jù)接收的多個WiFi數(shù)據(jù)兼精確定位模塊判斷檢測各設備是否正常運行，若發(fā)現(xiàn)某個設備的部件出現(xiàn)故障，例如模塊2設備出現(xiàn)故障，則將模塊2的位置信息發(fā)給云端位置存儲服務器，將所有拍攝的光場實物、3D圖像等進行定位，生成光場地圖，進行文字/圖片查詢，輔助實現(xiàn)實際導航功能。

云端位置存儲服務器查詢并傳回模塊2設備的精確光場圖片，包括設備詳細的3D光場照片和設備周圍的詳細3D光場照片，用于測算設備間的距離、判斷設備的結構及其復雜性、確定設備的檢修方法和檢修工具以及檢修路線，如圖4所示。

物聯(lián)網(wǎng)可定位三軸陀螺儀在物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝照片時用于測量物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機的拍攝角度，物聯(lián)網(wǎng)可定位裝置用于在物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝照片時對物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機所在位置進行定位，物聯(lián)網(wǎng)可定位裝置可以是GPR定位模組，也可以是室內(nèi)精確定位裝置。例如，采用谷歌室內(nèi)定位技術、諾基亞室內(nèi)定位技術、博通室內(nèi)定位技術、IndoorsAtlas室內(nèi)定位技術、Qubulus室內(nèi)定位技術的裝置。

物聯(lián)網(wǎng)可定位控制模塊還可控制物聯(lián)網(wǎng)可定位通信裝置將物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝的照片發(fā)送至其他光場相機或遠端服務器，方便用戶在遠程服務器端根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機拍攝的照片了解拍攝現(xiàn)場的情況。在物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機中，多個光場相機均可與遠端服務器通信，并將拍攝的照片及獲取的照片信息發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)可定位遠端服務器，物聯(lián)網(wǎng)可定位遠端服務器根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)可定位多個光場相機拍攝的照片進行三維照片地圖的合成。

5 結 語

伴隨著工業(yè)4.0的發(fā)展以及制造業(yè)的自動化、數(shù)字化、智能化轉型，需要應用機器視覺和物聯(lián)網(wǎng)相關技術，尤其在工業(yè)設備監(jiān)測、故障診斷、故障維修過程中，物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機可以實現(xiàn)對整個區(qū)域內(nèi)所有物體的精確定位，還能支持文字查詢、圖像搜索等功能，可在工業(yè)4.0機器人車間精確展示用戶當前所處位置及當前位置周邊設備的分布，為設備的維修、管理等提供參考。

物聯(lián)網(wǎng)可定位光場相機及其控制方法能夠應用于室內(nèi)、室外的精確拍攝定位，可以給工業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)元宇宙、仿真工廠等制造業(yè)的發(fā)展提供豐富的底層數(shù)據(jù)基座，推動我國工業(yè)智造的發(fā)展。

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