基于散射编码的新型无透镜光场成像与测量研究

Light field imaging, as one of the most representative theories and methods in computational imaging, can simultaneously record the spatio-angular information of optical signal, breaking through the dimensional limitation of optical signal detection in the traditional imaging system. In view of problems of the current light field imaging techniques on imaging performance, such as light efficiency, resolution and accuracy, this project intends to explore the novel method and system of lensless light field imaging and measurement with combination of scattering imaging. The research is carried out by three aspects: scattering-encoded light field imaging modeling, light field calibration and reconstruction, and light field depth measurement, aiming at achieving light-efficient, high-resolution light field imaging and high-accuracy light field measurement, and promoting theoretical development and practical application of light field imaging and measurement.

光场成像技术能够同时记录光信号的空间和角度信息，突破传统成像系统对光信号探测的维度限制，是计算成像领域最具代表性的理论和方法之一。鉴于目前光场成像技术在光效、分辨率和精度等成像性能上存在的问题，本项目拟结合散射成像技术探索新型的无透镜光场成像与测量方法和系统，围绕散射编码的光场成像建模、光场标定与重构、光场深度测量三个方面展开研究，旨在实现高光效、高分辨率光场成像以及高精度光场测量，推动光场成像与测量的理论发展和实际应用。

传统光场成像模式存在空间/角度/时间分辨率、光效、精度等成像性能相互制约的问题。为解决这些问题，本项目结合散射成像技术研究一种新型的无透镜光场成像模式，主要研究内容分为散射编码无透镜光场成像和结构光场三维成像与测量两大部分。.在散射编码无透镜光场成像中，引入散射板直接对入射光场进行随机编码，根据散射编码机理构建系统模型并设计标定策略，进而结合压缩感知从单帧二维图像解耦出高分辨率四维光场。.结构光场三维成像与测量有细分三个方面：（1）光场度量标定，首先引入三维测量系统标定出光线的度量空间-角度参数，实现光场光线标定；进一步通过结构光场的光线约束关系推导相位与深度的映射关系，实现结构光场相位-三维映射。研究光场物像空间的度量深度映射关系，分别通过隐式的近似模型和显式的光场成像系统建模两方面实现光场深度度量标定，在显式模型中考虑了光场成像畸变。（2）结构光场深度/三维成像，利用相位编码为光场成像提供高精度、高鲁棒性匹配特征，研究结构光场中不同深度线索的性能表现，并选用视差线索实现高精度结构光场深度估计；进一步在光场深度估计中考虑光场成像畸变所带来的影响，进而提高光场三维测量精度。通过对折叠相位编码场进行预处理，计算局部角度坐标的连续相位分布的视差响应，得到无歧义的深度值，无需进行相位展开。（3）结构光场条纹分析，首先利用光场物像空间的映射关系建立折叠相位的条纹级次与结构光场的相位一致性之间的关联性，基于光场成像特性实现绝对相位展开，无需增加额外的编码图案。进一步利用结构光场的正弦分布特性对局部角度坐标的辐射率进行处理，使用光场辐射率的角度方差进行无歧义深度估计，无需进行相位计算，实现结构光场单帧三维成像。.