專利名稱：高分辨率增加的成像方法
背景發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及高分辨率攝影。更具體地說，本發(fā)明涉及通過使用角度移位的圖像傳感陣列來捕捉攝影圖像。
背景標(biāo)準(zhǔn)攝影已經(jīng)存在了幾十年。當(dāng)快門打開時(shí)，一個(gè)鏡頭或一組鏡頭將光線聚焦到感光乳膠上。鏡頭聚焦在離照相機(jī)某一距離的一個(gè)平面上，并且以可接受的焦距捕捉獲取該平面內(nèi)的以及在該平面前后方一定距離內(nèi)的事物。在其中可捕捉被可接受地聚焦的圖像的區(qū)域是景深。景深指示被拍攝的物體的更多的距離的特征以及它的周圍環(huán)境的聚焦。標(biāo)準(zhǔn)照片是從照相機(jī)觀察的聚焦平面的平面表示已經(jīng)出現(xiàn)了各種用于捕捉數(shù)字圖像的技術(shù)。數(shù)字照相正日益成為主流。使用現(xiàn)在可以在市場(chǎng)上買到的百萬像素照相機(jī)能捕捉較高分辨率的圖片。數(shù)字圖像的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠在計(jì)算機(jī)上對(duì)它們進(jìn)行處理。更特別的是，數(shù)字圖像能夠被放大，以便查看該圖像的細(xì)節(jié)。在比較快地連續(xù)縮放時(shí)，現(xiàn)有數(shù)字照相機(jī)一般景深和分辨率會(huì)使圖像受損。
附圖的簡要說明本發(fā)明通過示例而不通過限制的方式在附圖中得以說明，附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。應(yīng)當(dāng)注意，說明書中所指的“一個(gè)”實(shí)施例對(duì)于相同的實(shí)施例不是必要的，這種表示意味著有至少一個(gè)實(shí)施例。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的完全聚焦的捕捉系統(tǒng)的示意圖。
圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的捕捉完全聚焦的圖像的流程圖。
圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的掃描一個(gè)物體的流程圖。
圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)系統(tǒng)的示意圖。
圖5是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
詳細(xì)說明圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的完全聚焦的捕捉系統(tǒng)的示意圖。捕捉設(shè)備10繞一個(gè)軸進(jìn)行角度移位。通過一個(gè)弧掃過光程中的一些元件，圖像傳感器的聚焦區(qū)移動(dòng)通過整個(gè)目標(biāo)，從而捕捉到圖像數(shù)據(jù)。用在這里的“聚焦區(qū)”被認(rèn)為是捕捉設(shè)備在捕捉期間所傳感的元件的景象。在一個(gè)實(shí)施例中，捕捉設(shè)備10使用線性圖像傳感陣列(LISA)來捕捉組成照片的數(shù)據(jù)線。捕捉設(shè)備10可以是在申請(qǐng)?zhí)枮镹O.08/660,809，題目為“使用對(duì)于三維物體的圖像特征的強(qiáng)度梯度的數(shù)字變換器(DIGITIZER USING INTENSITY GRADIENT TO IMAGE FEATURES OFTHREE-DIMENSIONAL OBJECTS)”的共同未決的申請(qǐng)中所述的類型。這樣的捕捉設(shè)備使該系統(tǒng)能夠直接推出關(guān)于該物體的三維信息。這樣的三維數(shù)據(jù)可以被用于產(chǎn)生下文所述的完全聚焦的照片。但是，捕捉設(shè)備能夠得到關(guān)于目標(biāo)物體的三維信息不是本發(fā)明的重點(diǎn)。
假定捕捉設(shè)備10的光學(xué)系統(tǒng)在給定距離具有景深“d”。景深隨著與捕捉設(shè)備之間的距離的增加而增加。如前文所表明的，景深是在不改變鏡頭布置的條件下能夠獲得可接受聚焦的距離范圍。這里所用的深度是指從基準(zhǔn)到目標(biāo)表面上一點(diǎn)的距離(而不是例如目標(biāo)本身材料的厚度)。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，可接受的聚焦被定義為散焦模糊小于像素寬度的地方。表面凸紋大于d的目標(biāo)12不能在一次通過中被完全聚焦。這里所用的目標(biāo)可能是一個(gè)或多個(gè)物體或一個(gè)環(huán)境。因此，捕捉設(shè)備10建立了第一焦距r，以便例如對(duì)目標(biāo)的前邊緣34進(jìn)行焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。假設(shè)景深為d，則區(qū)域14中的所有點(diǎn)在第一次通過中被焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。但是，目標(biāo)12的超出區(qū)域14的部分，比如表面36和表面38，將是焦點(diǎn)沒對(duì)準(zhǔn)的。在接下來的通過中，建立焦距r′和r″，以便對(duì)區(qū)域16和18進(jìn)行焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，從而獲得表面36和38的聚焦。三次通過之后，已經(jīng)捕捉了目標(biāo)物體12的三個(gè)圖像。然后可以在捕捉設(shè)備內(nèi)或在主機(jī)(未示出)上對(duì)那些圖像加以合成，從而只為合成圖像選擇在該照片中的三幅圖像中被最佳聚焦的那些點(diǎn)。在某些實(shí)施例中，圖像可能被用于建立目標(biāo)的三維模型的合成紋理圖。因此，用在這里的“圖像”可包括紋理圖的全部或一部分。在一個(gè)實(shí)施例中，最佳聚焦可以通過在頻域中處理圖像而被確定。在相鄰像素之間的數(shù)據(jù)改變率最大的地方，特征邊緣的銳度較大，因此聚焦較好。這在頻域中反映為峰值。在另一個(gè)實(shí)施例中，關(guān)于物體的三維數(shù)據(jù)可以被用于從被捕捉的各個(gè)圖像中選擇像素。在這兩個(gè)例子中，能夠在合成的照片中獲得表面34、36和38的完全聚焦。盡管描述的是三次通過，但是公開的技術(shù)可以推廣到N次通過，其中N是任意大的數(shù)。
因?yàn)椴蹲皆O(shè)備基于角度移位進(jìn)行操作，所以必須加以平面假設(shè)來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)照片。那些偏離從捕捉設(shè)備10到目標(biāo)12的垂線的點(diǎn)將需要被縮放比例，以便為更大的距離進(jìn)行補(bǔ)償。另外，考慮到不管捕捉發(fā)生在平面的哪里都希望在各個(gè)捕捉之間具有相同的線性移位S這一事實(shí)，角度移位將在弧的邊緣縮短并在接近垂線處較長。如所示的，定義區(qū)20的兩個(gè)捕捉之間的角度移位小于定義區(qū)22的兩個(gè)捕捉之間的角度移位，而照片平面上兩個(gè)捕捉之間的線性移位保持為S。
在本發(fā)明的范圍和意圖之內(nèi)的是調(diào)整角速度同時(shí)保持穩(wěn)定的捕捉速率，或調(diào)整捕捉速率，同時(shí)保持穩(wěn)定的角速度，從而實(shí)現(xiàn)在捕捉之間一致的線性移位。根據(jù)數(shù)據(jù)捕捉或已知的目標(biāo)特性而在掃描期間動(dòng)態(tài)地改變捕捉之間的角度移位也在本發(fā)明的范圍和意圖之內(nèi)。例如，假定表面是均勻的，對(duì)于目標(biāo)12，在區(qū)域36的焦距處的表面34上的捕捉之間的接近移位的重要性可忽略不計(jì)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，捕捉設(shè)備10自動(dòng)改變移位之間的焦距，以補(bǔ)償與基準(zhǔn)位置之間的距離。例如，對(duì)于定義區(qū)20的捕捉的焦距將大于定義區(qū)22的焦距。以這種方式，在當(dāng)沒有捕捉設(shè)備10時(shí)該變化焦距將典型地具有由角度移位產(chǎn)生的聚焦圓柱體的地方，該捕捉設(shè)備10可以在圖像上疊加一個(gè)聚焦平面。該平面不需要垂直于捕捉設(shè)備10疊加，并且其它的捕捉模式(比如更接近地匹配于目標(biāo)12的表面凸紋)都在本發(fā)明的范圍和意圖之內(nèi)。
在一個(gè)實(shí)施例中，在開始實(shí)際圖像捕捉之前，圖像捕捉設(shè)備10執(zhí)行粗略的掃描，從而了解獲得完全聚焦的最終照片所需要的捕捉通過次數(shù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，捕捉設(shè)備10在預(yù)先設(shè)置的焦距開始捕捉，并反復(fù)捕捉連續(xù)的景深，直到已經(jīng)發(fā)生規(guī)定數(shù)量的通過。在另一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)從捕捉的數(shù)據(jù)中推斷并動(dòng)態(tài)地確定應(yīng)當(dāng)捕捉哪些附加的景深。
在一個(gè)實(shí)施例中，捕捉設(shè)備10通過一次或多次的通過來捕捉目標(biāo)12的外表面的紋理圖。用在這里的“外表面”被認(rèn)為是從捕捉設(shè)備觀察的該目標(biāo)物體的可見的表面，其中假定景深為無限。在某些實(shí)施例中，目標(biāo)物體可以由例如一個(gè)轉(zhuǎn)盤被相對(duì)于捕捉設(shè)備地重新放置。在一個(gè)實(shí)施例中，在物體由非連續(xù)寬光譜照明進(jìn)行照射時(shí)執(zhí)行捕捉，從而對(duì)于該捕捉不需要激光。
圖2是捕捉一個(gè)完全聚焦的圖像的流程圖。一般來說，將被拍攝的目標(biāo)包含一些凸紋，即深度特性。除了物體是弓形的限制情況，有可能凸紋比任何靜態(tài)成像設(shè)備的景深要大。因此，用焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的物體上任意特定焦點(diǎn)來捕捉圖像將必然造成其它點(diǎn)焦點(diǎn)沒對(duì)準(zhǔn)。因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在功能塊100識(shí)別將被掃描的物體的凸紋。然后在功能塊102確定理想的或?qū)⒈挥糜趧?chuàng)建完全聚焦的圖像的通過次數(shù)。舉例來說，如果所用的鏡頭組的景深是“1”，將需要三次通過來獲得具有2.5″凸紋的物體的完全聚焦的圖像。在功能塊104，捕捉設(shè)備被設(shè)置為具有第一景深。在功能塊106，以第一景深對(duì)該物體進(jìn)行掃描。在功能塊108，景深增加。在確定塊110，做出用于完全聚焦的通過次數(shù)是否被完成的確定。如果沒有完成，物體被重新掃描并且進(jìn)一步增加景深。當(dāng)用于完全聚焦的通過次數(shù)完成時(shí)，在功能塊112，從多個(gè)掃描中選擇像素以形成完全聚焦的圖像。在功能塊112中對(duì)于像素的選擇可作為該目標(biāo)物體的三維特性的了解結(jié)果而完成，或者通過觀察來自每個(gè)相應(yīng)的圖像的像素并比較對(duì)應(yīng)于同一區(qū)域的不同圖像中的像素的相應(yīng)聚焦來推斷。
圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的掃描一個(gè)物體的流程圖。在功能塊200，一個(gè)圖像捕捉設(shè)備繞一個(gè)軸進(jìn)行角度移位。在功能塊202，捕捉一個(gè)對(duì)應(yīng)于捕捉設(shè)備的當(dāng)前方位的線圖像。在功能塊204，捕捉之間的移位相對(duì)于與基準(zhǔn)位置之間的距離進(jìn)行調(diào)整。在功能塊206，調(diào)整線圖像的比例，與目標(biāo)平面保持一致。在功能塊208，做出目標(biāo)平面的捕捉是否完成的確定。如果捕捉?jīng)]有完成，則捕捉設(shè)備根據(jù)調(diào)整的移位速率重新有進(jìn)行角度移位，與功能塊200-206一致地執(zhí)行進(jìn)一步的線捕捉。如果目標(biāo)平面的捕捉完成，則在功能塊210將線圖像被組成一幅照片。
圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的示意圖。捕捉設(shè)備410捕捉位于視野414內(nèi)的目標(biāo)400的圖像。通過在捕捉設(shè)備410內(nèi)的線性圖像傳感器的聚焦區(qū)的連續(xù)移位來捕捉圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，線性圖像傳感器通過一個(gè)光圈線性地移位，用連續(xù)的線性捕捉來捕捉全部畫面。因?yàn)閷?duì)捕捉理想的目標(biāo)400的照片來說視野不夠?qū)?，所以在捕捉第一圖像后，圖像捕捉設(shè)備410自動(dòng)重新定位，從而改變它的視野為視野416。接下來的圖像可以通過捕捉設(shè)備410的聚焦區(qū)的線性移位來加以捕捉。示例的視野414和416互相重疊，而使目標(biāo)400的一部分被多余地捕捉。減小或降低這樣的重疊的量是在本發(fā)明的范圍和意圖之內(nèi)的，盡管一些重疊是希望的，它們用于確保不在邊緣丟失數(shù)據(jù)。捕捉的兩幅圖像可以被處理從而把它們拼接到一起，以便形成整個(gè)目標(biāo)400的一幅照片。重新定位可以是線性的而不是角度的，這也在本發(fā)明的范圍和意圖之內(nèi)。例如，捕捉設(shè)備410能夠沿著一個(gè)導(dǎo)桿(未示出)平移，從而沿著平行于導(dǎo)桿的一個(gè)平面捕捉連續(xù)的圖像。
圖5是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。在該實(shí)施例中，捕捉設(shè)備510在移動(dòng)通過一系列的角度移位時(shí)調(diào)整它的鏡頭組的焦距。這有效地建立了與目標(biāo)物體512一致的平面聚焦區(qū)。如果r是捕捉設(shè)備到理想焦點(diǎn)的垂直距離，則對(duì)另一個(gè)移位的焦距由r/θ給出。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整焦距，能夠捕捉一個(gè)平面表面的高分辨率圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，類似的聚焦調(diào)整被用于適當(dāng)?shù)卣{(diào)整焦距，其中與適當(dāng)?shù)娜顷P(guān)系相關(guān)聯(lián)的物體的三維深度數(shù)據(jù)被用于建立焦距。
在前面的說明中，已經(jīng)參照特定的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明。但是很明顯。在不脫離在附屬的權(quán)利要求中提出的本發(fā)明的較寬的精神和范圍的條件下能夠做出各種修正和改變。因此說明書和附圖應(yīng)被看作是說明性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括使線性圖像傳感陣列(LISA)的聚焦區(qū)進(jìn)行角度移位；為聚焦區(qū)的每次連續(xù)移位捕捉圖像的一部分；和把這些部分集合成一幅基本上沒有角度失真的照片。
2.按照權(quán)利要求1方法，其中集合包括根據(jù)捕捉該部分處的角度移位來調(diào)整圖像的這些部分的比例，以便為聚焦平面的距離進(jìn)行補(bǔ)償。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其中連續(xù)移位不全是等值的。
4.按照權(quán)利要求1的方法，還包括在捕捉發(fā)生時(shí)，根據(jù)目標(biāo)的特性來動(dòng)態(tài)地改變捕捉之間的角度移位。
5.按照權(quán)利要求1的方法，還包括根據(jù)從基準(zhǔn)位置的角度移位來自動(dòng)調(diào)整角速度。
6.按照權(quán)利要求1的方法，還包括自動(dòng)改變連續(xù)移位上的焦距，從而在相對(duì)于LISA的整個(gè)虛平面上保持可接受的聚焦。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其中LISA是光電二極管陣列和線性電荷耦合裝置(CCD)中的一個(gè)。
8.一種方法，包括連續(xù)移位線性圖像傳感陣列(LISA)的聚焦區(qū)；為連續(xù)移位捕捉圖像的一部分；把這些部分集合成第一聚焦平面的第一照片；自動(dòng)重新對(duì)準(zhǔn)捕捉設(shè)備；重復(fù)移位、捕捉和集合，以便創(chuàng)建第二聚焦平面的第二照片；和把第一照片拼接到第二照片。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其中連續(xù)移位是線性移位。
10.按照權(quán)利要求8的方法，其中連續(xù)移位是角度移位。
11.一種方法，包括在第一焦距捕捉目標(biāo)的第一圖像，該目標(biāo)所具有的凸紋大于在第一焦距處的成像裝置的鏡頭的景深；分析第一圖像的至少一個(gè)部分，以便確定是否需要附加的圖像來獲得目標(biāo)區(qū)域的可接受的聚焦；在第二焦距捕捉目標(biāo)的第二圖像；和合并來自第一圖像和第二圖像的數(shù)據(jù)以形成合成圖像，該合成圖像與第一圖像或第二圖像相比，它的可接受的聚焦處的全部區(qū)域的百分比更大。
12.按照權(quán)利要求11的方法，其中合并包括分析來自第一圖像和第二圖像的像素的對(duì)應(yīng)區(qū)域；和從對(duì)應(yīng)區(qū)域中選擇最清楚的像素為合成圖像的一個(gè)像素。
13.一種方法，包括獲取關(guān)于目標(biāo)的深度數(shù)據(jù)；從深度數(shù)據(jù)確定為了獲得目標(biāo)的可接受的聚焦所需要的可用的景深處的一些圖像；在連續(xù)的深度捕捉目標(biāo)的圖像，直到這些圖像已經(jīng)被捕捉；和合并來自圖像的數(shù)據(jù)以形成合成的圖像，該合成的圖像與任一個(gè)單一圖像相比，它的可接受的聚焦處的總區(qū)域百分比更大。
14.按照權(quán)利要求13的方法，其中合并包括分析來自在這些景深處捕捉的圖像的像素的對(duì)應(yīng)區(qū)域；和從對(duì)應(yīng)區(qū)域中選擇最清楚的像素為合成圖像的一個(gè)像素。
15.按照權(quán)利要求13的方法，其中合并包括從深度數(shù)據(jù)識(shí)別在特定深度處捕捉的圖像中的可能具有可接受的聚焦的區(qū)域；和組合來自所識(shí)別的區(qū)域的像素以形成合成圖像。
16.按照權(quán)利要求13的方法，其中獲取包括執(zhí)行目標(biāo)的最初掃描以獲取深度數(shù)據(jù)。
17.按照權(quán)利要求13的方法，其中獲取包括訪問包含關(guān)于物體的信息的數(shù)據(jù)文件。
18.按照權(quán)利要求13的方法，其中捕捉是使用線性圖像傳感陣列執(zhí)行的。
19.一種方法，包括通過捕捉設(shè)備的聚焦區(qū)相對(duì)于物體表面的連續(xù)角度移位，來捕捉用寬光譜非連續(xù)光照射的物體的圖像，聚焦區(qū)覆蓋小于物體的整個(gè)外表面；和從圖像中產(chǎn)生對(duì)于物體的三維模型的至少一個(gè)部分的紋理圖。
20.按照權(quán)利要求19的方法，其中捕捉設(shè)備包括線性圖像傳感陣列。
21.一種方法，包括通過捕捉設(shè)備的聚焦區(qū)相對(duì)于物體表面的連續(xù)線性移位來捕捉物體的圖像；和從圖像中產(chǎn)生物體的三維模型的至少一個(gè)部分的紋理圖。
22.按照權(quán)利要求21的方法，其中捕捉設(shè)備包括一個(gè)線性圖像傳感陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于捕捉目標(biāo)的高分辨率照片的方法和裝置。使線性圖像傳感陣列的聚焦區(qū)移位通過包含將被拍攝的目標(biāo)的整個(gè)區(qū)域。該移位可以是角度的或線性的，具有適當(dāng)?shù)目s放比例，以便產(chǎn)生最終的照片。通過改變聚焦深度，可以在一次或多次通過中將目標(biāo)的凸紋完全聚焦。
文檔編號(hào)H04N3/02GK1504046SQ02808485
公開日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2002年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月23日
發(fā)明者M·S·奈頓, D·S·阿加布拉, W·D·麥克金利, M S 奈頓, 阿加布拉, 麥克金利 申請(qǐng)人:內(nèi)克斯坦金公司