【摘要】：光學成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研等各個領(lǐng)域,涉及到人們生活的方方面面。傳統(tǒng)的單孔徑系統(tǒng)因視場小、分辨率低和三維信息缺失,無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的應(yīng)用需求。現(xiàn)有的全景立體成像技術(shù)主要包括曲面反射鏡、魚眼透鏡和仿生復眼。曲面反射鏡和魚眼透鏡均屬于單孔徑系統(tǒng),存在畸變大、分辨率有限等缺點,大大限制了其應(yīng)用范圍。仿生復眼作為一種多孔徑系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)緊湊、大視場、高分辨、畸變小和動態(tài)靈敏度高等優(yōu)點,引起人們越來越多的關(guān)注。目前仿生復眼的實現(xiàn)方式可劃分為兩大類:微透鏡陣列和攝像機陣列。其中,微透鏡陣列仍處于設(shè)計和制備階段,相比而言,攝像機陣列則更加成熟,已經(jīng)成功應(yīng)用于許多實際場合。本著實用化目的,本文選擇基于攝像機陣列的仿生復眼作為研究對象,探究實現(xiàn)全景立體成像的關(guān)鍵技術(shù),本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新之處概括如下:Ⅰ.仿生復眼結(jié)構(gòu)設(shè)計:基于視場無縫劃分和重疊度最小化原則,本文提出了一種仿生復眼的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。首先根據(jù)攝像機的垂直視場角,將預定視場劃分若干個緯度層,然后再根據(jù)攝像機的水平視場角將各緯度層均分為若干個子視場;最后通過分析子視場與攝像機的映射關(guān)系,確定攝像機的球面排布方式,并推導出了視場重疊度的理論計算公式。根據(jù)上述設(shè)計原則,本文設(shè)計了仿生復眼SCE和BCE,并對其進行擴展,設(shè)計了全景立體成像復眼PCE。Ⅱ.單目攝像機標定:傳統(tǒng)攝像機標定方法需要清晰的標靶圖像,這往往會給圖像采集帶來不便。基于相移法的抗模糊性,本文設(shè)計了三種相位標靶:圓光柵陣列、契形光柵陣列和彩色圓光柵陣列,實現(xiàn)了離焦攝像機的精確標定,這將大大降低遠景/近景成像系統(tǒng)的標定成本和難度。此外,本文還提出一種魯棒性較高的特征點排序方法。Ⅲ.多攝像機全局標定:本文利用相位標靶離焦性能好的優(yōu)點,將其應(yīng)用于多攝像機的全局標定。當公共視場較大時,直接將相位標靶代替?zhèn)鹘y(tǒng)標靶,置于公共視場進行標定;當公共視場較小時,提出了標靶平移法;當無公共視場時,提出了輔助攝像機法。仿生復眼中,相鄰攝像機公共視場較小,因此本文選擇標靶平移法對其進行全局標定。Ⅳ.全景圖像拼接:本文采用加速魯棒特征SURF對待拼接圖像進行配準,計算圖像間的透視矩陣,將所有圖像映射至同一視平面下,拼接獲得全景圖像。確定的場景下,只需進行一次圖像配準,可實現(xiàn)全景圖像的快速拼接。此外,進行畸變校正和顏色校正,有利于提升圖像拼接效果。Ⅴ.全景立體成像:本文采用半全局立體匹配SGM算法,計算雙目視差圖。通過移動雙目攝像機,獲得不同視場下的視差圖,并映射至同一視平面下獲取全景視差圖,進而實現(xiàn)全景立體成像。
【圖文】：

圖１．１曲面反射鏡、魚眼透鏡與仿生復眼的應(yīng)用實例逡逑目前常見的全景立體成像技術(shù)大體可分為三類［１２１：曲面反射鏡系統(tǒng)、魚眼透逡逑鏡系統(tǒng)以及仿生復眼。圖１．１分別展示了它們的應(yīng)用實例。曲面反射鏡系統(tǒng)主要逡逑由曲面反射鏡和普通攝像機組成，曲面鏡的面型一般為球面、橢球面、拋物面、逡逑圓錐面和雙曲面等［１３］。通常攝像機與曲面鏡光軸重合，且攝像機位于曲面鏡凸起逡逑的一側(cè)。周向３６０°的場景發(fā)出的入射光線，經(jīng)過曲面鏡反射作用，偏轉(zhuǎn)為與光軸逡逑夾角很小的反射光線，最后經(jīng)過鏡頭聚焦在圖像傳感器上。通過采用兩個曲面反逡逑射鏡［１４］或者結(jié)合結(jié)構(gòu)光傳感器便可以實現(xiàn)全景立體成像，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、逡逑成本低廉、實時性高，但是圖像畸變嚴重、分辨率有限、光軸方向存在視場盲區(qū)。逡逑魚眼透鏡系統(tǒng)使用超廣角的魚眼透鏡作為攝像機鏡頭，其中魚眼透鏡通常由多層逡逑鏡片組成

寒武紀早期，許多昆蟲為適應(yīng)周圍生存環(huán)境，進化出了復雜且強大的視覺器逡逑官一復眼，其對光強和顏色均具有一定的分辨能力，能夠幫助它們歸巢、覓食、逡逑求偶和避敵等［２３］。圖１．２展示了幾種具有復眼的昆蟲：蜻蜓、蜜蜂、螳螂、螢火逡逑蟲、蚊子和蟬。大多數(shù)復眼通常呈圓形、卵圓形或腎形，對稱地分布在昆蟲頭部逡逑的兩側(cè)，由成千上萬個子眼密集排列而成，如圖１．３所示的蒼蠅復眼。每個子眼逡逑都是一個感光單元，，指向各不相同，主要由角膜、晶錐、感桿束、色素細胞和基逡逑膜組成［２４］。昆蟲復眼的獨特結(jié)構(gòu)，決定了其許多獨特的視覺性能。逡逑５蜮復眼邐ａ眼結(jié)構(gòu)逡逑圖１．３昆蟲復眼的微觀結(jié)構(gòu)［２５］逡逑因為子眼數(shù)目龐大和昆蟲自身體型限制，子眼尺寸都比較小，其直徑一般從逡逑至１４（Ｖｍ不等。有限的通光量導致復眼的視距較短、分辨率較低，因此昆逡逑蟲只能辨別近距離物體的大致形狀，而無法看清物體的細節(jié)。相鄰子眼的夾角一逡逑般為丨？４°
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 馬嘉琳;張錦明;孫衛(wèi)新;;基于相機標定的全景圖拼接方法研究[J];系統(tǒng)仿真學報;2017年05期

2 鐘寶江;陸志芳;季家歡;;圖像插值技術(shù)綜述[J];數(shù)據(jù)采集與處理;2016年06期

3 王健;張振海;李科杰;許濤;石志國;張東紅;邵海燕;張亮;;全景視覺系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用[J];計算機測量與控制;2014年06期

4 王敏;周樹道;張水平;黃峰;;全景立體成像技術(shù)淺述[J];信息技術(shù);2014年05期

5 陳明君;劉業(yè)勝;李子昂;褚鑫;;仿生光學復眼設(shè)計及其制造技術(shù)研究新進展[J];機械工程學報;2011年01期

6 王旭東;葉玉堂;;CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發(fā)展趨勢[J];電子設(shè)計工程;2010年11期

7 白明;莊嚴;王偉;;雙目立體匹配算法的研究與進展[J];控制與決策;2008年07期

相關(guān)博士學位論文 前3條

1 盧鈺;大視場超高像素相機關(guān)鍵技術(shù)研究[D];中國科學技術(shù)大學;2016年

2 馬孟超;用于目標三維探測的復眼系統(tǒng)設(shè)計研究[D];中國科學技術(shù)大學;2014年

3 郭方;新型復眼定位裝置設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究[D];中國科學技術(shù)大學;2012年

相關(guān)碩士學位論文 前1條

1 范功書;多攝像頭成像的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其圖像拼接算法的研究[D];中國科學技術(shù)大學;2016年

本文編號：2555490