【摘要】：光學(xué)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�，F(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(fù)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(fù)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(fù)眼的實現(xiàn)方式可劃分為兩大類:微透鏡陣列和攝像機(jī)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(jī)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(jī)陣列的仿生復(fù)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(fù)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(fù)眼的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。首先根據(jù)攝像機(jī)的垂直視場角,將預(yù)定視場劃分若干個緯度層,然后再根據(jù)攝像機(jī)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(jī)的映射關(guān)系,確定攝像機(jī)的球面排布方式,并推導(dǎo)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(fù)眼SCE和BCE,并對其進(jìn)行擴(kuò)展,設(shè)計了全景立體成像復(fù)眼PCE。Ⅱ.單目攝像機(jī)標(biāo)定:傳統(tǒng)攝像機(jī)標(biāo)定方法需要清晰的標(biāo)靶圖像,這往往會給圖像采集帶來不便�；谙嘁品ǖ目鼓：�,本文設(shè)計了三種相位標(biāo)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(jī)的精確標(biāo)定,這將大大降低遠(yuǎn)景/近景成像系統(tǒng)的標(biāo)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(jī)全局標(biāo)定:本文利用相位標(biāo)靶離焦性能好的優(yōu)點,將其應(yīng)用于多攝像機(jī)的全局標(biāo)定。當(dāng)公共視場較大時,直接將相位標(biāo)靶代替?zhèn)鹘y(tǒng)標(biāo)靶,置于公共視場進(jìn)行標(biāo)定;當(dāng)公共視場較小時,提出了標(biāo)靶平移法;當(dāng)無公共視場時,提出了輔助攝像機(jī)法。仿生復(fù)眼中,相鄰攝像機(jī)公共視場較小,因此本文選擇標(biāo)靶平移法對其進(jìn)行全局標(biāo)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(jìn)行配準(zhǔn),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(jìn)行一次圖像配準(zhǔn),可實現(xiàn)全景圖像的快速拼接。此外,進(jìn)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(jī),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(jìn)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(fù)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(fù)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(jī)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(jī)與曲面鏡光軸重合，且攝像機(jī)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(yán)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(jī)鏡頭，其中魚眼透鏡通常由多層逡逑鏡片組成

寒武紀(jì)早期，許多昆蟲為適應(yīng)周圍生存環(huán)境，進(jìn)化出了復(fù)雜且強(qiáng)大的視覺器逡逑官一復(fù)眼，其對光強(qiáng)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(fù)眼的昆蟲：蜻蜓、蜜蜂、螳螂、螢火逡逑蟲、蚊子和蟬。大多數(shù)復(fù)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(fù)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(xì)胞和基逡逑膜組成［２４］。昆蟲復(fù)眼的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，決定了其許多獨(dú)特的視覺性能。逡逑５蜮復(fù)眼邐ａ眼結(jié)構(gòu)逡逑圖１．３昆蟲復(fù)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(dǎo)致復(fù)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(xì)節(jié)。相鄰子眼的夾角一逡逑般為丨？４°
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2555490