單傳感器全景立體環(huán)帶成像光學(xué)系統(tǒng)的研究.pdf

1、全景環(huán)帶光學(xué)成像系統(tǒng)是一種特殊的超廣角光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)的光線經(jīng)多次反射和折射進(jìn)入轉(zhuǎn)向鏡組，并最終成像在傳感器上。這種系統(tǒng)能在保持結(jié)構(gòu)體積緊湊的前提下將360°視場(chǎng)的物體按柱面投影的方式映射到一個(gè)環(huán)狀平面上，在全景監(jiān)控，管道探測(cè)等領(lǐng)域都有較為廣闊的應(yīng)用前景。
　　普通傳感器獲得的都是二維的圖像信息，拍攝者與之間物體的距離信息在投影過程中丟失，而立體成像是一種依靠多鏡頭或是多次拍攝來還原立體信息的方法，能在獲取平面圖像的同時(shí)獲取物體

2、的距離信息。傳統(tǒng)的立體視覺都只針對(duì)某一個(gè)特定的方向，無法做到實(shí)時(shí)的采集周視環(huán)境的三維立體信息，為了實(shí)現(xiàn)某些需要無死角三維信息實(shí)時(shí)采集的需求，傳統(tǒng)的方法往往需要精密的光學(xué)設(shè)備與復(fù)雜的后期圖像處理的過程。
　　本文提出的利用全景環(huán)帶光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單傳感器立體信息獲取的設(shè)備與方法即可以解決以上的問題，采用兩個(gè)同軸放置的全景環(huán)帶透鏡，在無遮攔的情況下成在同一個(gè)像面上。上方單元成像在下方單元的盲區(qū)中，且成像區(qū)域互不影響。此外，為了解決實(shí)驗(yàn)中的

3、雜散光問題，還提出了一系列在優(yōu)化設(shè)計(jì)中即可抑制全景環(huán)帶透鏡雜散光的方法，并都予以了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:
　　1.介紹了全景立體成像的研究背景，大視場(chǎng)成像技術(shù)和傳統(tǒng)立體視覺獲取設(shè)備的分類、發(fā)展現(xiàn)狀、幾種典型實(shí)例以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。將全景和立體視覺相結(jié)合產(chǎn)生的集中光學(xué)系統(tǒng)和其基本原理，引出了一種基于全景環(huán)帶透鏡的獨(dú)特成像方式，以及其較有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　2.對(duì)全景環(huán)帶透鏡的有關(guān)參數(shù)結(jié)構(gòu)之間

4、的約束關(guān)系給出具體的數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系，推導(dǎo)了主光線與各個(gè)表面交點(diǎn)的通用表達(dá)式，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法予以概括，提出了針對(duì)全景環(huán)帶透鏡的評(píng)價(jià)方法，最后綜合其特點(diǎn)給出了全景環(huán)帶透鏡較有前景的幾類應(yīng)用領(lǐng)域。
　　3.提出全景立體成像系統(tǒng)的基本成像原理，并建立了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。詳細(xì)介紹了上下全景環(huán)帶透鏡單元的設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)制造了一套原理樣機(jī)，并成功獲得預(yù)期的圖像。
　　4.對(duì)立體信息的提取過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，給出了因入瞳漂移導(dǎo)致的基線長(zhǎng)度變化的

5、解決方案，采用多項(xiàng)式擬合的方法得到了快速確定入射角與基線長(zhǎng)度的方法。在圖像處理方面，給出了圖像展開算法與相關(guān)點(diǎn)匹配算法，最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)分辨周視物體距離的能力，并給出了誤差分析。
　　5.提出了基于全景環(huán)帶透鏡的雜散光分析與抑制的方法，給出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模方法與抑制原則，并將其寫入優(yōu)化函數(shù)，設(shè)計(jì)制造了一套能夠抑制雜散光的全景環(huán)帶透鏡，并與光學(xué)參數(shù)相同的普通全景系統(tǒng)進(jìn)行了軟件仿真與實(shí)物測(cè)試兩種對(duì)照，最終都可以驗(yàn)證本文提出的設(shè)計(jì)