仿生復(fù)眼全景立體成像關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光學(xué)成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科研等各個(gè)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(chǎng)小、分辨率低和三維信息缺失，無(wú)法滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)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(yú)眼透鏡和仿生復(fù)眼。曲面反射鏡和魚(yú)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(diǎn)，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(chǎng)、高分辨、畸變小和動(dòng)態(tài)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。目前仿生復(fù)眼的

2、實(shí)現(xiàn)方式可劃分為兩大類(lèi):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(jì)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(shí)際場(chǎng)合。本著實(shí)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(duì)象，探究實(shí)現(xiàn)全景立體成像的關(guān)鍵技術(shù)，本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新之處概括如下:
　?、?仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):基于視場(chǎng)無(wú)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(jì)方法。首先根據(jù)攝像機(jī)的垂直視場(chǎng)角，將預(yù)定視場(chǎng)劃分若干個(gè)緯度層，

3、然后再根據(jù)攝像機(jī)的水平視場(chǎng)角將各緯度層均分為若干個(gè)子視場(chǎng);最后通過(guò)分析子視場(chǎng)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(chǎng)重疊度的理論計(jì)算公式。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，本文設(shè)計(jì)了仿生復(fù)眼SCE和BCE，并對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了全景立體成像復(fù)眼PCE。
　?、?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(huì)給圖像采集帶來(lái)不便。基于相移法的抗模糊性，本文設(shè)計(jì)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

4、，實(shí)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(diǎn)排序方法。
　?、?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(diǎn)，將其應(yīng)用于多攝像機(jī)的全局標(biāo)定。當(dāng)公共視場(chǎng)較大時(shí)，直接將相位標(biāo)靶代替?zhèn)鹘y(tǒng)標(biāo)靶，置于公共視場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定;當(dāng)公共視場(chǎng)較小時(shí)，提出了標(biāo)靶平移法;當(dāng)無(wú)公共視場(chǎng)時(shí)，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(chǎng)較小，因此本文選擇標(biāo)靶平移法對(duì)其進(jìn)行全局標(biāo)定。

5、
　?、?全景圖像拼接:本文采用加速魯棒特征SURF對(duì)待拼接圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，計(jì)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(chǎng)景下，只需進(jìn)行一次圖像配準(zhǔn)，可實(shí)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。
　?、?全景立體成像:本文采用半全局立體匹配SGM算法，計(jì)算雙目視差圖。通過(guò)移動(dòng)雙目攝像機(jī)，獲得不同視場(chǎng)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(shí)現(xiàn)全景立