仿生复眼全景立体成像关键技术研究

发布时间：2019-11-04 05:17

【摘要】：光学成像系统广泛应用于工业、农业、国防、科研等各个领域,涉及到人们生活的方方面面。传统的单孔径系统因视场小、分辨率低和三维信息缺失,无法满足人们日益增长的应用需求。现有的全景立体成像技术主要包括曲面反射镜、鱼眼透镜和仿生复眼。曲面反射镜和鱼眼透镜均属于单孔径系统,存在畸变大、分辨率有限等缺点,大大限制了其应用范围。仿生复眼作为一种多孔径系统,具有结构紧凑、大视场、高分辨、畸变小和动态灵敏度高等优点,引起人们越来越多的关注。目前仿生复眼的实现方式可划分为两大类:微透镜阵列和摄像机阵列。其中,微透镜阵列仍处于设计和制备阶段,相比而言,摄像机阵列则更加成熟,已经成功应用于许多实际场合。本着实用化目的,本文选择基于摄像机阵列的仿生复眼作为研究对象,探究实现全景立体成像的关键技术,本文主要研究内容和创新之处概括如下:Ⅰ.仿生复眼结构设计:基于视场无缝划分和重叠度最小化原则,本文提出了一种仿生复眼的结构设计方法。首先根据摄像机的垂直视场角,将预定视场划分若干个纬度层,然后再根据摄像机的水平视场角将各纬度层均分为若干个子视场;最后通过分析子视场与摄像机的映射关系,确定摄像机的球面排布方式,并推导出了视场重叠度的理论计算公式。根据上述设计原则,本文设计了仿生复眼SCE和BCE,并对其进行扩展,设计了全景立体成像复眼PCE。Ⅱ.单目摄像机标定:传统摄像机标定方法需要清晰的标靶图像,这往往会给图像采集带来不便。基于相移法的抗模糊性,本文设计了三种相位标靶:圆光栅阵列、契形光栅阵列和彩色圆光栅阵列,实现了离焦摄像机的精确标定,这将大大降低远景/近景成像系统的标定成本和难度。此外,本文还提出一种鲁棒性较高的特征点排序方法。Ⅲ.多摄像机全局标定:本文利用相位标靶离焦性能好的优点,将其应用于多摄像机的全局标定。当公共视场较大时,直接将相位标靶代替传统标靶,置于公共视场进行标定;当公共视场较小时,提出了标靶平移法;当无公共视场时,提出了辅助摄像机法。仿生复眼中,相邻摄像机公共视场较小,因此本文选择标靶平移法对其进行全局标定。Ⅳ.全景图像拼接:本文采用加速鲁棒特征SURF对待拼接图像进行配准,计算图像间的透视矩阵,将所有图像映射至同一视平面下,拼接获得全景图像。确定的场景下,只需进行一次图像配准,可实现全景图像的快速拼接。此外,进行畸变校正和颜色校正,有利于提升图像拼接效果。Ⅴ.全景立体成像:本文采用半全局立体匹配SGM算法,计算双目视差图。通过移动双目摄像机,获得不同视场下的视差图,并映射至同一视平面下获取全景视差图,进而实现全景立体成像。
【图文】：

实例图,鱼眼透镜,复眼,曲面

图１．１曲面反射镜、鱼眼透镜与仿生复眼的应用实例逡逑目前常见的全景立体成像技术大体可分为三类［１２１：曲面反射镜系统、鱼眼透逡逑镜系统以及仿生复眼。图１．１分别展示了它们的应用实例。曲面反射镜系统主要逡逑由曲面反射镜和普通摄像机组成，曲面镜的面型一般为球面、椭球面、抛物面、逡逑圆锥面和双曲面等［１３］。通常摄像机与曲面镜光轴重合，且摄像机位于曲面镜凸起逡逑的一侧。周向３６０°的场景发出的入射光线，经过曲面镜反射作用，偏转为与光轴逡逑夹角很小的反射光线，最后经过镜头聚焦在图像传感器上。通过采用两个曲面反逡逑射镜［１４］或者结合结构光传感器便可以实现全景立体成像，这种系统结构简单、逡逑成本低廉、实时性高，但是图像畸变严重、分辨率有限、光轴方向存在视场盲区。逡逑鱼眼透镜系统使用超广角的鱼眼透镜作为摄像机镜头，其中鱼眼透镜通常由多层逡逑镜片组成

微观结构,复眼,昆虫

寒武纪早期，许多昆虫为适应周围生存环境，进化出了复杂且强大的视觉器逡逑官一复眼，其对光强和颜色均具有一定的分辨能力，能够帮助它们归巢、觅食、逡逑求偶和避敌等［２３］。图１．２展示了几种具有复眼的昆虫：蜻蜓、蜜蜂、螳螂、萤火逡逑虫、蚊子和蝉。大多数复眼通常呈圆形、卵圆形或肾形，对称地分布在昆虫头部逡逑的两侧，由成千上万个子眼密集排列而成，如图１．３所示的苍蝇复眼。每个子眼逡逑都是一个感光单元，，指向各不相同，主要由角膜、晶锥、感杆束、色素细胞和基逡逑膜组成［２４］。昆虫复眼的独特结构，决定了其许多独特的视觉性能。逡逑５蜮复眼逦ａ眼结构逡逑图１．３昆虫复眼的微观结构［２５］逡逑因为子眼数目庞大和昆虫自身体型限制，子眼尺寸都比较小，其直径一般从逡逑至１４（Ｖｍ不等。有限的通光量导致复眼的视距较短、分辨率较低，因此昆逡逑虫只能辨别近距离物体的大致形状，而无法看清物体的细节。相邻子眼的夹角一逡逑般为丨？４°
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP391.41

【参考文献】