移动相机合成孔径成像研究

发布时间：2020-10-17 02:07

　　 多视合成孔径成像是一种新颖的视觉信息探测技术,该技术仅利用可见光传感器就可以获取遮挡目标的光学透视成像结果,能够显著提高严重遮挡、复杂背景干扰等条件下的对目标成像探测的性能,在安防监控、国防等领域具有重要的应用前景。传统合成孔径成像技术面临基线尺寸和采样点位置固定的问题,并且不适用于多介质场景成像。针对上述问题与局限性,论文对光场数据的移动与非结构化捕获以及跨介质条件下成像两类科学问题展开研究。该研究有利于将多视合成孔径成像探测技术进一步推广至车载、机载航拍等多种移动应用环境中,同时拓展水下场景等典型多介质场景中的信息感知维度与能力。论文对多视合成孔径成像技术的研究现状进行了较为全面的分析与研究,对合成孔径成像的数学描述、特点以及成像参数估计、聚焦面估计与成像场景可视性分析等关键技术进行了详细的归纳综述,为后续研究提供了有价值的参考。论文的主要工作与创新点如下:(1)提出了基于视觉与惯性测量数据的移动相机合成孔径成像方法,利用在平面上移动的单个相机模拟虚拟合成孔径的离散采样点,通过对成像过程中的几何性质进行分析,结合智能移动平台多传感器的特性,将用于生成合成图像的各视点投影矩阵分解成两部分,并分别利用惯性测量数据与视觉数据进行估计,降低了估计过程中的计算量。所提出方法可更为灵活地获得场景的多视点采样,所得成像结果优于传统成像方法。(2)提出了基于多移动相机的协作式合成孔径成像方法,将多个自由移动相机分为主、从两类,利用主相机所稀疏重建的场景三维地图构建主、从相机非结构化离散采样点之间的几何关系。利用所提出的主从协作式成像框架,可进一步提高对场景光场信息非结构化捕捉的灵活性,多个协作相机的引入提供了更多的被遮挡物的互补信息,从而提升了合成图像的去遮挡性能。(3)提出了基于多视约束的跨介质多视参数估计方法。在符合物理过程的折射成像模型假设下,对跨介质条件下的折射成像参数进行了分析。通过建立多视点的协同约束,对各视点的折射参数进行了精确估计。与现有方法相比,所提出方法依赖先验信息更少。定量分析结果表明,所得折射参数估计精度优于现有单视点估计方法。同时,结合成像需求,给出了折射场景光线描述方法并用于折射合成孔径成像,相关定量实验表明,基于多视约束所得参数的成像结果质量高于现有单视点估计方法的成像结果。(4)提出了基于线性移动相机的折射合成孔径成像方法。以视点的线性移动构建虚拟阵列,利用视点运动形式的几何性质,建立视点移动过程中的时变折射参数与图像观测量的约束,从而对时变参数进行在线估计。在此基础上,在多层平面折射模型假设下,对任意多层介质遮挡环境中的指定聚焦平面进行折射合成孔径成像。相关定量与定性实验表明,所提出方法能够同时处理多介质场景中的遮挡问题与因光线折射所带来的图像畸变问题。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;O43
【部分图文】：

?（ｂ）多视合成孔径成像过程??图１－１传统光学聚焦与多视合成孔径成像原理对比??图１－１给出了传统光学聚焦过程与合成孔径成像在成像原理上的对比。图１－１?（ａ）中，??位于聚焦平面上的某点通过透镜的光学系统折射至位于成像平面上的感光传感器从而??形成图像；图１－１?（ｂ）中所示的相机阵列系统同样对该点进行拍摄，将不同相机所拍摄各??图像上该点的对应像素定方式进行合成计算后，得到合成图像上的对应像素值。类??比传统光学成像过程，可将相机阵列系统视作一个虚拟透镜，阵列中各相机为该虚拟透??镜上的离散采样点，来自场景中物体的光线离散地投射至虚拟透镜上．，从而可称该虚拟??透镜的孔径为“合成孔径”，通过图１－１?（ｂ）可以看出，该合成孔径的尺寸应为多视系统??的基线大小，与传统光学成像相比，该孔径尺寸极大，因此成像结果中景深极小，仅在??聚焦面上的场景物体聚焦清晰，而位于聚焦面以外的场景各物体会出现严重的散焦模??糊

图１－３与脅成孔径成像相关的相机阵列系统??中亦出现了在应用领域或排布方式上有别于传统相机阵列的系统《?Ｂｅｌｄｅｎ等［２７］利用数??个Ｐｏｉｎｔ?Ｇｒｅｙ?Ｆｌｅａ２相机构建了用于测量流体速度场的相机阵列系统（图ｌ－３（ｄ）），利用??＃成孔轻成像屬理，设计了三维．合成孔径粒子圈像测速仪（Ｐａｒｔｉｃｌｅ?Ｉｍａｇｅ?Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）；??Ｙａｎｇ．等ｔ２８，２９］利用１＿２个Ａｘｉｓ２１１网络相机构建了一个場合布局的相机阵列系统．，该系统??由４个自顶向下视角的相机与１?ｘ?８的线阵构成，用于对场景中的运动目标进行实时检??测与定位，其布局示意图如图ｌ－３（ｅ）所示；受监控领域的主动ＰＴＺ?（ｐａｎ－ｔｉｌｔ－ｚｏｏｍ）相机??的自发，Ｙａｎｇ?＾３（）］将相机阵列系统与旋转云台相结合Ｃ图ｌ－３（ｆ）），类比ＰＴＺ相机的主??动聚焦过程，实现了合成图像的主动聚蕉，拓展了传统阵列系统进行合成孔径成像时的??感知范围《??对采集设备的精确标定是众多计算机视觉应用实现良好结果的重要前提条件之一?＞??逋常而言，标定过程可建立真实物理世界中的三维点与所采集图像中像素位置的几何映??

法进行了讨论，并用于折射合成孔径成像，所得成像结果既有透视成像效果，又去除了??由光线折射所引起的图像畸变。??图１－４同时给出了论文各研究内容与所针对问题的对应关系，以及各研宄内容间的??相互关系，全文研究的递进层次分为两类：首先，就成像场景中的介质个数而言，论文??首先针对单介质场景中的单、多移动相机的两类合成孔径成像问题展开研究，进而针对??跨介质条件下考虑光线折射的场景中进行成像问题的研宄？，其次，就视点的移动方式而??言，在单介质场景中，论文将传统基于相机阵列的成像方法拓展至单移动相机，并进一??１４??
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本文编号：2844111