單傳感器全景立體環(huán)帶成像光學系統(tǒng)的研究.pdf

1、全景環(huán)帶光學成像系統(tǒng)是一種特殊的超廣角光學系統(tǒng)，進入系統(tǒng)的光線經(jīng)多次反射和折射進入轉(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°視場的物體按柱面投影的方式映射到一個環(huán)狀平面上，在全景監(jiān)控，管道探測等領域都有較為廣闊的應用前景。
　　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獲取物體

2、的距離信息。傳統(tǒng)的立體視覺都只針對某一個特定的方向，無法做到實時的采集周視環(huán)境的三維立體信息，為了實現(xiàn)某些需要無死角三維信息實時采集的需求，傳統(tǒng)的方法往往需要精密的光學設備與復雜的后期圖像處理的過程。
　　本文提出的利用全景環(huán)帶光學系統(tǒng)實現(xiàn)單傳感器立體信息獲取的設備與方法即可以解決以上的問題，采用兩個同軸放置的全景環(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，為了解決實驗中的

3、雜散光問題，還提出了一系列在優(yōu)化設計中即可抑制全景環(huán)帶透鏡雜散光的方法，并都予以了實驗驗證。
　　本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　1.介紹了全景立體成像的研究背景，大視場成像技術和傳統(tǒng)立體視覺獲取設備的分類、發(fā)展現(xiàn)狀、幾種典型實例以及各自的優(yōu)缺點。將全景和立體視覺相結(jié)合產(chǎn)生的集中光學系統(tǒng)和其基本原理，引出了一種基于全景環(huán)帶透鏡的獨特成像方式，以及其較有潛力的應用領域。
　　2.對全景環(huán)帶透鏡的有關參數(shù)結(jié)構(gòu)之間

4、的約束關系給出具體的數(shù)學表達關系，推導了主光線與各個表面交點的通用表達式，對優(yōu)化設計的方法予以概括，提出了針對全景環(huán)帶透鏡的評價方法，最后綜合其特點給出了全景環(huán)帶透鏡較有前景的幾類應用領域。
　　3.提出全景立體成像系統(tǒng)的基本成像原理，并建立了相應數(shù)學模型。詳細介紹了上下全景環(huán)帶透鏡單元的設計步驟，設計制造了一套原理樣機，并成功獲得預期的圖像。
　　4.對立體信息的提取過程進行了詳細介紹，給出了因入瞳漂移導致的基線長度變化的

5、解決方案，采用多項式擬合的方法得到了快速確定入射角與基線長度的方法。在圖像處理方面，給出了圖像展開算法與相關點匹配算法，最后用實驗驗證了該系統(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，給出了詳細的數(shù)學建模方法與抑制原則，并將其寫入優(yōu)化函數(shù)，設計制造了一套能夠抑制雜散光的全景環(huán)帶透鏡，并與光學參數(shù)相同的普通全景系統(tǒng)進行了軟件仿真與實物測試兩種對照，最終都可以驗證本文提出的設計