一种稀疏次级相机阵列的共心多尺度成像系统的研制

摘要

宽视场高分辨率成像在监控、军事、天文等领域有十分重要的意义，能够覆盖更多的目标并且能放大显示目标的细节。共心多尺度成像能够实现宽视场高分辨率成像，且能保证成像系统设计简单、结构紧凑。共心多尺度成像系统将成像过程分成主透镜成像和微型次级相机成像两个阶段，最后通过拼接次级相机所捕获的子图像，获得宽视场高分辨率图像。成像系统的共心光学设计能够拓展视场；同时多尺度结构结合计算成像理论，能够校正几何像差，提升成像系统的空间分辨能力。共心多尺度成像系统对主透镜和次级相机的要求不高，使得该系统的复杂度和成本远低于性能相近的其他光学系统。
　　本文主要研制了一种稀疏次级相机阵列的共心多尺度成像系统，并研究基于该系统的图像拼接算法。本文具体的研究内容概括为以下几点：
　　1、推导传统的单孔径成像系统的分辨率比例法则，揭示图像分辨率随光学系统镜头尺寸的增大而提升的规律；分析计算成像以及图像去模糊原理；将分辨率比例法则推广到计算成像中，分析计算成像中限制图像分辨率的因素，得出计算成像能有效提升图像分辨率的结论。
　　2、阐述共心多尺度成像系统设计思路及其基本结构；分析共心多尺度设计中重要的参数指标；依据设计指标选择合适的主透镜和次级相机；利用Zemax软件仿真，对主透镜进行像差分析；对主透镜和次级相机参数耦合情况进行研究，计算出次级相机与主透镜的位置关系；对次级相机渐晕与光阑、子视场交叠情况、次级相机排布情况进行分析，完成次级成像系统的设计。
　　3、根据主透镜、次级相机的结构、尺寸以及光路布局等设计参数进行系统机械外壳的设计；利用3D打印技术制造机械外壳，将主透镜、次级相机装配到机械外壳中，完成系统原理样机的构建；利用原理样机进行多通道图像同步采集工作。
　　4、针对本系统成像特性研究图像拼接算法：研究基于投影模型的畸变校正算法，对原理样机采集到的原始子图像进行图像变换，校正原始图像中存在的桶形畸变；对原理样机单个次级相机通道进行棋盘格标定实验以及分辨率靶标测试实验，估算出最终获得的图像的视场与分辨率；利用Canny算法提取校正后图像的边缘特征，并在子图像交叠区域内进行特征匹配，计算出图像配准参数；结合图像配准参数，对子图像进行图像融合，得到最终的宽视场图像；利用单组图像拼接过程中计算得到的参数建立适用于本成像系统的图像自动拼接程序。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3本文工作及章节安排

第二章 计算成像与共心多尺度成像原理分析

2.1传统成像系统的分辨率比例法则

2.2计算成像与分辨率比例法则

2.3共心多尺度成像原理

2.4本章小结

第三章 共心多尺度成像系统的设计与实现

3.1共心多尺度成像系统中的参数指标

3.2主透镜成像特性分析

3.3次级成像系统的设计

3.4成像系统机械外壳设计与加工

3.5系统装配与图像采集

3.6本章小结

第四章 基于共心多尺度成像的畸变校正与图像拼接

4.1畸变校正与图像旋转

4.2图像配准与图像融合

4.3图像自动拼接程序

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1论文总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

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