单传感器全景立体环带成像光学系统的研究

摘要

全景环带光学成像系统是一种特殊的超广角光学系统，进入系统的光线经多次反射和折射进入转向镜组，并最终成像在传感器上。这种系统能在保持结构体积紧凑的前提下将360°视场的物体按柱面投影的方式映射到一个环状平面上，在全景监控，管道探测等领域都有较为广阔的应用前景。
　　普通传感器获得的都是二维的图像信息，拍摄者与之间物体的距离信息在投影过程中丢失，而立体成像是一种依靠多镜头或是多次拍摄来还原立体信息的方法，能在获取平面图像的同时获取物体的距离信息。传统的立体视觉都只针对某一个特定的方向，无法做到实时的采集周视环境的三维立体信息，为了实现某些需要无死角三维信息实时采集的需求，传统的方法往往需要精密的光学设备与复杂的后期图像处理的过程。
　　本文提出的利用全景环带光学系统实现单传感器立体信息获取的设备与方法即可以解决以上的问题，采用两个同轴放置的全景环带透镜，在无遮拦的情况下成在同一个像面上。上方单元成像在下方单元的盲区中，且成像区域互不影响。此外，为了解决实验中的杂散光问题，还提出了一系列在优化设计中即可抑制全景环带透镜杂散光的方法，并都予以了实验验证。
　　本文的研究内容主要包括以下几个方面:
　　1.介绍了全景立体成像的研究背景，大视场成像技术和传统立体视觉获取设备的分类、发展现状、几种典型实例以及各自的优缺点。将全景和立体视觉相结合产生的集中光学系统和其基本原理，引出了一种基于全景环带透镜的独特成像方式，以及其较有潜力的应用领域。
　　2.对全景环带透镜的有关参数结构之间的约束关系给出具体的数学表达关系，推导了主光线与各个表面交点的通用表达式，对优化设计的方法予以概括，提出了针对全景环带透镜的评价方法，最后综合其特点给出了全景环带透镜较有前景的几类应用领域。
　　3.提出全景立体成像系统的基本成像原理，并建立了相应数学模型。详细介绍了上下全景环带透镜单元的设计步骤，设计制造了一套原理样机，并成功获得预期的图像。
　　4.对立体信息的提取过程进行了详细介绍，给出了因入瞳漂移导致的基线长度变化的解决方案，采用多项式拟合的方法得到了快速确定入射角与基线长度的方法。在图像处理方面，给出了图像展开算法与相关点匹配算法，最后用实验验证了该系统分辨周视物体距离的能力，并给出了误差分析。
　　5.提出了基于全景环带透镜的杂散光分析与抑制的方法，给出了详细的数学建模方法与抑制原则，并将其写入优化函数，设计制造了一套能够抑制杂散光的全景环带透镜，并与光学参数相同的普通全景系统进行了软件仿真与实物测试两种对照，最终都可以验证本文提出的设计原则可有效抑制全景光学系统中的杂散光。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 大视场成像技术的发展现状

1．2．1 图像拼接技术

1．2．2 鱼眼镜头

1．2．3 折反式全景光学系统

1．2．4 全景环带光学系统

1．3 传统立体视觉设备的发展现状

1．3．1 多镜头固定式立体视觉系统

1．3．2 单镜头扫描式立体视觉系统

1．4 全景立体光学系统介绍

1．4．1 拼接式全景立体光学系统

1．4．2 折反射全景立体光学系统

1．4．3 全景环带立体光学系统

1．5 论文内容安排

1．6 本论文创新点

第二章 全景环带光学系统的发展与光学特性

2．1 PAL系统的仿生学研究

2．2 PAL系统的实用化过程

2．3 PAL系统的发展及应用现状

2．3．1 PAL系统的国外发展现状

2．3．2 PAL系统的国内发展现状

2．4 PAL系统与传统全秉系统的比较

2．4．1 PAL系统与鱼眼镜头的差异

2．4．2 PAL系统与折反式全景系统的差异

2．4．3 PAL系统与图像拼接方法的差异

2．5 PAL系统的光学特性

2．5．1 PAL系统的物像投影关系

2．5．2 PAL系统的数学模型

2．5．3 PAL系统的光学参数

2．5．4 PAL系统与卡塞格林系统的差异

2．5．5 PAL系统的入瞳特点

2．6 PAL系统的设计过程

2．6．1 PAL系统的设计难点

2．6．2 PAL系统的评价标准

2．6．3 PAL系统的设计改进

2．7 PAL系统的适用范围

2．8 本章小结

第三章 全景立体成像系统的设计理论

3．1 全景立体成像系统的数学模型

3．1．1 双PAL系统的立体成像原理

3．1．2 双环带像面的区域分布

3．2 全景立体系统的设计细节

3．2．1 双PAL系统的畸变控制

3．2．2 入瞳漂移导致的基线距变化

3．2．3 连接上下PAL单元的原理

3．3 PAL系统杂散光的产生与一般控制方法

3．3．1 杂散光的危害

3．3．2 杂散光的计算和测量方法

3．3．3 PAL系统杂散光的来源

3．4 PAL系统杂散光抑制模型

3．4．1 折射面1反射引起的杂散光模型

3．4．2 折射面4反射引起的杂散光模型

3．5 本章小结

第四章 全景环带立体信息的提取过程

4．1 提取深度信息的原理

4．2 深度信息的提取精度

4．3 系统标定的方法

4．4 图像处理方法

4．4．1 环带图像展开算法

4．4．2 相关点匹配算法

4．5 本章小结

第五章 全景环带立体成像系统的设计与仿真

5．1 全景立体成像系统的设计

5．1．1 下方PAL单元的杂散光控制

5．1．2 下方PAL单元设计

5．1．3 下方PAL单元的反向设计

5．1．4 上方PAL单元设计

5．1．5 组合上下PAL单元

5．2 全景立体成像系统的性能仿真

5．2．1 光学系统的公差分析

5．2．2 立体信息的理论提取精度

5．2．3 系统杂散光仿真

5．3 本章小结

第六章 全景环带立体成像系统的研制与立体信息提取

6．1 样机加工与装调

6．1．1 机械结构设计与加工

6．1．2 系统装调

6．2 样机立体信息提取实验

6．2．1 样机图像的获取

6．2．2 样机基线与畸变的标定

6．2．3 深度信息的提取

6．2．4 深度信息的提取

6．3 系统抗杂散光实验

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 未来展望

7．2．1 无盲区PAL系统

7．2．2 望远与全景相结合的系统

7．2．3 可变焦PAL系统

7．2．4 弯曲像面的PAL系统

7．2．5 基于自由曲面的PAL系统

7．2．6立体投影PAL系统

攻读博士学位期间所取得的科研成果

参考文献