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用于目标三维探测的复眼系统设计研究

马孟超  
【摘要】:非接触式定位相比于接触式定位具有独特的优势,而基于视觉的目标三维定位作为非接触式测量的重要手段之一,在国民生产生活以及国防、航空航天等行业也得到越来越广泛地应用。随着计算机信息技术的高速发展,对光学系统的设计产生了极大的影响。从日常生活中的高速公路视频监控、小区内视频安防监控同时监控360度区域、虚拟现实、虚拟景点、公司远程视频会议、机器人导航,到现在越来越流行的超大屏幕超宽荧幕电影(比如iMax3D、中国巨幕等)的摄制,到嫦娥登月及玉兔上车载大视场成像装置,再到军事上用途广泛的微小型无人侦察机上的大视场成像探测装置,大视场成像及目标三维探测重构技术作为一个重要的研究课题,其应用范围也越来越广泛。 现有的大视场成像装置种类比较多。鱼眼镜头可以获得大视场的场景,但是其成像有明显的径向畸变;而且即使使用数字图像处理技术纠正了畸变,也存在分辨率不高的问题;另外,一般的广角镜头为纠正像差,通常需要7组以上的球面或非球面透镜组。而昆虫复眼以其体积小、结构紧凑、视场角大、对运动物体反应灵敏等而具有独特的优势,引起学者越来越多的关注,因而人工仿生复眼是解决大视场无畸变成像技术比较优秀的方案。同时,由于复眼为多目视觉成像系统,还具有三维测量与重构的能力。国内外关于人工仿生复眼用于大视场范围内成像的研究很多,但是应用于大视场空间物体三维测量的应用却很少见。因而本文正是着眼于复眼多孔径成像用于空间三维测量以及空间物体三维重构的。 本文在前人研究的基础上,提出了一种结构简单、功能实用的用于空间三维测量的复眼系统设计方案,并以该系统为研究对象,探索研究了子眼微透镜光学系统设计、大面阵图像采集系统、子眼通道在曲面复眼中的分布方案设计单个子眼标定、系统整体标定、系统用于空间发光点三维探测的原理及方法、复眼用于空间扩展物体的面形测量以及双复眼系统等内容,具体研究内容包括以下几个方面: (1)在基于传统球透镜作为微透镜阵列加大弯月透镜组成的复眼系统基础上提出以对数型锥透镜替代球透镜,提高系统焦深可以有效弥补按照曲面分布的各个子眼通道到图像传感器的距离不同而造成的离焦、图像模糊等问题。采用了图像增强算法,增强了光斑中心的亮度。提高了中心提取精度,因而提高了测量精度; (2)进一步优化子眼通道在曲面上的分布方式,提出基于正多面体细分的方案,并根据合理假设引入变形系数,使得子眼与子眼之间的距离更加均匀,填充比更高,因而提高了等效通光孔径,间接地提高了成像质量。另外,更加均匀的子眼分布使得在相同的复眼整体尺寸及相同的小透镜尺寸下可以放置更多的子眼通道; (3)在对相机标定方法调研分析的基础上,结合复眼系统实际情况,综合考虑子眼微透镜排列规律以及大弯月透镜的影响,提出了使用纵横式正弦光栅标靶及二维相位跳变点检测的单子眼标定方法,为复眼整体标定提供可靠保证; (4)通过分析复眼空间三维定位的原理,以及对比基于标靶面与复眼中各个子眼微透镜中心来确定空间发光点的入射光方向的方法,提出了使用多位置标定方法对复眼进行整体标定的思路。。该思路基于先进的光场理论,而不拘泥于传统标定方法必须有一个共同的光轴、光心的假设。建立实验平台,使用与复眼系统保持垂直的大尺寸LCD显示器作为活动标靶,通过精密导轨前后平移大显示器,从而在多个平面内建立起空间点与图像光斑中心之间的映射关系。然后使用已经标定好的平面内的点的连线确定空间发光点的入射光直线方程,从而建立入射光直线与图像光斑中心之间的更为精确的映射关系,用于后续的三维定位任务; (5)通过分析复眼成像过程以及复眼空间三维位置定位过程这两个互逆的过程,提出复眼三维定位的基本原理、多通道识别算法、通过多子眼同时成像的光斑中心确定多条入射光线,并根据最小二乘法拟合得到这些入射光线的交点,从而确定空间点的三维位置。在点探测的基础上,通过结合二维激光扫描仪可以实现对扩展空间物体的三维面形重构; (6)由于各个子眼之间的基线较短,导致复眼三维测量系统横向分辨率较高(可达0.003rad),但是纵向分辨率比较差(可高达3mm)。为解决这个问题,使用了双复眼系统对空间物体进行三维探测,得到了等效大基线的测量效果,显著提高了纵向分辨率(提高至约0.7mmm)。


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