仿生复眼视觉系统模仿生物复眼的曲面多目结构,在实现大视场、大景深、三维信息探测、高速跟踪以及系统小型化等方向均具有巨大潜力,从而引起学术界的广泛关注。本文提出将仿生复眼视觉系统应用于高速运动目标的全景三维跟踪,并基于此目的设计了一个尺寸为60×60×50 mm3的紧凑复眼系统。基于对三维重构盲区与三维探测分辨率的分析设计了系统的结构参数,并从弥散斑大小与畸变分布两个角度出发分析了系统的成像质量。本系统可对物体进行多目成像,故可利用双目视觉的原理计算物体的三维位置信息与形貌信息。文中推导了复眼系统的成像模型与畸变模型,并利用Tsai两步标定法对复眼透镜进行了统一标定,获取了7个子眼的内参与外参,最后推导了三维信息获取的模型。为了分析系统的三维探测精度,建立了精度分析模型,分析了系统结构参数与探测距离对其三维探测精度的影响。为了将三维信息探测应用于高速运动目标,本文提出了一种高速三维跟踪策略。利用可开窗相机缩小图像曝光、传输与处理的面积,从而克服视场与空间分辨率对跟踪速度的制约。为了使得小面积的曝光窗口始终能够跟踪到高速运动的物体,利用卡尔曼滤波器对复眼系统所成的多个子像进行运动预测。复眼系统利用子眼分割大视场,故而目标在运动过程中会通过不同的子眼成像,必须准确判断参与成像的子眼以调整三维探测相关参数以及窗口位置。本文提出了一种利用复眼系统的结构特性判断参与成像的子眼的方法,文中分析了算法的耗时,在开窗大小为40×40(pix×pix)时每帧最少耗时为300μs左右,故最快跟踪速度为3000 fps。本文还基于复眼透镜的一体化多目结构,提出了一种基于极线约束的多基线匹配方法,从而实现多目标的高速三维跟踪。为验证复眼系统高速三维跟踪的性能,进行了5组实验,分析了三维跟踪的探测误差,对比了采集速度、目标运动速度以及探测距离对三维跟踪的影响,并验证了多目标三维跟踪的效果。实验结果表明,三维探测误差在X、Y方向上为0.4 mm左右,在Z方向为11 mm左右;提高采集速度有利于发现运动细节;目标距离最佳探测深度越远,重构误差越大;进行双目标跟踪时,距离中央子眼光轴较近的目标重构精度较低。本实验得出的结论为用于全景高速三维探测的复眼跟踪系统的研制奠定了基础。