光学成像系统广泛应用于工业、农业、国防、科研等各个领域,涉及到人们生活的方方面面。传统的单孔径系统因视场小、分辨率低和三维信息缺失,无法满足人们日益增长的应用需求。现有的全景立体成像技术主要包括曲面反射镜、鱼眼透镜和仿生复眼。曲面反射镜和鱼眼透镜均属于单孔径系统,存在畸变大、分辨率有限等缺点,大大限制了其应用范围。仿生复眼作为一种多孔径系统,具有结构紧凑、大视场、高分辨、畸变小和动态灵敏度高等优点,引起人们越来越多的关注。目前仿生复眼的实现方式可划分为两大类:微透镜阵列和摄像机阵列。其中,微透镜阵列仍处于设计和制备阶段,相比而言,摄像机阵列则更加成熟,已经成功应用于许多实际场合。本着实用化目的,本文选择基于摄像机阵列的仿生复眼作为研究对象,探究实现全景立体成像的关键技术,本文主要研究内容和创新之处概括如下:Ⅰ.仿生复眼结构设计:基于视场无缝划分和重叠度最小化原则,本文提出了一种仿生复眼的结构设计方法。首先根据摄像机的垂直视场角,将预定视场划分若干个纬度层,然后再根据摄像机的水平视场角将各纬度层均分为若干个子视场;最后通过分析子视场与摄像机的映射关系,确定摄像机的球面排布方式,并推导出了视场重叠度的理论计算公式。根据上述设计原则,本文设计了仿生复眼SCE和BCE,并对其进行扩展,设计了全景立体成像复眼PCE。Ⅱ.单目摄像机标定:传统摄像机标定方法需要清晰的标靶图像,这往往会给图像采集带来不便。基于相移法的抗模糊性,本文设计了三种相位标靶:圆光栅阵列、契形光栅阵列和彩色圆光栅阵列,实现了离焦摄像机的精确标定,这将大大降低远景/近景成像系统的标定成本和难度。此外,本文还提出一种鲁棒性较高的特征点排序方法。Ⅲ.多摄像机全局标定:本文利用相位标靶离焦性能好的优点,将其应用于多摄像机的全局标定。当公共视场较大时,直接将相位标靶代替传统标靶,置于公共视场进行标定;当公共视场较小时,提出了标靶平移法;当无公共视场时,提出了辅助摄像机法。仿生复眼中,相邻摄像机公共视场较小,因此本文选择标靶平移法对其进行全局标定。Ⅳ.全景图像拼接:本文采用加速鲁棒特征SURF对待拼接图像进行配准,计算图像间的透视矩阵,将所有图像映射至同一视平面下,拼接获得全景图像。确定的场景下,只需进行一次图像配准,可实现全景图像的快速拼接。此外,进行畸变校正和颜色校正,有利于提升图像拼接效果。Ⅴ.全景立体成像:本文采用半全局立体匹配SGM算法,计算双目视差图。通过移动双目摄像机,获得不同视场下的视差图,并映射至同一视平面下获取全景视差图,进而实现全景立体成像。