论文摘要
环带成像系统是全景成像系统的一种,在监视、监控、机器视觉等领域具有广阔的应用前景。全景成像系统通常可理解为是一种能把360°方位角空域内的景物投影到二维成像平面上的光学系统。不同于传统的三维透视投影法,环带成像系统采用了从柱面到平面的投影,因此具有不同的成像特性。环带成像系统的核心是环带镜头。本论文对环带镜头的特性、物像关系进行了深入的研究,提出了环带镜头的光瞳像差理论和环带镜头的双目立体视觉理论。在此基础上,本文还提出了一种基于液晶快门技术的高分辨环带成像系统,其视场超过水平面,并顺利完成了系统的设计、加工、装校和测试。文中对液晶快门进行了定性和定量的讨论,提出了双层的液晶盒结构,并将液晶快门安装在环带镜头的镜间。制作了带有镜间液晶快门和不带液晶快门的两款环带镜头,分辨率和MTF的对比测试结果证明加装液晶快门对成像质量降低的影响在本系统中可以忽略。本文对环带镜头中加装的液晶快门不能100%阻挡入射光而带来的拖影问题进行了深入的分析,并用遮阳机构解决了太阳光直射问题,用数字图像处理的方法进行了拖影补偿。对于视场超过水平面的环带图像,结合物像关系的分析,给出了图像展开的基准,并用实验进行了验证。论文具体研究内容如下:第一章介绍了课题研究背景,指出环带镜头可为实现全向和实时信息获取提供解决方法,对比了国内外现有的非凝视型和凝视型大视场成像技术,确定了本文的主要研究内容。第二章对PAL镜的光学特性进行了深入分析,指出了其像面照度优于一般全景镜头的特点。深入讨论了环带镜头的光瞳像差理论,建立了PAL镜的数学模型,提出了用多项式预报光阑球差的快速光线追迹法。第三章分析了常见的四种实现“非相似”成像的像高表达式,讨论了它们在环带成像系统中的像面放大率及畸变量。提出了利用满足f-θ投影关系的环带镜头实现双目立体视觉的理论,并结合管道内窥系统,提出了利用帧间图像测量物点距离,获取管道内径的方法,用环带镜头设计了一款管道内壁检测系统,给出了管道内径测量的实例和误差分析。第四章提出了一种将液晶盒作为光学快门的高分辨环带成像系统。为了考察液晶对成像质量的影响,设计并制作了带镜间液晶快门和不带液晶快门的两款高分辨、视场超水平面的环带镜头。对于成像系统读出的图像进行了预处理,重点讨论了如何补偿液晶不能完全关门所带来像面拖影。最后结合第三章分析的物像关系理论,研究了超水平面环带成像系统图像展开算法的特点,提出为了保证子午和弧矢方向放大率一致,图像展开的基准应为90°视场角所对应像面上的圆环,并给出了实验结果。第五章扭曲向列型液晶进行了定性的讨论和定量的分析,分析的结果可用于指导环带镜头中的液晶快关设计。最后给出了双层液晶盒结构的液晶快门,并给出了透过率的测试结果。第六章讨论了环带镜头的测试方法,包括分辨率测试和MTF测试。测试了两款环带镜头的光学性能,分析了测试系统中各组件对测试结果的影响,特别是CCD离散器件采样的影响。测试结果显示加装液晶快门并不会导致成像质量的明显下降,两款环带镜头的测试结果均符合我们的设计要求。最后一章对本文进行了总结,并提出了展望。
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摘要Abstract第一章 绪论§1.1 研究背景§1.2 非凝视型大视场成像技术现状§1.2.1 旋转扫描成像技术§1.2.2 多镜头拼接成像技术§1.3 凝视型大视场成像技术现状§1.3.1 鱼眼透镜成像技术§1.3.2 折反式全景成像技术§1.3.3 环带镜头成像技术§1.4 论文主要工作第二章 环带镜头光学特性§2.1 平面圆柱投影法§2.2 环带镜头基本光学性能§2.2.1 环带镜头光学系统结构§2.2.2 环带镜头焦距和景深§2.2.3 环带镜头视场范围§2.2.4 环带镜头的像面§2.3 PAL镜的两反结构§2.4 PAL镜的光瞳特点§2.4.1 PAL镜近轴条件下的入瞳§2.4.2 PAL镜大视场角的特性§2.4.3 PAL镜的光瞳§2.5 PAL镜光阑球差理论§2.5.1 超广角镜光阑球差理论§2.5.2 光线追迹法求PAL镜的光阑球差§2.5.3 多项式预报光阑球差值的快速光线追迹法§2.6 环带镜头的分辨率§2.7 环带镜头的像面照度分布4ω′的影响'>§2.7.1 cos4ω′的影响§2.7.2 渐晕效应§2.7.3 小结§2.8 本章小结第三章 环带镜头物像关系理论§3.1 环带镜头物像投影关系分析§3.1.1 环带镜头像高表达式§3.1.2 物像投影关系分析§3.1.3 结论§3.2 环带成像系统用于管道内壁检测§3.2.1 f-θ投影的物像点对应关系§3.2.2 等比例高宽映射§3.2.3 应用于管道内壁检测的环带成像系统实例§3.2.4 对f-θ投影关系的标定§3.3 环带成像系统应用于双目立体视觉§3.3.1 双目立体视觉理论计算§3.3.2 机器人双目视觉提取景物深度信息§3.3.3 单环带镜头帧间图像法实现半径测量§3.4 本章小结第四章 高分辨环带成像系统总体设计§4.1 高分辨系统设计思想§4.2 高分辨光学系统§4.2.1 环带镜头分析§4.2.2 图像探测器§4.2.3 光学结构建立及优化设计§4.2.4 液晶快门§4.2.5 光学系统的装校§4.3 机械结构设计§4.3.1 支持机构§4.3.2 调焦机构§4.3.3 遮阳机构§4.4 高分辨环带成像系统的控制部分§4.5 图像预处理§4.5.1 12位转8位§4.5.2 去噪声§4.5.3 去除拖影§4.5.4 照度不均匀补偿§4.5.5 gamma校正§4.5.6 其它图像预处理§4.6 图像展开算法研究§4.6.1 像面上圆环到圆柱面的映射§4.6.2 圆柱面到矩形的映射§4.6.3 实际图像处理§4.7 本章小结第五章 扭曲向列型液晶快门仿真及液晶快门结构设计§5.1 扭曲向列型液晶的性质§5.2 斜入射光波在液晶中的传播计算§5.2.1 液晶盒的计算模型§5.2.2 琼斯矩阵中各参数的表达形式§5.2.3 边界透射公式§5.2.4 仿真结果§5.3 液晶盒的结构§5.4 本章小结第六章 环带成像系统测试§6.1 分辨率测试§6.1.1 分辨率判断准则比较§6.1.2 平行光管条件下分辨率测试§6.1.3 室内日光灯照明条件下的分辨率比较§6.1.4 室外拍摄实际标板、景物§6.2 全景图信息量§6.3 用三周期矩形标板测试环带镜头调制传递函数§6.3.1 调制传递函数测量方法比较§6.3.2 无限长序列的矩形波信号MTF的计算理论§6.3.3 三周期矩形标板的MTF计算理论§6.3.4 三周期矩形标靶测试环带成像系统的MTF§6.4 CCD采样对MTF的影响§6.5 本章小结第七章 结论与展望§7.1 本文的工作§7.2 工作展望参考文献博士在读期间发表的论文致谢
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