消畸变折反射全景成像系统设计

论文摘要

高分辨成像与大视场成像已成为当代传统光学领域的发展趋势,高分辨成像实现对细节的分辨,大视场成像实现对全空域的凝视,为结合两者优势形成一个更完善的光学系统,研究者们提出了全景成像的概念,其中折反射全景成像系统由于其独特的优点成为了目前应用研究的前沿。折反射全景成像系统采用平面圆柱投影法则,利用折射元件和反射元件,将三维空间视场投影到有限的二维平面圆环区域,实现大到半球空间视场的成像。折反射全景成像系统由反射镜和传统成像系统两部分组成,反射镜面型可为球面、圆锥面、双曲面等二次曲面以及高阶旋转对称非球面。利用像点坐标与入射角呈线性关系,控制系统成像关系,设计反射镜面型,可实现大视场消畸变成像。本文讨论了消畸变成像折反射全景成像系统反射镜面型的计算方法与特性分析,利用光学设计软件CODEV设计了消畸变成像折反射全景成像系统,并利用POV-Ray软件对消畸变反射镜进行仿真及图像坐标变换,实现了消畸变全景成像。本文在前人的基础上,利用反射镜入射角与反射角呈线性关系,推导了消畸变成像折反射全景成像系统反射镜面型计算公式,并对反射镜面型与成像视场角的关系特性及反射镜面型对位置偏差的敏感性行进分析,为系统设计时反射镜面型参数的选择提供依据。根据反射镜面型公式及反射镜面型特性确定消畸变折成像折反射全景成像系统的反射镜面型参数及传统成像系统技术参数,选择合适的系统初始结构并利用光学设计软件CODEV进行优化,并对完成的系统进行了调制传递函数分析、点列图分析、衍射分析以及误差分析,引入反射角光线追迹法,评价折反射全景成像系统的畸变,设计结果较好。采用平面圆柱投影法的消畸变折反射全景成像系统成像为圆环区域,推导图像坐标变换关系,将圆环区域图像变换为人眼熟悉的柱面全景图像,图像坐标变换后,原始图像中心位置的分辨率损失,边缘位置的分辨率保持良好;计算消畸变成像折反射全景成像系统的图像分辨率,原始图像中心位置的分辨率高,边缘位置的分辨率低;最后利用POV-Ray软件对消畸变成像反射镜进行仿真,所得结果与理论相符。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 全景成像技术概述
• 1.2.1 中心投影全景成像技术概述
• 1.2.2 平面圆柱投影全景成像技术概述
• 1.3 全景成像技术国内外发展现状
• 1.3.1 全景成像技术国外发展现状
• 1.3.2 全景成像技术国内发展现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 折反射全景成像系统总体分析
• 2.1 引言
• 2.2 单视点折反射全景成像系统总体分析
• 2.2.1 单视点折反射全景成像系统设计原理
• 2.2.2 单视点折反射全景成像系统图像分辨率
• 2.3 非单视点折反射全景成像系统总体分析
• 2.3.1 Chahl非单视点折反射全景成像系统设计原理
• 2.3.2 Hicks非单视点折反射全景成像系统设计原理
• 2.3.3 Kweon非单视点折反射全景成像系统设计原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 消畸变成像折反射全景成像系统反射镜设计
• 3.1 反射镜面型设计原理
• 3.1.1 反射镜面型计算条件
• 3.1.2 反射镜面型计算公式
• 3.2 反射镜面型特性分析
• 3.2.1 成像视场角与反射镜面型关系特性分析
• 3.2.2 位置偏差对反射镜面型的敏感性分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 消畸变成像折反射全景成像系统设计
• 4.1 初始结构参数分析及确定
• 4.1.1 反射镜参数初始结构分析及确定
• 4.1.2 常规成像系统初始结构分析及确定
• 4.2 设计结果及分析
• 4.2.1 调制传递函数分析
• 4.2.2 点列图分析
• 4.2.3 畸变分析
• 4.2.4 衍射分析
• 4.2.5 误差分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 图像恢复算法研究
• 5.1 消畸变成像折反射全景成像系统图像分辨率研究
• 5.2 消畸变成像折反射全景成像系统图像恢复算法研究
• 5.3 消畸变成像折反射全景成像系统仿真
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢