大視場超高像素相機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、對環(huán)境的感知，是人類獲取周圍環(huán)境信息的主要手段。視覺信息占人類從外界獲取信息的比例超過八成。圖像傳感器自誕生以來，給科學(xué)研究，工業(yè)生產(chǎn)，日常生活帶來了極大的影響。隨著圖像傳感器應(yīng)用的逐漸擴(kuò)展和深入，對傳感器的多方面參數(shù)提出了新的要求，傳感器自身也在不斷發(fā)展。大視場，高分辨率和高幀率的成像儀器一直是科學(xué)研究與工程技術(shù)工作者不斷努力的方向。在充分調(diào)研大視場，超高像素成像方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前快速發(fā)展的信息處理技術(shù)，本論文采用了多傳感器的方案

2、設(shè)計(jì)了一套大視場成像實(shí)驗(yàn)儀器。
　　論文從以下幾個(gè)方面總結(jié)了課題的主要研究工作：
　　1、首先從機(jī)械結(jié)構(gòu)、圖像傳感器的電子驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集、圖像數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)方面介紹本論文中提出的平面型大視場系統(tǒng)硬件構(gòu)成。研究球面視場空間與傳感器矩形成像面的關(guān)系，確定視場分割方法。詳細(xì)介紹了子相機(jī)光軸空間指向和半球空間分割的結(jié)果?？紤]到視場分割的關(guān)鍵在于光軸指向與矩形視場的大小，保持這兩者不變可以將傳感器的位置進(jìn)行局部平移。提出了一種類菲涅耳透

3、鏡的平面相機(jī)陣列結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有靈活、緊湊、便于電氣連接的優(yōu)點(diǎn)。研究了基于FPGA器件實(shí)現(xiàn)對多路圖像傳感器數(shù)據(jù)采集的方法。在單芯片上實(shí)現(xiàn)對圖像傳感器的曝光控制，數(shù)據(jù)采集，并實(shí)現(xiàn)了Camera Link高速數(shù)字圖像傳輸接口。使得最終的大視場相機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提升。并對系統(tǒng)進(jìn)行測試，給出了詳細(xì)參數(shù)。
　　2、一個(gè)理想的由鏡頭和圖像傳感器組成的攝像系統(tǒng)應(yīng)該是無畸變、無噪聲的空間平移不變線性系統(tǒng)，但實(shí)際物理器件會受到各種限

4、制，無法達(dá)到這一要求。課題對設(shè)計(jì)的大視場相機(jī)輻射響應(yīng)特性進(jìn)行了定標(biāo)分析。輻射定標(biāo)是指確定輸入相機(jī)的輻射亮度與相機(jī)輸出信號幅值之間的定量關(guān)系，即定量相機(jī)的輻射響應(yīng)特性。由多個(gè)傳感器構(gòu)成的大視場成像設(shè)備，因?yàn)楦鱾€(gè)子相機(jī)的光學(xué)鏡頭的誤差，傳感面的感光敏感度，電子部件的不同，導(dǎo)致相同的場景通過不同的子相機(jī)獲得的數(shù)字圖像存在一定的差異。為了定量化這種差異對最終獲得的全景圖像的影響，我們對大視場相機(jī)的各個(gè)子相機(jī)的輻射響應(yīng)進(jìn)行了精確標(biāo)定。包括傳感器的

5、線性和非線性輻射響應(yīng)，不同曝光狀態(tài)下的暗電流幅值，和鏡頭與機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的漸暈特性。給出了依據(jù)標(biāo)定結(jié)果對圖像矯正的示例，和利用矯正圖進(jìn)行拼接融合的全景圖。在大視場范圍成像場景下，整個(gè)視場內(nèi)的光照亮度差異通常會很大。傳統(tǒng)的采用廣角鏡頭和單個(gè)傳感器的形式，會導(dǎo)致較暗的區(qū)域和較亮的區(qū)域都無法在傳感器上得到有效的響應(yīng)值。通過采用多個(gè)子相機(jī)覆蓋大的視場能夠有效緩解這種量化位數(shù)不夠帶來的局限。
　　3、為了得到大視場相機(jī)結(jié)構(gòu)中各個(gè)子相機(jī)的內(nèi)部和

6、外部參數(shù)的精確值，課題中對全部子相機(jī)的內(nèi)部和外部參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。基于子相機(jī)的畸變參數(shù)，對采集到的圖像首先進(jìn)行校正。研究了圖像拼接和全景圖的合成方法?；谖覀兊拇笠晥鱿鄼C(jī)實(shí)驗(yàn)儀器，結(jié)合子相機(jī)的內(nèi)部和外部參數(shù)，利用標(biāo)定獲得的內(nèi)、外參數(shù)對圖像進(jìn)行初步配準(zhǔn)，并結(jié)合圖像特征進(jìn)行多相機(jī)聯(lián)合優(yōu)化。避免了多相機(jī)圖像拼接時(shí)需要逐個(gè)配準(zhǔn)，和可能出現(xiàn)配準(zhǔn)失效的問題。同時(shí)，采用多傳感器的大視場方案，能有效避免場景中運(yùn)動(dòng)物體給最終全景圖合成造成的困難。改進(jìn)多波段