折反射全景立体成像和深度估算方法研究

论文摘要

立体视觉根据人的视觉原理,探求从平面图像中恢复三维空间信息的方法,从而达到通过平面图像认识三维世界的目的。常规光学成像系统的视场较小,在其基础上通过立体视觉技术只能获得有限视场范围的深度信息,这在实际应用中引起了诸多不便。近年来,随着机器人导航技术、自动视频监控技术、虚拟现实技术的快速发展,如何利用立体视觉和全景成像技术完成对全方向大视场场景的立体感知和重建成为国内外研究的热点问题。折反射全景立体视觉技术能够实现全方向场景的立体成像,估计场景的深度信息,并能简化计算和提高系统处理速度。本文研究并设计了一种利用单摄像机和双抛物面折反射镜获取全景立体图像并估计场景深度信息的系统,主要解决了以下关键问题:(1)设计了一种利用抛物面镜的折反射全景立体图像生成系统。该系统由单个摄像机和两个抛物面折反射镜组成,它们在垂直方向上同轴排列,使得两抛物面折反射镜在摄像机中成像为一对同心圆。这种设计能够使空间中一定范围内的空间点在摄像机成像中有一对符合特定的外极几何约束条件的像点,根据这对像点能够求得该空间点的深度信息。(2)根据本文中全景立体图像生成系统的设计方案推导出深度信息的计算公式,并以该公式中涉及到的系统结构参数作为误差分析自变量,分析装置误差对最终深度估算结果的影响,进而利用误差分析结果改善了系统结构。(3)把原始全景立体图像投影变换为柱面全景立体图像对,使得现有的对应点匹配算法能够顺利应用,提高了匹配精度,简化了深度估算。(4)根据柱面立体图像对的外极线特点,改进实现了基于区域的局部灰度相关(SAD)和动态规划(DP)两种对应点匹配的算法。应用本文设计分别在虚拟场景和实际场景中获得了全景立体图像,并用两种算法进行了场景深度信息估算,得到了相应的柱面全景浓密视差图,验证了该折反射全景立体视觉系统设计和匹配算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要工作
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 立体视觉和全景成像理论基础
• 2.1 立体视觉
• 2.1.1 外极几何
• 2.1.2 标准双目立体视觉
• 2.1.3 视差与深度的关系
• 2.1.4 立体视觉系统模块
• 2.2 全景成像
• 2.2.1 全景图像
• 2.2.2 全景成像方法
• 第三章 全景立体成像系统设计
• 3.1 目前的全景立体成像方法
• 3.1.1 基于图像拼接的全景立体成像方法
• 3.1.2 基于折反射镜的全景立体成像方法
• 3.2 利用抛物面镜的折反射全景立体成像系统设计
• 3.2.1 单摄像机双抛物面镜折反射全景立体成像设计
• 3.2.2 根据原始全景立体图像的深度估算方法
• 3.2.3 系统装置设计
• 3.3 系统误差分析
• 3.3.1 系统误差
• 3.3.2 误差分析实验
• 3.3.3 实验结果分析和系统结构参数修正
• 第四章 全景立体图像的预处理
• 4.1 全景摄像机标定简介
• 4.2 图像去噪
• 4.2.1 均值滤波器
• 4.2.2 中值滤波器
• 4.3 原始全景图像到柱面全景图像的投影变换
• 4.3.1 投影变换公式
• 4.3.2 根据柱面全景立体图像对的深度估算方法
• 第五章 折反射全景立体图像的深度估算
• 5.1 对应点匹配算法简介
• 5.1.1 对应点匹配算法分类
• 5.1.2 常用约束条件
• 5.2 基于区域的局部灰度相关算法
• 5.2.1 相似性函数
• 5.2.2 匹配算法
• 5.3 动态规划算法
• 5.3.1 动态规划原理
• 5.3.2 动态时间规整算法
• 5.3.3 利用动态时间规整算法进行视差计算
• 5.4 深度估算结果
• 5.4.1 虚拟场景的实验结果
• 5.4.2 实际场景的实验结果
• 5.4.3 实验小结
• 第六章 结束语
• 6.1 论文总结
• 6.2 对未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果