2.2.5 双曲面镜 15

2.2.6 抛物面镜 16

2.2.7 镜面分类总结 17

2.3 相机成像模型 17

2.3.1 坐标系 17

2.3.2 针孔模型 19

2.3.3 球面透视投影模型 21

2.4 POV-RAY介绍 22

2.4.1 POV-Ray特点 23

2.4.2 POV-Ray功能 23

2.5 本章小结 26

3单相机全方位立体视觉系统的优化设计 27

3.1 系统结构的设计 27

3.2 系统优化模型的建立 28

3.2.1 单视点约束与成像几何分析 28

3.2.2 视场角约束 30

3.2.3 空间分辨率 31

3.2.4 视差与深度分辨率 32

3.2.5 外形尺寸 33

3.3 系统参数的求解 34

3.4 本章小结 34

4 实验结果 35

4.1 MATLAB求解系统参数结果 35

4.2 在POV-RAY中导入系统参数所得的仿真结果 35

致谢 40

参考文献 41

1 引言

1.1 本课题的意义和背景

传统视觉系统因为视场比较小的缘故，所以需要借助云台等设备的帮助，回转进行“摇拍”（或使用数台相机同时在不同角度拍摄多幅图，再将图像进行拼接处理），难以在短时间内快速获取三维视场的所有信息。区别于传统视觉系统，全方位立体视觉感知技术能够直接获得大半球视场，同时可以保证所获取图像的沉浸感以及立体感，因此有利于简化系统的结构和处理过程。机器人在移动时需要实时的定位和导航，全方位立体视觉系统的特性完全可以满足这些要求。

    当前全方位立体图像可以采取以下三种方法实现：（1）图像拼接方法；(2)鱼眼透镜方法；（3）折反射成像方法。图像拼接方法由于采集了大量的原始数据，同时需要复杂的算法完成拼接，因此往往只能应用于柱面全景成像且实时性很差。鱼眼透镜方法所获得的全景图像一般存在一定畸变，故而需要较为繁琐的计算加以校正，难以达到较好的实时性。同时，该方法成像视场仅限于半视球以内且造价昂贵。折反射成像系统由反射镜面与相机组成，通过将双曲面、抛物面、椭球面等形状的反射镜放置在特定位置以达到实时获取拥有360°水平视场和近似大半球角度垂直方向视场的全景环带状图像。通过这种方法获取的全景图像具有畸变小、实时性和成像原理简单的优点，因此可以较为方便的转化为人眼视觉成像。

    折反射全景成像通过使用反射光学元件的方法增加成像系统视场以获取水平视场上的全景图像，与上文所述的其他两种全景成像方法相比，结构更为简单、整体成像效果更好。因此成为全景成像技术领域的研究热点，在构建虚拟环境、监控摄像、智能导航等诸多领域有着广泛的应用。文献综述

1.2 折反射全方位立体视觉技术的发展