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互补结构分辨率增强的折反射全向成像系统研究

作　者: 陈立栋
导　师: 张茂军
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 折反射全向成像互补二次成像全景展开图像融合自适应核回归超分辨率
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

全景成像技术的出现能够满足人们获取三维空间360度全方位场景信息的需求，其中将曲面反射镜和常规成像设备相结合的折反射全向成像技术，凭借一次性无缝全向成像、系统设计灵活的特点，近年来得到越来越广泛的研究和应用，已成为当前全景成像技术研究的主流方向。然而随着研究的不断深入，折反射全向成像技术固有的空间分辨率低且分布不均匀问题已成为严重限制其推广和深入应用的主要瓶颈。本文研究采用硬件设计和软件处理相结合的思路，全面系统地解决折反射全向成像的分辨率问题，从折反射全向成像系统结构着手进行创新，提出一种新颖的互补结构折反射全向成像系统设计方法，并针对性地研究全向成像系统标定、全景展开、高精度图像配准、全景图像融合及超分辨率重建等问题。本文的主要工作及创新点包括：（1）基于多个反射面的互补结构折反射全向成像系统设计方法不改变现有的折反射全向成像系统结构，仅靠后期的图像处理无法从根本上解决全向成像的分辨率问题。将多个反射镜面相结合，提出一种互补结构的折反射全向成像系统设计方法，利用多个镜面的反射作用使得同一空间点分别在全向图的内、外环互补二次成像，不仅使得全向成像的分辨率分布更加均匀，而且全向图的内环和外环之间存在显著的互补特性，为下一步进行图像融合和超分辨率增强研究提供重要基础和前提。（2）基于双向映射精确插值的折反射全向图柱面全景展开方法传统的全景展开算法并没有考虑折反射全向成像的畸变特点，图像插值时邻域点的空间位置及其与当前插值点的距离都是在全向图空间中衡量的，影响了插值精度。提出一种基于双向映射的折反射全向图展开为柱面全景图像的插值方法，通过光路跟踪得到图像间的坐标映射关系，首先将所要生成的柱面全景图像中每一点正向映射到原始的全向图中，确定插值邻域点，然后将这些邻域点逆向投影到柱面全景图像中，针对邻域点在柱面全景图像中呈非网格型分布的特点，采用非均匀二维插值算法进行图像插值运算。该方法既准确地定位插值邻域点，又避免了全向图的非线性畸变对邻域点权重计算的不利影响。（3）考虑反射镜姿态标定的互补全景图像对精确配准方法将互补结构折反射全向成像系统采集得到的全向图的内环和外环分别投影展开可得到两幅配对的柱面全景图像，高精度的配准是融合这两幅柱面全景图像进行分辨率增强研究的必要前提和基础。通过对导致这两幅柱面全景图像之间差异的原因进行深入分析，提出考虑反射镜姿态标定的互补全景图像对精确配准方法：首先，根据反射镜边沿成像的椭圆边界线对反射镜空间姿态进行标定，基于标定结果将全向图的内环和外环分别展开为两幅初步配准的柱面全景图像；然后，基于普适最小二乘法求解多项式变换模型，对两幅初步配准的全景图像进行更精确的亚像素级配准。（4）基于非下采样Contourlet变换的互补全景图像对融合方法将非下采样Contourlet变换引入互补全景图像对的融合方法研究，紧密结合两幅柱面全景图像的互补特性和各自优缺点，详细分析和研究了非下采样Contourlet变换域的低频分量和各方向高频分量的融合策略，提出了一种基于非下采样Contourlet变换的互补全景图像对融合方法，兼容了全向图内环展开的全景图像水平条纹清晰以及外环展开的全景图像垂直条纹清晰的优点。（5）基于交叉选择核回归插值的全景图像超分辨率增强方法柱面全景图像超分辨率增强问题实质就是在高分辨率的柱面全景网格上如何利用全向图内外环成像对应的两组非均匀采样点集进行插值，重建出高分辨率的柱面全景图像。将自适应核回归方法引入柱面全景图像的超分辨率插值重建问题，结合两组散乱采样点集的分布特点，在使用自适应核回归算法进行插值时选择性地区分插值参考点的来源，提出一种基于交叉选择核回归插值的全景图像超分辨率增强方法，生成一幅明显高于全向图原始采样分辨率的柱面全景图像。

全文目录

摘要  10-12
Abstract  12-15
第一章绪论  15-30
  1.1 课题研究背景及意义  15-17
    1.1.1 课题研究背景  15-16
    1.1.2 课题意义  16-17
  1.2 相关研究现状  17-26
    1.2.1 全向成像分辨率的定义  17-19
    1.2.2 国内外研究现状  19-26
  1.3 论文主要工作及内容安排  26-30
    1.3.1 研究的基本思路  26
    1.3.2 论文的主要工作  26-28
    1.3.3 论文结构  28-30
第二章互补结构折反射全向成像系统设计与分析  30-50
  2.1 引言  30-31
  2.2 互补结构折反射全向成像的基本原理  31-35
    2.2.1 双反射面互补结构折反射全向成像基本原理  31-32
    2.2.2 三个反射面的改进型互补结构设计  32-35
  2.3 系统设计约束与分析  35-42
    2.3.1 设计目标与约束分析  35-37
    2.3.2 设计方案分析与选择  37-40
    2.3.3 成像光路几何分析  40-42
  2.4 实验与分析  42-49
    2.4.1 面型参数和系统尺寸确定  42-44
    2.4.2 实验结果图  44-47
    2.4.3 全向图内外环的互补性分析  47-49
  2.5 本章小结  49-50
第三章折反射全景展开及互补全景图像对配准研究  50-71
  3.1 引言  50
  3.2 基于双向映射的非网格型全向图展开插值方法  50-57
    3.2.1 折反射全向成像及柱面全景展开原理  51-53
    3.2.2 双向映射的全向图展开插值算法  53-56
    3.2.3 实验设计及结果分析  56-57
  3.3 互补全景图像对的差异分析  57-59
  3.4 考虑反射镜姿态标定的未对准全向成像展开方法  59-64
    3.4.1 基于椭圆边界线的反射镜姿态估计  60-63
    3.4.2 未对准全向成像的柱面全景展开算法  63-64
  3.5 基于普适最小二乘的互补全景图像对精确配准方法  64-67
    3.5.1 普适最小二乘法（GLS）概述  65-66
    3.5.2 多项式变换模型的 GLS 算法实现  66-67
  3.6 配准实验结果与分析  67-70
  3.7 本章小结  70-71
第四章基于非下采样 Contourlet 变换域的互补全景图像对融合方法研究  71-86
  4.1 引言  71
  4.2 柱面全景图像对的互补性分析  71-72
  4.3 非下采样 Contourlet 变换域互补全景图像融合方法  72-79
    4.3.1 基于小波的全景图像融合方法及缺陷  73-74
    4.3.2 非下采样 Contourlet 变换基本原理  74-76
    4.3.3 基于 NSCT 的互补全景图像对融合方法  76-79
  4.4 融合实验结果与分析  79-85
    4.4.1 仿真实验  79-82
    4.4.2 实景成像实验  82-85
  4.5 本章小结  85-86
第五章基于交叉选择核回归插值的全景图像超分辨率增强方法研究  86-100
  5.1 引言  86-87
  5.2 自适应核回归方法基本原理  87-89
  5.3 交叉选择核回归插值的互补全景图像超分辨率重建方法  89-93
    5.3.1 互补全向成像中核回归方法存在的问题  89-90
    5.3.2 基于交叉选择的改进核回归插值方法  90-93
  5.4 实验结果与分析  93-99
    5.4.1 仿真实验  93-97
    5.4.2 实景成像实验  97-99
  5.5 本章小结  99-100
第六章结论与展望  100-103
  6.1 主要研究成果及贡献  100-101
  6.2 对下一步工作的展望  101-103
致谢  103-105
参考文献  105-113
作者在学期间取得的学术成果  113-114

互补结构分辨率增强的折反射全向成像系统研究

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