[发明专利]互补结构折反射全向成像装置及基于其的超分辨率柱面全景空间构建方法

说明书

技术领域：

本发明主要涉及到光学成像及数字图像处理领域，特指一套互补结构折反射全向成像装置，以及在此基础上进行超分辨率柱面全景空间构建的方法。

背景技术：

折反射全向成像技术利用曲面反射镜(如抛物面、双曲面、圆锥面、球面等)，将来自成像系统周围360度范围的入射光线经反射作用后，进入常规的光学成像系统(成像透镜+图像传感器)，生成包含空间360度全方位场景信息的环状全向图，对全向图进行展开可生成适合于人眼直接观察的柱面全景图像。凭借360度全方位视野、一次性无缝全景成像、系统设计灵活等优点，近年来各种特定结构的折反射全向成像系统陆续地被设计出来，并应用于全景视频监控、机器人视觉导航、虚拟空间构建等诸多领域。但随着研究的不断深入，折反射全向成像固有的空间分辨率低、分辨率分布不均匀的缺陷已成为严重限制其广泛应用的瓶颈。

在成像设备物理分辨率固定的情况下，由于折反射全向成像具有水平360度宽广视野，而传统相机成像的水平张角通常只有60度左右，因此同样尺寸的空间目标在全向图中占有的像素数目相对明显偏低；此外，全向图的内环像素数明显低于外环，在同样的径向跨度中成像的像素分辨率由内向外逐渐增大，即全向图内环与外环的切向分辨率相差悬殊，内环欠采样而外环相对浪费，导致全向成像的分辨率分布严重不均匀。也就是说，真实场景空间中不同位置面积相等的两个区域经折反射成像后，在全向成像平面上对应的成像区域面积大小不一致，从而导致折反射全向图投影展开为柱面全景图像后，图像清晰程度不均匀。

已有的一些研究虽然在径线方向上部分地改善了全向成像的分辨率问题，如Gaspar、Hicks以及国内的曾吉勇等人分别设计实现了水平分辨率均匀、垂直分辨率均匀和角分辨率均匀的全向成像系统，但全向图内外环在切线方向上的分辨率差异才是全向成像分辨率分布不均匀的主要原因。捷克的Stefan.G等人另辟途径，提出了基于非均匀CCD采样点的SVAVISCA方式来解决全向成像分辨率难题，设计的CCD感光阵列越靠近成像中心的感光区域像素点密度越高。此方案本身简单直观，但CCD加工难度高，应用面狭窄，难以普及。

另一方面，部分学者从全向图或全向视频的后处理角度，对全向成像的分辨率问题进行了研究。彭启民和贾云得提出一种基于小波变换的全向图像分辨率增强方法，根据全向图像成像的退化模型，利用小波系数的自相似性及其模的极值点在各层间的传递性，对全向图像丢失的高频成分进行补偿。日本的Nagahara等人从2000年以来，采用旋转或平移全向相机、多聚焦成像等方法，利用多帧全向图或全向视频序列间的时空互补信息，比较系统地研究了全向成像的超分辨率增强问题，并为全向视频给出针对性的超分辨率建模方法。然而，由于全向图原始的低分辨率和内环的严重欠采样，单纯依靠后期的图像处理对全向成像的分辨率进行增强，改善效果必然是非常有限的。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：针对传统折反射全向成像空间分辨率低、分辨率分布不均匀导致所生成的柱面全景图像不够清晰的问题，提出一种互补结构折反射全向成像装置，通过空间点互补二次成像使得全向成像空间分辨率分布均匀，从而为后续的超分辨率柱面全景空间的构建提供很好的基础，以最终得到高分辨率的全景图像。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种互补结构折反射全向成像装置，其特征在于：包括支撑部件、由该支撑部件支撑固定且依次布置的三个反射镜面、以及由图像传感器和成像透镜构成的成像设备；其中，三个反射镜面包括两个曲面镜和一个平面镜；成像视域内的每一个空间点发出的某一条光线经其中一个曲面镜反射后进入成像透镜的小孔中心在成像平面的内环或外环成像；同时，该空间点发出的另一条光线经两个曲面镜中的另一个曲面镜反射后，再被平面镜二次反射，然后进入成像透镜的小孔中心在成像平面的外环或内环成像；所述三个反射镜面的旋转对称轴均与成像设备中成像透镜的光轴重叠。

作为优选方案，所述三个反射镜面包括依次设置的圆锥面镜、环形平面镜和双曲面镜。所述支撑部件包括水平放置的底盘、垂直于底盘的立柱和立柱上垂直固定的三个悬臂，其中成像设备垂直向上固定于底盘上，所述圆锥面镜、环形平面镜和双曲面镜三个反射镜面分别通过立柱上的三个悬臂固定于成像设备的正上方，且双曲面镜的外焦点位于成像透镜的小孔中心在平面镜中的像点处。

为了最大程度减小由双曲面镜景深差异导致的成像对焦模糊影响，所述圆锥面镜的中截面到环形平面镜的距离与所述双曲面镜的中截面到环形平面镜的距离相等。