高效率、高精度、高鲁棒性地获得物体表面三维坐标是三维测量与重构的基础与关键。随着超高清摄像技术的发展,基于镜面成像的单目全景感知技术由于其在成像过程中具有严格一致的内外摄像机参数、全方位视角、重建算法实现简单方便等诸多优点,被认为是非常有应用前景的全景成像技术。可广泛应用于工农业检测、机器人视觉、模具快速成型、虚拟现实、医学诊疗、动漫影视、游戏制作等领域。本文针对基于镜面成像技术的单目全景立体感知三维重建,通过研究单目多视角与单目单视点折反射全景成像机理,利用平面镜组和二次曲面镜的光学特性,提出适用于不同领域的单目全景立体感知理论与方法。通过单目全景成像技术获取物体表面信息,采用相应的透视展开算法,利用空间几何约束、纹理颜色约束,获取物体表面采样点数据,采用改进的B样条柔性插值重构方法,改进传统重构方法在处理非均匀扫描数据点时几何形状的失真和运算的不稳定现象,同时避免控制点的大量增加,快速实现被测物体的三维重建。最终实现资源消耗低、实时处理能力强的单目全景立体感知系统及三维重构方法,为自动准确快速地对被测物体进行测量及复制提供技术支撑。本论文的主要研究内容和贡献概括如下:●针对基于图像的三维重建过程中成像系统获得的双视点或多视点图像存在不能一次性完整建模、图像匹配过程中计算复杂度高、标定繁琐等问题,设计了一种基于镜面折反射全景成像技术的单目多视角立体视觉系统及三维建模算法。根据立体视觉传感器获取被测物体表面信息图像,通过阈值法将全景图像分割为五个基本视图,对各视图进行归一化处理,并建立空间几何约束关系,使用离散的体素来表示被重构物体的几何信息,采用光一致性约束进行物体表面点的判断,通过轮廓体素遍历获取物体三维模型。该方法能一次性获得物体不同视角全方位图像信息,根据空间几何约束、纹理颜色约束及物体曲线约束,快速重构出物体的三维几何模型。降低了匹配计算的复杂度和硬件使用成本,在实际系统中验证了该方法的有效性。●提出了一种基于矩形区域光路折反射单目全景感知三维重构方法。为获取更多的物体表面信息,提高重构精度,在上一项研究的基础上增加了虚拟视点,采用矩形区域内的光路传播机理,通过单目多视角全景视觉传感器在一个摄像平面上同步获取从七个不同视角拍摄的被测物体图像,采用阈值法对图像进行分割,提取前景信息,用轮廓体素极坐标遍历得到几何实体的轮廓采样点数据,重构出几何实体的三维形状。单目多视角全景视觉传感器避免了通用多视角成像中摄像机的颜色系统以及内外参数难以保持一致的问题,减少了硬件成本和立体匹配的复杂度,增加了实时性;通过轮廓体素极坐标遍历得到物体的三维点云数据是一种明确、不含二义性的信息。通过实际系统应用验证,该方法是一种行之有效的三维重构方法。●提出了一种基于双曲镜面成像的单目全景立体感知三维重构方法。为扩大镜面成像的视野范围,更好地适应镜面成像系统对被测物体或场景如管道、隧道、地下交通设施等三维重构的需要,同时具有可接受的畸变范围和较低的硬件成本,在上述镜面成像三维重构研究的基础上,本文研究了双曲镜面单目全景成像三维重构技术。通过研究单目单视点折反射全景成像机理,利用二次双曲镜面的光学特性,实现了一种双曲镜面全景立体感知三维测量与三维重构方法。依据单目全景立体视觉感知理论设计具有统一摄像机内部参数和颜色系统的全景感知系统,利用双曲镜面成像技术获取被测物体或场景的激光反射点,得到全景切面扫描图像,根据空间几何约束关系获取被测对象表面的采样点数据,对采样点进行B样条曲面柔性拟合,快速实现被测物体或场景的三维重建。本文提出的基于双曲镜面成像的单目全景立体感知技术可应用于管道、隧道、地下交通设施等检测及重构,可满足工程领域全景视觉实时三维测量及几何复制的需要,提高全景视觉几何实体测量及重构效率。●提出了一种基于镜面成像点云数据的B样条柔性插值重构方法。在上述采用镜面单目全景成像技术获取被测物体或场景的点云数据过程中,因获取的截面采样点数据具有不确定性,使得重构的三维模型会出现预料不到的形状,在几何模型重构时需对截面曲线作兼容性处理,此过程会不可避免地增加处理的数据量,导致运算效率低、几何形状变异及控制点大量增加等问题。B样条因其具有局部可调性以及节点矢量的依赖性,成为拟合曲线曲面几何模型的主要方法。本文以单目全景立体视觉传感器五视图成像为例,通过单目全景立体视觉传感器获取几何物体的采样点数据,对截面采样点数据进行参数的求取、柔性间距阈值范围控制及候选节点矢量的选择,得到三维物体表面控制顶点,重构出物体的三维几何形状。改进通用重构方法在处理非均匀截面数据点时出现的曲线曲面形状的失真和运算的不稳定现象,有效减少控制顶点数,以获取平滑柔顺的符合实际工程需要的实体模型。通过实际系统应用验证,该方法是一种行之有效的三维重构方法。