小型无人机载大视场复眼相机光学系统设计

针对小型无人机载大视场光学成像观测需求,设计了一款仿生复眼大视场微小型相机.该相机光学系统总焦距为4mm,F数为4,视场角可达106°,在500m的飞行高度分辨率可达0.5m.所设计系统由曲面排布的微透镜阵列、光学像面变换子系统、图像接收和数据采集处理单元三部分组成.仿生复眼中的子透镜采用双胶合透镜组合以减小系统像差,相邻子透镜在满足视场一定重叠率的前提下,可允许相邻多达7个子透镜同时对地面目标进行成像,达到目标定位和测速的目的.仿真结果表明无人机载大视场复眼相机系统在给定的公差范围内像质满足要求,每个通道的光学畸变可控制在1.2%以下.     

多相机式仿生曲面复眼的标定与目标定位

根据仿生曲面复眼具有众多子眼、多通道成像的特性,对多相机式仿生曲面复眼标定与目标定位方法展开研究,结合非平行双目视角下三角测量与相机坐标系映射的方法,提出一种仿生曲面复眼目标定位方法.根据复眼定位对子眼间具有较大重叠视场的要求,用Unity3D仿真软件设计了总视场角超过180°的17眼仿生曲面复眼,并制备了实物样机.通...     

无人机载型曲面仿生复眼成像测速系统

基于仿生复眼的视觉优势,将曲面仿生复眼结构应用于无人机载光电探测系统,实现机载宽视场高分辨运动目标探测.根据生物复眼的结构形态,设计了六边形排列的曲面透镜阵列作为曲面仿生复眼,辅以光学中继转像子系统和CMOS图像传感器,构成曲面仿生复眼成像测速系统.该系统的成像视场可达98°×98°,系统焦距为5 mm,角分辨率为1....     

大视场复眼结构图像处理算法研究

针对多维子眼成像通道曲面排布组成的大视场复眼结构,提出了一种切割-旋转-映射的图像处理算法来实现多通道图像的大视场拼接.通过确定复眼结构的排布特征,分析了各成像通道捕获的子眼图像之间的相互关系,去除相邻子眼图像之间的冗余部分,并运用几何光学及成像光学原理,研究了子眼图像与三维映射空间之间的关系,从而实现了二维子眼图像在三维空间的大视场拼接.实验制备了包含37个镜头且视场角可达118°的人工复眼结构,并运用提出的图像处理算法处理制备的复眼结构捕获的子眼图像.结果表明:算法处理图像过程中不损失图像的分辨率,可以有效地实现多通道图像的大视场拼接,且获得的图像可视性强,满足实用化要求,可进一步推进曲面复眼成像系统的应用.     

基于大视场人工复眼定位技术

针对大视场目标探测提出了一种基于人工复眼大视场定位方法.通过分析子眼视场角与总视场角之间的关系,并结合多目视觉定位对子眼排布方式的要求,研究了包含多个子眼的人工复眼结构设计方法.通过分析子眼图像与三维空间映射关系,对二维图像进行裁剪并映射于三维立体空间,实现了二维子眼图像在三维空间的大视场拼接.利用子眼图像坐标、空间三维坐标及系统参数间的关系,建立了空间点多目定位数学模型,并编制目标定位算法.制备了包含19个子眼可实现120°大视场角的样机,通过张正友标定法获得系统参数,并进行目标定位实验.实验结果表明,使用设计的人工复眼大视场成像系统对5.35m处目标进行探测,定位误差为0.19%.     

曲面相机阵列多分辨成像方法

针对现有成像系统因数据冗余而无法兼顾大视场、高分辨、高效性的问题,结合人眼视网膜变分辨成像和并列式复眼成像原理,设计一种多分辨率成像的复合仿生成像系统.该成像系统按照球面和平面兼顾的曲面布局方式,利用11个相机镜头构建相机阵列,组成了四个等级分辨率的子眼拍摄模块.通过物距100 m的远景实验和物距10 m的近景实验发现,该系统在实现高分辨成像的同时,获得总视场达150.8°×37.8°.多分辨率成像实验结果表明,该系统获取的图像的分辨率从中心视场到边缘视场逐渐降低,并且相较于中心清晰全视场成像,四级分辨率成像的拼接图像数据量减少了17.2倍的数据冗余.     

一种大视场高分辨率的复眼光学系统设计

针对传统无人机载成像系统无法实现大视场与高分辨率共存的问题,设计了一款大视场高分辨率无人机载复眼相机系统,该相机由曲面子眼阵列、光学中继系统和图像探测器三部分组成。中继系统使用了非球面设计,减小了系统体积。单个子眼焦距为20 mm,视场角为10°,中继系统为一鱼眼透镜,焦距为7 mm,可将子眼阵列所成焦曲面像转为平面像。总系统视场达到122°×106°,F数为3,焦距为3 mm,在飞行高度1 000 m时对地分辨率为0.8 m。仿真结果显示,各个光学子通道调制传递函数（modulation transfer function, MTF）在208 lp/mm处均大于0.3,系统在给定的公差范围内像质能够满足要求。与现有无人机载复眼系统相比,该文设计的系统视场更大,分辨率更高,且体积更小。     

一种适用于仿生复眼系统的多路图像拼接算法研究

仿生复眼系统解决了传统单孔径光学系统中视场与分辨率的矛盾关系,兼具了较大的视场和高分辨率。但随着视场和分辨率的增加,图像信息增多,随之带来了图像拼接中效率和质量问题。针对该问题,提出一种基于改进尺度不变特征转换（SIFT）算法和主成分分析（PCA）算法的仿生复眼多路图像拼接融合方法。该方法缩小了特征点提取区域,减少了多路图像特征点匹配次数,降低了图像特征点描述符的维度。再利用改进的自适应迭代随机抽样一致（RANSAC）算法对特征点进行提纯增加鲁棒性,最后通过加权平均算法来完成对多幅子图像的高质量融合。实验结果表明,该算法设计合理,且随着图像信息的复杂程度增加,相较传统算法的拼接效率不断提升,同时保证了较好的拼接质量,可有效拼接融合仿生复眼系统多路图像,对多路图像类系统拼接融合提供借鉴。     

用于大视场三维探测的人工复眼系统几何标定

为了实现人工复眼系统的三维探测,针对人工复眼视场大、成像过程复杂等问题,提出一种基于双柱面法和反向传播(BP)神经网络的整体几何标定方法。该方法利用BP神经网络对任意复杂非线性关系的强大映射能力,分别在前后两个柱面上对复眼上的每个子眼进行隐式标定,建立图像像素坐标与柱面上二维坐标的映射关系。三维测量时一个图像上的点映射为前后柱面上的两个点,连接这两个点得到一条空间直线,通过最小二乘法求解多条空间直线的交点即可求得三维目标点的坐标。实验结果表明:在人工复眼60°×30°的视场范围的横向测量误差在1mrad以内,纵向相对误差在0.6%左右。与传统的基于小孔模型的标定方法相比,该方法无须考虑复眼子眼的成像模型及其参数求解,而且由于整体标定过程是在同一世界坐标系下进行的,也不必精确知道各个子眼间的位置和朝向关系。此方法完全适用于人工复眼系统的几何标定,能够满足其大视场、高精度的标定要求。     

仿生复眼系统的子眼安装孔对准误差检测方法

仿生复眼系统是一种多子眼拼接的大视场高分辨率成像系统,由一级同心物镜和二级子眼镜头阵列组成。为实现大视场无缝隙拼接成像,必须严格保证所有子眼镜头的光轴与同心物镜球心的对准误差在光学设计允许的公差范围内。首先,基于PSM(point source microscope)定位仪的自准直原理确定PSM的基准参考零位,然后通过转接器将PSM分别固定在所有子眼镜头安装孔中,计算经同心物镜反射后像点质心位置与子眼安装孔轴线对准误差的几何关系式,最后用Lighttools软件仿真检测光路并对所有安装孔对准误差进行检测。实验结果表明:所有安装孔轴线与同心物镜球心的对准误差均小于30μm。满足光学设计中子眼镜头光轴与同心物镜球心对准误差小于50μm的公差要求,从而保证了仿生复眼成像系统大视场高分辨率无缝拼接影像的获取。     

基于虚拟双球面的仿生复眼系统标定

为了实现对空间目标的探测定位,对设计的仿生复眼系统的标定进行研究。介绍了复眼装置结构,根据复眼成像特点设计搭建了可以构建全视场靶标的标定平台,提出一种基于双球面虚拟靶标的标定方法。建立了复眼标定和定位过程中可以统一众多子眼坐标系的数学模型,详细描述了多通道同时标定或定位的具体步骤,其中包括系统的合理调节、靶点分布均匀性优化以及非线性映射方法选取等过程,同时通过计算机控制可以实现标定过程的自动化运行。在两个球面位置上建立了各子眼通道图像光斑点坐标和靶点角度之间的非线性映射关系。针对提出的标定方法进行了验证实验。实验结果显示,标定后的复眼系统在60°视场内目标定位相对误差优于0.5%,定位角度均方根误差为1.96mrad。提出的方法能够满足设计复眼的标定要求,且标定后的复眼能够很好地完成对空间目标的测量。     

基于仿生复眼的大视场探测系统结构研究

昆虫复眼具有小型化、多孔径、大视场、高灵敏度等特点,开展仿生复眼在成像探测技术方面的应用具有重要的意义。介绍了复眼的分类、结构和成像特点,结合当前仿生复眼的研究进展和技术水平,对大视场复眼成像探测系统的结构进行了探索和研究,得到了三种适合用于探测系统的复眼探测结构,对其结构形式进行了介绍,对其优缺点进行了分析,并选取其中一种较好的方案进行了详细设计。所设计的复眼由37个子眼组成,总视场150°。对仿生复眼在光学成像探测方面的应用进行了有益的探索,具有一定的前瞻性和参考价值。     

十亿像素瞬态成像系统实时图像拼接

为了满足工程应用对图像拼接实时性的要求,依据已设计完成的基于同心球透镜与微相机拼接阵列复合结构的十亿像素瞬态成像系统,提出一种基于统一计算设备架构(CUDA)与先验信息相结合的自适应图像拼接并行加速算法。首先,利用高精度四维标定平台对相邻微相机成像重叠区域进行预标定。接着,采用基于CUDA的快速鲁棒特征(SURF)方法检测提取重叠区域图像的候选特征点集。然后,运用基本线性代数运算子程序(CUBLAS)加速基于随机KD-Tree索引的近似最近邻搜索(ANN)算法,用于获取初始匹配点对。最后,提出一种改进的并行渐近式抽样一致性(IPROSAC)算法,用于剔除误匹配点对和空间变换矩阵的参数估计,从而得到拼接图像的空间几何变换关系。实验结果表明,该算法的图像拼接时间为287 ms,与单独采用CPU串行算法相比速度提高了近30倍。     

视场拼接复眼成像系统结构及装调方法EI北大核心CSCD

提出了以高分辨率、小视场的子眼镜头为中心,曲面阵列化排布多个分辨率较低、视场大的边缘阵列子眼镜头的人工仿生复眼的结构形式.基于物方视场空间应该保证无缝拼接并尽量缩小重合区域的原则,分析并得到子眼镜头在X方向和Y方向上视场角与复眼系统总体视场角的数学关系式,推导出了边缘阵列子眼镜头的周期阵列数n的数学模型,确定了子眼镜头在曲面上的阵列排布方式.依据曲面阵列排布形式设计了子眼镜头曲面固定本体,提出了利用自带光源的自准直经纬仪及计算机图像处理技术的装调方法.在实际装配和调整过程中,完成了中心子眼镜头和边缘第一阵列子眼镜头的安装,利用该系统采集图像数据,结果表明:物方视场空间的实际重合区域与理论设计一致.     

视场拼接复眼成像系统结构及装调方法

提出了以高分辨率、小视场的子眼镜头为中心,曲面阵列化排布多个分辨率较低、视场大的边缘阵列子眼镜头的人工仿生复眼的结构形式.基于物方视场空间应该保证无缝拼接并尽量缩小重合区域的原则,分析并得到子眼镜头在X方向和Y方向上视场角与复眼系统总体视场角的数学关系式,推导出了边缘阵列子眼镜头的周期阵列数n的数学模型,确定了子眼镜头在曲面上的阵列排布方式.依据曲面阵列排布形式设计了子眼镜头曲面固定本体,提出了利用自带光源的自准直经纬仪及计算机图像处理技术的装调方法.在实际装配和调整过程中,完成了中心子眼镜头和边缘第一阵列子眼镜头的安装,利用该系统采集图像数据,结果表明:物方视场空间的实际重合区域与理论设计一致.     

空间相机交错拼接线列探测器重叠像元数计算

大视场相机焦平面通常由多个线列探测器交错拼接而成。为保证相机在对地成像中不出现漏缝,提出一种相邻探测器重叠像元数计算方法。通过坐标变换法建立空间相机对地成像模型,分析了漏缝产生的原因。分析了像点在前后两行探测器上沿线列方向的相对位移情况,并利用蒙特卡罗法分析轨道、姿态扰动以及目标高程等因素对像点相对位移计算结果的影响,像点位移计算结果的最小值即为相邻探测器最小重叠像元数,依此给出了相邻探测器的重叠像元数计算模型。将该方法应用于某红外相机焦平面的设计,根据该方法确定了各相邻探测器的重叠像元数,并通过红外遥感图像的匹配实验验证了该方法的正确性。     

仿生复眼成像系统设计与制作的研究进展

基于仿生复眼光学成像系统体积小、重量轻、视场大、灵敏度高等优点,对其研究现状和发展前景进行了综述。简要介绍了生物复眼的结构与分类;分别从平面型和曲面型仿生复眼成像系统的设计概述了仿生复眼的研究进展,给出了国内外典型复眼成像系统的结构、模型和成像功能;总结了仿生复眼成像系统应用于不同领域的特点和优势。最后,分析了目前仿生复眼的工艺现状,指出仿生复眼的功能主要受微器件制作工艺的限制,而超精密加工技术是一种革新的、综合的微细加工方法,具有制作更高精度透镜阵列,提高人工仿生复眼应用能力的潜力。     

共口径宽光谱复眼光学系统设计

为了扩大复眼光学系统的接收光谱,研究了一种可见光、长波红外复眼光学系统.推导了双波段共焦面方程,建立了子眼系统与接收系统的匹配要求.子眼光学系统的工作波段为0.38~0.78μm和8~12μm,焦距为5mm,相对孔径为1∶3,视场为10°.两个波段的子眼系统成像位置均为2.92mm,相邻的两个中心光轴夹角为4.016°,共650个子眼,合并后的视场为90°.接收系统的焦距为4mm,视场为80°,相对孔径为1∶3.子眼系统和接收系统的图像质量良好,在-40~60℃的温度范围内无热差影响.     

共口径宽光谱复眼光学系统设计（英文）

为了扩大复眼光学系统的接收光谱,研究了一种可见光、长波红外复眼光学系统.推导了双波段共焦面方程,建立了子眼系统与接收系统的匹配要求.子眼光学系统的工作波段为0.38～0.78μm和8～12μm,焦距为5mm,相对孔径为1∶3,视场为10°.两个波段的子眼系统成像位置均为2.92mm,相邻的两个中心光轴夹角为4.016°,共650个子眼,合并后的视场为90°.接收系统的焦距为4mm,视场为80°,相对孔径为1∶3.子眼系统和接收系统的图像质量良好,在-40～60℃的温度范围内无热差影响.     

复眼式光学成像系统畸变测量与校正技术研究

复眼式光学成像系统在大视场侦查、图像识别、目标探测等领域较传统单孔径光学系统优势突出,但随着视场的增加,子孔径本身的成像畸变及多个子孔径的安装位置误差引起的畸变会直接影响拼接图像的质量。针对该问题,采用光电测量技术对复眼系统进行畸变测量与校正,生成多模动态电子畸变测量靶标,构建畸变测量校正模型,建立多项式拟合算法,采用最小二乘法获得畸变系数,通过双线性插值法模型对图像进行重建。实验结果表明,校正后的平均相对畸变优于0.1%,满足大视场复眼式光学成像系统的畸变校正和图像拼接的精度要求。