基于六边形紧密拼接结构的仿生复眼系统设计

基于仿生复眼的视觉优势,分析了仿生复眼的研究进展,对复眼的成像原理及部分昆虫复眼的结构进行了研究。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形紧密拼接形式的曲面微透镜阵列及转像系统。同时,为了防止相邻子眼间的成像光束串扰,设计了单个光阑长度为1.5 mm的光阑阵列,实现了各子眼的单通道成像。根据光瞳衔接原则,对微透镜阵列和转换系统进行组合并优化。整个复眼的口径为8.66 mm,视场角为121°,每个子眼的口径为500 μm,子眼视场角为6°,在90 lp/mm处,复眼系统的MTF值均大于0.3,其RMS半径均小于艾里斑半径,系统成像质量达到设计要求。为满足3D增材制造工艺需求,设计了复眼系统的机械结构。公差分析结果表明,3D增材制造工艺可以满足系统的像质要求。     

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%.     

用于CF-LCoS LED照明的大角度复眼系统共轭成像优化设计

根据LED发光特性以及彩色滤光片式硅基液晶芯片特性,从成像光学的角度导出了复眼照明系统的基本成像公式.在此基础上由彩色滤光片式硅基液晶芯片目标区域的大小及其对光束入射角以及LED经整形以后的光斑尺寸与发散角的要求,根据推导的复眼系统的基本成像公式计算彩色滤光片式硅基液晶芯片复眼照明系统的初始结构,利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系,将复眼成像,中继透镜成像分别优化,最后将两者通过孔径与中间像匹配的基本要求进行复眼阵列组合,设计了基于彩色滤光片式硅基液晶芯片的大照度入射光下的复眼照明系统.该系统以较小的复眼数,在保证彩色滤光片式硅基液晶芯片照明要求的条件下,较好地解决了照明系统效率、均匀性与大角度问题.与传统计算方法相比,该方法简单明了.非成像软件的模拟结果证明该方法准确,均匀性好,效率高.实验样机结果验证了本文所提方法的正确性和有效性.     

仿生复眼视觉系统中全景图拼接算法

模仿昆虫复眼的视觉机理,设计一种仿生球面9复眼视觉系统,并提出一种全景图拼接算法。首先采用抗旋转、抗尺度变化的SIFT图像匹配算法进行特征点的提取与匹配;然后利用稳健的RANSAC算法求出图像间变换矩阵 的初始值,并使用LM非线性迭代算法精炼 ;最后通过改进的加权平滑算法完成多视角图像序列的无缝拼接,得到整个场景的全景图。实验结果表明:全景图的整个拼接过程中复眼视觉系统可以自动地实现对多视角图像序列的无缝拼接,并在多个方向都增大了视场,弥补了传统宽屏幕全景图的不足。     

曲面仿生复眼测速技术研究

曲面仿生复眼相机具有大视场,对运动目标敏感等特点,在广域探测、内窥导管、精确制导等国防、医学及民用工业领域中有着广阔的应用前景,该文报道了基于曲面仿生复眼相机的高速运动目标测速技术研究。首先建立了基于曲面仿生复眼成像原理的测速模型;然后利用霍夫圆检测算法在原始复眼图像上找出每个子眼所在位置,并通过图像分割对相邻子眼之间重叠视场进行分析;最后再结合SIFT算法对相邻2个子眼的子图像进行特征点提取与图像配准,由提取出的特征点像素坐标计算出重叠区域像素数目,从而得到汽车的运动速度。设计了相关测速实验进行验证,实验中拍摄距离控制在6 m～10 m之间,对以8.33 m/s速度做匀速直线运动的汽车进行测试,测试结果表明,可将速度测试的相对误差控制在4%以内。与单孔径成像系统测速结果相比,曲面仿生复眼测速技术具有更高的准确性和重复性。     

基于目标运动的复眼式双目视觉测距法

昆虫（螳螂）复眼利用目标的动态差异实现立体视觉,具有视场大、计算简单、实时性高等特点,是立体视觉研究的新方向。为实现复眼立体视觉在机器人视觉导航中的应用,根据复眼结构以及信息处理机制,提出并研究了环形光电传感器的目标快速检测与定位方法。首先,搭建了基于60个光电二极管的等6°夹角分布式环形传感器,形成具有360°视场的环形仿生复眼;其次,建立了基于光流原理的运动目标方位角检测模型,采用傅里叶拟合法实现了方位角检测模型的优化,实现了运动目标方位角与目标距离大视野范围内的简单、快速检测。实验结果表明:1）可实现距离375 mm范围内运动速度为30 mm/s的目标方位角实时检测,测量误差在2°范围内;2）基于目标方位角检测模型,可实现双目阵列传感器在300 mm×375 mm视野重叠区域范围内、平均测量误差在10 mm范围内的立体视觉测距。基于光流的运动目标方位角检测模型可用于实现对运动目标空间位置的动态实时检测,在运动检测、视觉导航等领域具有广泛的应用前景。     

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.     

复眼图像超分辨率重构的噪声分析与消除

分析了复眼图像超分辨率重构结果图像中噪声来源及主要表现形式,为优化重构结果,提出一种基于Wiener-Butterworth(W-B)滤波器的重构噪声消除方法。通过叠加不同数量高斯噪声的低分辨率图像重构实验,研究了该滤波器对算法引入噪声和原始图像噪声的滤除效果,并在频域对实验结果作了相关分析;验证实验验证了该滤波器在噪声类型和大小均未确定时改善图像质量的有效性。实验结果表明:针对算法引入噪声,该滤波器使重构结果的PSNR提高4 d B;当施加均值为0、方差为0.01的高斯噪声时,滤波后重构结果 PSNR提高6.9 d B。W-B滤波器能有效消除复眼超分辨率重构图像中的噪声和方块效应、振铃效应和梳边效应,改善重构图像质量。     

复眼三维目标定位精度分析

为提高视觉测量系统的精度,以一种复眼结构为模型, 着重探讨了复眼系统的多子眼在提高目标定位精度中的作用,并进行系统的仿真分析。首先,对复眼结构进行了简要介绍。随后利用Zemax建立了复眼的光学入射模型。接着,设定标定目标平面并逐点设定空间三维坐标并得到标定点与透镜中心之间的入射角度。然后,建立起入射角度与对应像点之间的关系作为标定结果。最后,根据标定结果分别利用复眼中不同子眼数对空间目标点坐标进行求取。分析结果显示:利用复眼多子眼共同定位目标较传统的双目视觉能获得更高的精度,并且精度会随着子眼数目的增加而提高,该方案为复眼的实际制作和应用提供了良好的指导作用。     

仿生复眼系统的视场重叠率

为了实现复眼系统小型化、轻量化,提出一种基于相机外凸式的安装结构。基于该种结构,首先分析了子眼系统视场角之和与光轴夹角之间的关系,通过两子眼系统视场边缘点之间的坐标关系,建立了与子眼间光轴夹角、子眼系统视场角、观测距离相关的视场重叠率计算模型。通过对此模型分析,复眼系统中子眼间光轴夹角应当小于子眼视场角之和,且大于子眼视场角之差;在上千米的观测距离下,子眼间的视场重叠率随观测距离的变化趋向于定值。依据此模型设计了一款19孔径的复眼系统。针对3 km外目标搭建了实验,采集了子眼图像数据,实验结果表明,复眼系统实现了79.23°全视场的无盲区监测,1级阵列间子眼的实际重叠率在X、Y方向分别为71.16%、45.99%;1级与2级阵列间子眼在X、Y方向同时存在重叠时的实际重叠率分别为43.00%、18.36%,只在X方向存在重叠时的实际重叠率为14.62%;2级阵列间子眼的实际重叠率在X、Y方向分别为66.58%、24.6%。理论重叠量分别为75%、40%;40%、20%;15%;70%、30%。通过子眼实际重叠量与理论重叠量的对比分析,验证了该视场重叠计算模型的可行性。