CN104867140A - 一种基于仿生复眼的大视场定位系统 - Google Patents

一种基于仿生复眼的大视场定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于仿生复眼的大视场定位系统，涉及到医学上的临床实验，工业上的机器视觉以及国防上的航空监测等应用领域。该系统可同时实现大视场图像拍摄及大视场范围内目标三维定位功能，其大视场定位结构由多面体支撑体以及其上紧密排布的多个镜头组成，多面体的每一个平面上布置1个主镜头及另外1个以上辅助镜头，利用每个面上的主镜头对不同方位内的场景进行捕获，可以实现大视场空间内场景的观测，通过每个多面体面上的多个镜头相互作用，即可实现该方位内物体的定位。该发明结构紧凑，能够满足实用化的要求，进一步推进了复眼成像系统的应用。

Description

一种基于仿生复眼的大视场定位系统
技术领域
本发明涉及复眼成像系统和机器视觉技术领域，具体涉及一种基于仿生复眼的大视场三维定位系统。
背景技术
随着光学成像系统在生物、医学、工业和国防等领域的广泛应用，人们对其性能的要求越来越高。在某些场合，不仅要求光学成像系统具有更大的视场角，即能够拍摄更大视场范围内的图像，而且要求能够从所拍摄的图像中提取目标物的位置信息，以便用于距离测量、运动检测以及场景的三维重建。
从日常生活中的高速公路视频监控、小区内视频安防监控同时监控360度区域、虚拟现实、机器人导航，到嫦娥登月及玉兔上车载大视场成像装置，再到军事上用途广泛的微小型无人侦察机上的大视场成像探测装置，大视场成像及目标三维探测重构技术作为一个重要的研究课题，其应用范围也越来越广泛。如何能够设计一种能够同时满足大视场成像及目标精确三维定位的结构，将在国民生产生活、工业检测、航空航天、军事等领域具有极大的应用前景。
昆虫复眼以其体积小、结构紧凑、视场角大、对运动物体反应灵敏等而具有独特的优势，引起学者越来越多的关注，经过研究我们发现，人工仿生复眼是解决大视场无畸变成像技术比较优秀的方案，由于复眼曲面排布，各镜头朝向不同的方向，可以同时对不同方位的目标进行成像，通过图像拼接可以实现大视场成像功能。同时，由于复眼为多目视觉成像系统，通过选取2个以上镜头对同一目标进行拍摄，基于双目定位原理，可以实现目标物体的三维定位，因而昆虫复眼结构还具有三维测量与重构的能力。在前人研究的基础上，我们提出了一种结构简单、功能实用的用于空间三维测量的复眼设计方案。基于该结构，通过编写算法，可以实现大视场范围内目标精确三维定位，推动复眼成像系统在实际工业生产中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现大视场范围内目标定位的复眼系统，通过该系统，可以实现大视场图像拍摄、大视场实时视频监控、大视场范围内目标三维定位、运动目标检测与跟踪、三维空间重构等视觉感知功能。该系统可用于高速公路视频监控、小区内视频安防监控、机器人导航等，不仅能够对大视场范围内的目标成像，而且可以实现目标的精确三维定位。
本发明采用的技术方案是：一种基于仿生复眼的大视场定位系统，
该系统由在多面体支撑体上排布的多个镜头组成，该多面体的各个面外切于一共同球体，多面体的每个面上分布有多个镜头，包含一个主镜头和其余1个以上的辅助镜头。
进一步的，该系统中的多面体支撑体由多个平面构成，每个平面的形状为多边形，各平面朝向空间不同方向，且其形成的多面体外接(或内切)于同一个球面。
进一步的，对于多面体单个面上的多个镜头来说，其分布方式为：主镜头布置在每个多边形平面外接圆圆心处，辅助镜头根据需要均布在主镜头周围；
进一步的，多面体相邻面上的主镜头的视场之间存在重叠区域；
进一步的，利用多面体每个面上的主镜头实现对其方位内场景的获取，所述的主镜头所获取的图像进行后续拼接之后，可实现大视场空间内场景的探测，其视场角可达360°×360°×360°；
进一步的，对于多面体单个面上的多个镜头来说，其光轴方向是一致的；
进一步的，对于多面体单个面上的多个镜头来说，其视场之间存在极大的视场重叠区域，但是由于其在面上的位置差异，所拍摄场景获取的图像信息也会存在差异。
进一步的，利用多面体单个面上的多个镜头，实现对该方位场景空间信息的获取，利用场景在每个镜头所获取图像信息内的位置差异，可获取场景信息在空间内的实际位置，即实现目标的定位，场景的三维信息获取等功能。
进一步的，多面体每个面上的镜头数越多，其定位精度越高。
本发明的有益效果在于：
(1)、该仿生发明得到的复眼系统，创造性的将大视场和定位技术融于一体，可以实现大视场空间内场景的位置信息的获取。
(2)、本发明是一种集成化一体化的系统，在目标测量、三维重构、监控和自动跟踪等方面有良好的应用前景。
(3)、针对双目视觉系统定位精度难以保证的现实，本发明中的方案提供了一种可以灵活更改约束条件，从而提高系统定位精度的方法。
附图说明
图1为实施例1中的一种基于仿生复眼的大视场定位系统示意图；
图2为实施例1中19个主镜头及其视场示意图；
图3为实施例1中19个主镜头视场拼接示意图；
图4为实施例1中视场1范围内定位原理示意图；
图5为实施例1中视场1范围内定位区域划分示意图；
图6(a)为实施例1中视场1范围内可以被4个镜头拍摄到的区域示意图；
图6(b)为实施例1中视场1范围内可以被3个镜头拍摄到的区域示意图；
图6(c)为实施例1中视场1范围内可以被2个镜头拍摄到的区域示意图；
图7为实施例2中一种基于仿生复眼的大视场定位系统示意图(足球烯形)；图7(a)为外形图；图7(b)为线框图；
图8为实施例2中子眼镜头编号示意图；其中8(a)为仰视图；8(b)为俯视图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1
本实施例中的复眼大视场定位系统如图1所示，该系统包含有19个多边形平面构成的支撑体和70个子眼镜头。支撑体每个面的编号分别为1,2……19。单个镜头的视场角为32°，支撑体每个面上的镜头数为4个。
支撑体高度为88.41mm，外接球面半径为181.4mm，构成支撑体的各平面外接圆直径为100mm。
对子眼镜头进行编号，如图1所示，各子眼镜头三维坐标见表1。子眼镜头分两类：主镜头和辅助镜头，主镜头布置在多面体每个面的外接圆圆心处，其编号为1a-19a，所有主镜头及其视场如图2所示。相应的，对各主镜头对应的视场进行编号，其编号为1-19，如图3所示。各主镜头拍摄的图像进行拼接，形成大视场图像，实现大视场拍摄功能，该实施例中的大视场定位结构实现的视场角为146°。
表1 实施例1中镜头排布方式条件下的子眼镜头三维坐标(单位：mm)
镜头编号 X Y Z 镜头编号 X Y Z
1a 0 0 174.37 10a -73.227 -126.833 94.6374
1b -10.8284 -18.7554 174.37 10b -76.4981 -107.056 118.611
1c -10.8284 18.7554 174.37 10c -54.464 -119.777 118.611
1d 21.6569 0 174.37 11a -114.305 -65.994 113.948
2a 40.7965 -70.6615 154.102 11b -100.185 -57.7759 132.871
2b 31.2267 -54.0862 164.236 11c -116.351 -86.6102 99.9553
2c 61.549 -71.5617 148.223 11d -133.182 -57.4578 99.9553
2d 31.1998 -89.0839 148.223 12a -146.454 0 94.6374
3a -40.7964 -70.6615 154.102 12b -130.962 12.7214 118.611
3b -31.2267 -54.0862 164.236 12c -130.962 -12.7214 118.611
3c -31.1998 -89.0839 148.223 13a -100.128 65.994 113.948
3d -61.549 -71.5617 148.223 13b -100.128 57.8751 132.871
4a -81.5929 0 154.102 13c -133.182 57.4578 99.9553
4b -62.4533 0 164.236 13d -116.351 86.6101 99.9553
4c -92.7488 -17.5221 148.223 14a -73.227 126.833 94.6374
4d -92.7488 17.5221 148.223 14b -54.464 119.777 118.611
5a -40.7965 70.6615 154.102 14c -76.4981 107.056 118.611
5b -31.2267 54.0862 164.236 15a 0 131.988 113.948
5c -61.549 71.5617 148.223 15b 0 115.651 132.871
5d -31.1998 89.0839 148.223 15c -16.8311 144.068 99.9553
6a 40.7964 70.6615 154.102 15d 16.8311 144.068 99.9553
6b 31.2267 54.0862 164.236 16a 73.227 126.833 94.6374
6c 31.1998 89.0839 148.223 16b 76.4981 107.056 118.611
6d 61.549 71.5617 148.223 16c 54.464 119.777 118.611
7a 81.5929 0 154.102 17a 114.305 65.994 113.948
7b 62.4533 0 164.236 17b 100.185 57.7759 132.871
7c 92.7488 17.5221 148.223 17c 116.351 86.6102 99.9553
7d 92.7488 -17.5221 148.223 17d 133.182 57.4578 99.9553
8a 73.227 -126.833 94.6374 18a 146.454 0 94.6374
8b 54.464 -119.777 118.611 18b 130.962 -12.7214 118.611
8c 76.4981 -107.056 118.611 18c 130.962 12.7214 118.611
9a 0 -131.988 113.948 19a 114.305 -65.994 113.948
9b 0 -115.651 132.871 19b 100.128 -57.8751 132.871
9c 16.8311 -144.068 99.9553 19c 133.182 -57.4578 99.9553
9d -16.8311 -144.068 99.9553 19d 116.351 -86.6101 99.9553
本发明中目标三维定位功能通过目标点在不同子眼中所成像的坐标差异结合子眼相对位置关系来实现，即当目标点同时被两个镜头拍摄到时，可通过目标点在两张图片中的像素坐标以及两镜头的参数及相对位置关系求出其在实际三维空间中的坐标。
在该实施例中，为编号为xa(x＝1，2…19)的主镜头配置xb-xc或xb-xd两类辅助镜头，通过选取主镜头xa与适当的辅助镜头，以保证目标点被主镜头及至少一个辅助镜头拍摄到，实现视场x范围内目标三维定位功能。
如图4中所示，对于视场1范围内的目标，可选取1b-1d辅助镜头与主镜头1a配合，保证视场1范围内所有目标都可以被至少两个镜头拍摄到，通过算法提取目标点在两张图像中的像素坐标，结合镜头参数—焦距、光学畸变以及两个镜头在三维空间中的坐标关系，计算视场内目标点的三维坐标。
下面以该实施例中视场1范围内的目标定位为例具体说明该发明目标三维定位功能。
将视场1划分为七部分，并根据视场重叠特征将其划分为3类，编号如图5所示，编号方法为：
第1类：主镜头1a与三个辅助镜头1b、1c、1d的视场重叠区域；
第2类：主镜头1a与1b、1c、1d中两个辅助镜头的视场重叠区域；
第3类：主镜头1a与1b、1c、1d中一个辅助镜头的视场重叠区域。
如图6所示，对于第1类区域内的目标点，可以选择主镜头1a与任一辅助镜头对其进行定位，并且可以通过选择多组镜头求取其三维坐标最后求均值的方法，提高其定位精度。而第2类区域内的点则可以被主镜头1a及两个辅助镜头拍摄到，第3类区域内的点也可以被两个镜头拍摄到。
从以上叙述中可以看出，在主镜头1a能够拍摄到的视场1范围的所有目标点都可以被至少两个镜头拍摄到。
其余视场范围内定位原理及区域划分方法与视场1相似，不再赘述。
实施例2
本实施例中，我们想要实现360°×360°×360°全空间探测，为此，需要主镜头视场拼接后形成一个封闭球面，同时为了保证定位精度，在满足大视场要求的前提下，各子眼镜头要尽量处于同一平面内，最终获得的复眼大视场系统如图7(a)、7(b)所示，该系统的支撑体为足球烯形，由12个正五边形和20个正六边形构成，其外接球半径为145.65mm，正五边形与正六边形边长相等，为57.78mm。
每个多边形面上布置4个镜头，单个镜头视场角为48°，镜头编号如图8所示，各镜头三维坐标见表2。
表2 实施例2中镜头排布方式条件下的子眼镜头三维坐标(单位：mm)
镜头编号 X Y Z 镜头编号 X Y Z
1a 0 0 0 17a 76.9421 -105.902 161.803
1b -23.3553 7.85784 0 17b 93.3712 -91.0145 174.303
1c -13.7944 -19.4431 0 17c 79.7485 -109.764 136.803
1d 23.7764 7.72542 0 17d 57.7066 -116.926 174.303
2a 47.5529 65.4508 30.9017 18a 124.495 40.4509 161.803
2b 35.6646 86.5881 38.6271 18b 115.413 60.6763 174.303
2c 35.6646 49.0881 15.4509 18c 129.036 41.9263 136.803
2d 71.3293 60.6763 38.6271 18d 129.036 18.75 174.303
3a -47.5528 65.4509 30.9017 19a 0 130.902 161.803
3b -71.3292 60.6763 38.6271 19b -22.0419 128.514 174.303
3c -35.6646 49.0882 15.4509 19c 0 135.676 136.803
3d -35.6646 86.5882 38.6271 19d 22.042 128.514 174.303
4a -76.9421 -25 30.9017 20a -124.495 40.4509 161.803
4b -79.7485 -49.0881 38.6271 20b -129.036 18.75 174.303
4c -57.7066 -18.75 15.4509 20c -129.036 41.9263 136.803
4d -93.3712 -7.16184 38.6271 20d -115.413 60.6763 174.303
5a 0 -80.9017 30.9017 21a -76.9422 -105.902 161.803
5b 22.0419 -91.0144 38.6271 21b -57.7066 -116.926 174.303
5c 0 -60.6763 15.4509 21c -79.7486 -109.764 136.803
5d -22.042 -91.0144 38.6271 21d -93.3712 -91.0144 174.303
6a 76.9421 -25.0001 30.9017 22a 0 -122.361 197.984
6b 93.3712 -7.16189 38.6271 22b 14.6946 -131.406 179.894
6c 57.7066 -18.75 15.4509 22c -14.6947 -131.406 179.894
6d 79.7485 -49.0882 38.6271 22d 0 -111.18 220.345
7a 116.372 37.8116 75.623 23a 116.372 -37.8116 197.984
7b 120.433 54.5821 93.7132 23b 129.515 -26.6312 179.894
7c 105.739 34.3566 53.2623 23c 120.433 -54.5821 179.894
7d 129.515 26.6312 93.7132 23d 105.739 -34.3567 220.345
8a 0 122.361 75.623 24a 71.9219 98.9919 197.984
8b -14.6946 131.406 93.7132 24b 65.3502 114.947 179.894
8c 0 111.18 53.2623 24c 89.1266 97.6722 179.894
8d 14.6946 131.406 93.7132 24d 65.3502 89.9468 220.345
9a -116.372 37.8115 75.623 25a -71.9218 98.992 197.984
9b -129.515 26.6312 93.7132 25b -89.1266 97.6723 179.894
9c -105.739 34.3566 53.2623 25c -65.3501 114.947 179.894
9d -120.433 54.582 93.7132 25d -65.3502 89.9468 220.345
10a -71.9218 -98.992 75.623 26a -116.372 -37.8115 197.984
10b -65.3502 -114.947 93.7132 26b -120.433 -54.582 179.894
10c -65.3502 -89.9468 53.2623 26c -129.515 -26.6312 179.894
10d -89.1266 -97.6722 93.7132 26d -105.739 -34.3566 220.345
11a 71.9219 -98.9919 75.623 27a -47.5528 -65.4508 242.705
11b 89.1266 -97.6722 93.7132 27b -35.6646 -86.5881 234.98
11c 65.3502 -89.9468 53.2623 27c -71.3292 -60.6762 234.98
11d 65.3502 -114.947 93.7132 27d -35.6646 -49.0881 258.156
12a 124.495 -40.4511 111.803 28a 47.5528 -65.4508 242.705
12b 133.577 -20.2256 124.303 28b 71.3292 -60.6763 234.98
12c 119.954 -38.9755 86.8032 28c 35.6646 -86.5881 234.98
12d 119.954 -62.1518 124.303 28d 35.6646 -49.0881 258.156
13a 76.9424 105.902 111.803 29a 76.942 25 242.705
13b 60.5131 120.789 124.303 29b 79.7485 49.0881 234.98
13c 74.1358 102.039 86.8032 29c 93.3712 7.16183 234.98
13d 96.1778 94.8772 124.303 29d 57.7066 18.75 258.156
14a -76.9421 105.902 111.803 30a 0 80.9016 242.705
14b -96.1776 94.8773 124.303 30b -22.0419 91.0144 234.98
14c -74.1357 102.039 86.8032 30c 22.042 91.0144 234.98
14d -60.513 120.789 124.303 30d 0 60.6763 258.156
15a -124.495 -40.4508 111.803 31a -76.942 25 242.705
15b -119.954 -62.1516 124.303 31b -93.3712 7.16187 234.98
15c -119.954 -38.9754 86.8032 31c -79.7485 7.16187 234.98
15d -133.577 -20.2254 124.303 31d -57.7065 18.75 258.156
16a 0 -130.902 111.803 32a 0 0 273.607
16b 22.0419 -133.289 124.303 32b 0 -25 273.607
16c 0 -126.127 86.8032 32c -23.7764 -7.72541 273.607
16d -22.042 -133.289 124.303 32d 14.6946 20.2254 273.607
在该实施例中，由于支撑体系统为足球烯形，子眼视场重叠范围覆盖了360°×360°×360°空间区域，基于实施例1中所描述的大视场原理及定位原理，可以实现全空间(360°×360°×360°)目标定位，即可以实现空间内所有点三维坐标探测。
对于该实施例中大视场原理及定位原理，由于与实施例类似，这里不再赘述。
以上已结合实施例对本系统做了详尽的说明，本领域技术人员不难根据本系统的原理做出若干改型，但不会超出本发明权利要求所限定的精神与范围。

Claims (9)

1.一种基于仿生复眼的大视场定位系统，其特征在于：该系统的大视场定位结构由在多面体支撑体上排布的多个镜头组成，该多面体的各个面外切于一共同球体，多面体的每个面上分布有多个镜头，包含一个主镜头和其余1个以上的辅助镜头。
2.如权利要求1所述的基于仿生复眼的大视场定位系统，其特征在于：该系统的大视场定位结构中的多面体支撑体由多个平面构成，每个平面的形状为多边形，各平面朝向空间不同方向。
3.如权利要求1所述的基于仿生复眼的大视场定位系统，其特征在于：对于多面体单个面上的多个镜头来说，其分布方式为：主镜头布置在每个多边形平面外接圆圆心处，辅助镜头根据需要均布在主镜头周围。
4.如权利要求1所述的基于仿生复眼的大视场定位系统，其特征在于：多面体相邻面上的主镜头的视场之间存在重叠区域。
5.如权利要求1所述的基于仿生复眼的大视场定位系统，其特征在于：利用多面体每个面上的主镜头结构实现对其方位内场景的获取，所以的主镜头所获取的图像进行后续拼接之后，可实现大视场空间内场景的探测，其视场角可达360°×360°×360°。
6.如权利要求1所述的基于仿生复眼的大视场定位系统，其特征在于：对于多面体单个面上的多个镜头来说，其光轴方向是一致的。
7.如权利要求1所述的基于仿生复眼的大视场定位系统，其特征在于：对于多面体单个面上的多个镜头来说，其视场之间存在极大的视场重叠区域，但是由于其在面上的位置差异，所拍摄场景获取的图像信息也会存在差异。
8.如权利要求1所述的基于仿生复眼的大视场定位系统，其特征在于：利用多面体单个面上的多个镜头，实现对该方位场景空间信息的获取，利用场景在每个镜头所获取图像信息内的位置差异，可获取场景信息在空间内的实际位置，即实现目标的定位，场景的三维信息获取。
9.如权利要求1所述的基于仿生复眼的大视场定位系统，其特征在于：多面体每个面上的镜头数越多，其定位精度越高。
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