CN105516688A - 一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置其成像方法，分为机械结构和控制系统两部分。机械结构采用分层式左右对称结构，整个仿鹰眼视觉成像装置分为上层光学结构和下层云台控制结构，使其具备伺服控制和分辨率变换功能。所述机械结构包括两个定焦工业相机、两个板级工业相机、镜头切换装置及二自由度云台；所述控制系统包括图像处理单元、舵机控制单元和电源单元。本发明可以保证视觉系统既可以大范围监控场景，对可疑目标进行检测和定位，又可以进行高分辨率进行分析和测量，可克服单一相机的精度和视场范围相互矛盾的缺陷，目标检测效率明显提高，适用范围更广。

Description

一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置及其成像方法

【技术领域】

本发明涉及一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置其成像方法，属于视觉成像技术和仿生技术领域。

【背景技术】

视觉是一种重要的信息采集系统。由于视觉传感器的低成本和易用性等特点，视觉成像系统已广泛应用于生活中的各个方面，包括监控、工业产品检验、光学测量、无人机、卫星等。然而，目前市场上对视觉系统的设计大多只是简单的图像数据采集上，结构与功能相对单一。简单的工业相机与定焦镜头的组合往往导致视觉系统视场范围有限，图像信息利用率较低，难以同时满足大视场和高精度的要求。搭配变焦镜头虽然可以实现变焦数据采集，但自动变焦系统结构相对复杂，且较难以程序控制，因此，设计一种可以满足多种需求且方便用户操作的智能视觉系统很有必要。

鹰眼具有大视场、目光敏锐等显著特点。其特殊的眼部结构和视觉原理决定了鹰可以在复杂环境中发现并捕获弱小目标。因此，对鹰眼的视觉系统结构和视觉原理进行分析，建立鹰眼视觉模型，进而构建仿鹰眼视觉成像装置，具有广阔的应用前景。

【发明内容】

1、发明目的：

本发明一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，是在提供一种仿鹰眼视觉智能采集处理系统，通过模拟鹰眼视觉系统结构和环境感知机理，采用多路图像采集和图像处理技术，从而使系统同时具有大视场和分辨率变换的功能。

2、技术方案：

本发明为一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，分为机械结构和控制系统两部分。机械结构采用分层式左右对称结构，整个仿鹰眼视觉成像装置分为上层光学结构和下层云台控制结构，使其具备伺服控制和分辨率变换功能。

所述机械结构包括两个定焦工业相机、两个板级工业相机、镜头切换装置及二自由度云台；

所述两个定焦工业相机和两个板级工业相机均固定于平台上片上；两个定焦相机平行分布于平台上片两侧，两个定焦相机光轴方向成180度夹角；两个板级工业相机均位于平台上片的其他一侧，两个板级工业相机光轴方向成30度夹角；

所述镜头切换装置由舵机A、镜头旋转片和镜头组成，舵机A控制镜头旋转片的旋转运动，从而带动镜头的切换；舵机A固定于平台上片上，与板级工业相机在同一侧；镜头旋转片为圆板结构，正中心有安装孔与舵机A固定；镜头以镜头旋转片中心为圆心，按照圆周均匀分布在镜头旋转片上，镜头与舵机A分别安装于镜头旋转片的两侧；

所述二自由度云台由平台下片、俯仰伺服系统、云台旋转片及底座构成，二自由度云台控制上层光学结构进行俯仰和转向操作；所述上层光学结构通过平台中片及L型固定件与下层云台控制结构相连；

所述俯仰伺服系统包括舵机B，摇臂和摇杆，两个舵机B对称固定于平台下片上，摇臂通过摇臂的中心安装孔与舵机B固定，摇臂为弓形碳纤板结构，摇杆对称安装在摇臂的两端，摇杆为圆柱形，俯仰伺服系统控制上层光学结构进行俯仰运动；

底座为圆筒状结构，舵机B固定于圆筒状底座内，云台旋转片为圆形碳纤板制成，放置于底座上，云台旋转片中心与舵机B固定；

两个L型支撑件对称固定在平台下片上，连接平台下片和L形固定件；六个L形固定件分两边对称固定在平台中片上，每一边的三个固定件中中间的固定件与L型支撑件连接，每一边的三个固定件中两侧的分别与两个摇杆相连；

所述云台旋转片由底座中的舵机B控制进行转向运动；

平台上片和平台中片之间以及平台下片和云台旋转片之间均通过连接杆进行固定连接；

所述定焦工业相机和板级工业相机通过信号线与图像处理单元相连，采集的多路图像经过图像处理单元处理，图像处理单元可根据用户需求进行功能设计，完成特定的视觉处理任务，并通过控制系统和舵机对镜头切换装置进行控制，从而切换到相应任务的镜头。

所述定焦工业相机采用两侧对称固定的安装方式，采用固定的短焦镜头，形成两侧较大的视场范围，从而可以获取场景中的大范围信息；

所述两个板级工业相机位于中间区域，形成双目视场范围，镜头通过镜头切换装置调节，从而形成可分辨率变换的双目视觉结构。装置中所有的镜头均采用标准的M12接口镜头，从而可减少整个装置的体积。

所述平台上片、平台中片、平台下片、云台旋转片以及镜头旋转片均采用碳纤维板制作而成，从而减轻整个装置的重量。平台上片为六边形，平台中片为圆形，平台下片为由圆形去掉中心对称的两个弓形部分构成；

所述L型支撑件及L型固定件均采用铝合金材料制作而成。

所述二自由度云台控制整体进行俯仰和转向操作；

所述控制系统包括图像处理单元、舵机控制单元和电源单元；

所述电源单元为整个硬件系统提供电源；

所述图像处理单元负责采集多路的工业相机图像，并进行相应的处理；

所述舵机控制单元从图像处理单元接收控制信号，用于控制二自由度云台中的舵机和镜头切换装置中的舵机。

上述工业相机的工作模式可以进行组合配置，两侧的定焦工业相机形成两侧视场，中间的板级工业相机形成中间视场，三个视场可覆盖大范围场景，从而可在大范围场景中捕获目标；图像处理单元利用大场景信息和设定任务来调度镜头切换装置，当可疑目标距离较远时，切换为短焦镜头，进入大场景模式，以有效跟踪目标，当可疑目标距离较近时，则切换为长焦镜头，进入双目视觉测量模式，组成立体视觉从而对目标的更多信息进行捕获和精确测量。

本发明一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置的成像方法，具体工作步骤如下：

(1)控制镜头切换装置，将板级工业相机的镜头调节到短焦镜头，进入大场景模式，两侧定焦工业相机形成两侧视场，从而三个视场拼接为一个大视场，用于大场景的实时监控，此时针对的目标为距离较远的目标，采集的图像经过图像处理单元处理后，采用显著性计算检测场景中的可疑目标；

(2)当场景中发现可疑目标后，计算可疑目标在大场景中的图像坐标，进而计算可疑目标相对于整体平台中心的方位参数，舵机控制单元根据目标的方位参数控制二自由度云台中的两个舵机B，将中间板级工业相机对准可疑目标；

(3)通过控制镜头切换装置，将板级工业相机的镜头调节到长焦镜头，进入双目视觉测量模式，此时两个板级工业相机构成的双目视觉系统可对目标进行进一步的精细分析；两侧定焦工业相机则继续对周边场景进行实时监控。

本发明优点及功效在于：

采用可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，可以保证视觉系统既可以大范围监控场景，对可疑目标进行检测和定位，又可以进行高分辨率进行分析和测量，可克服单一相机的精度和视场范围相互矛盾的缺陷，目标检测效率明显提高，适用范围更广。为装置加入控制系统，通过程序设定可以使系统自动检测可疑目标并进行分辨率变换，人机交互功能可方便用户根据需要进行远程监控和控制，并可以很好地拓展仿鹰眼视觉成像装置的应用范围。

【附图说明】

图1可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置结构示意图。

图2上层结构示意图。

图3下层结构示意图。

图4硬件连接关系示意图。

图中标号说明如下：

1、平台上片2、平台中片3、平台下片4、云台旋转片

5、底座6、舵机B7、摇臂8、摇杆

9、L型支撑件10、L型固定件11、定焦工业相机12、连接杆

13、板级工业相机14、舵机A15、镜头旋转片16、镜头

【具体实施方式】

请参阅图1—4所示，本发明一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，它分为机械结构和控制系统两部分。机械结构采用经典的分层式左右对称结构，整体可分为上层光学结构和下层云台控制结构，使其具备伺服控制和分辨率变换功能。

机械结构包括两个定焦工业相机11，两个板级工业相机13，镜头切换装置，二自由度云台；所述两个定焦工业相机和板级工业相机均固定于平台上片1上，两个定焦相机平行分布于两侧，两个板级工业相机位于中间，光轴方向成30度夹角；镜头切换装置由舵机A14、镜头旋转片15和多个镜头16组成，舵机A14控制镜头旋转片15的旋转运动，从而带动镜头16的切换，舵机A14位于板级工业相机13的上方；上层光学结构通过平台中片2及L型固定件与下层云台控制结构相连；二自由度云台由平台下片3、俯仰伺服系统、云台旋转片4及底座构成，控制上层光学结构进行俯仰和转向操作；俯仰伺服系统包括舵机B6，摇臂7和摇杆8，控制平台进行俯仰运动，云台旋转片4由底座5中的舵机控制进行转向运动；平台安装片1和2之间以及3和4之间均通过连接杆12进行固定连接；L型支撑件通过固定件10与平台中片2连接，使上层光学结构进行俯仰运动时旋转轴保持固定位置；所有相机通过信号线与图像处理单元相连，采集的多路图像经过图像处理单元处理，图像处理单元可根据用户需求进行功能设计，完成特定的视觉处理任务，并通过控制系统和舵机对镜头切换装置进行控制，从而切换到相应任务的镜头。

上述的平台上片1、平台中片2、平台下片3以及镜头旋转片15均采用碳纤维板制作而成，从而减轻整个装置的重量。上述的L型支撑件9及L型固定件10均采用铝合金材料制作而成。

上述的两个定焦工业相机11采用两侧对称固定的安装方式，采用固定的短焦镜头，形成两侧较大的视场范围，从而可以获取场景中的大范围信息；两个板级工业相机13位于中间区域，形成双目视场范围，镜头16通过镜头切换装置调节从而形成可分辨率变换的双目视觉结构。装置中所有的镜头均采用标准的M12接口镜头，从而可减少整个装置的体积。

控制系统包括图像处理单元、舵机控制单元和电源单元；所述电源单元为整个硬件系统提供电源，图像处理单元负责采集多路的工业相机图像，并进行相应的处理；舵机控制单元从图像处理单元接收控制信号，用于控制二自由度云台中的舵机和镜头切换装置中的舵机。

上述工业相机的工作模式可以进行组合配置，两侧的定焦工业相机形成两侧视场，中间的板级工业相机形成中间视场，三个视场可覆盖大范围场景，从而可在大范围场景中捕获目标；图像处理单元利用大场景信息和设定任务来调度镜头切换装置，当可疑目标距离较远时，切换为短焦镜头，进入大场景模式，以有效跟踪目标，当可疑目标距离较近时，则切换为长焦镜头，进入双目视觉测量模式，组成立体视觉从而对目标的更多信息进行捕获和精确测量。

上述图像处理单元可对获取的多路图像进行整合输出，根据用户配置，可将多路图像整合成一个大场景图像用于人机交互功能，用户可以通过图像处理单元的视频输出接口和网络接口进行图像显示和远程访问。

具体工作步骤如下：

(1)控制镜头切换装置，将板级工业相机的镜头调节到短焦镜头，进入大场景模式，两侧定焦工业相机形成两侧视场，从而三个视场拼接为一个大视场，用于大场景的实时监控，此时针对的目标为距离较远的目标，采集的图像经过图像处理单元处理后，采用显著性计算检测场景中的可疑目标；

(2)当场景中发现可疑目标后，计算可疑目标在大场景中的图像坐标，进而计算可疑目标相对于整体平台中心的方位参数，舵机控制单元根据目标的方位参数控制二自由度云台中的两个舵机，将中间板级工业相机对准可疑目标；

(3)通过控制镜头切换装置，将板级工业相机的镜头调节到长焦镜头，进入双目视觉测量模式，此时两个板级工业相机构成的双目视觉系统可对目标进行进一步的精细分析；两侧定焦工业相机则继续对周边场景进行实时监控。

采用可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，可以保证视觉系统既可以大范围监控场景，对可疑目标进行检测和定位，又可以进行高分辨率进行分析和测量，可克服单一相机的精度和视场范围相互矛盾的缺陷，目标检测效率明显提高，适用范围更广。为装置加入控制系统，通过程序设定可以使系统自动检测可疑目标并进行分辨率变换，人机交互功能可方便用户根据需要进行远程监控和控制，并可以很好地拓展仿鹰眼视觉成像装置的应用范围。

Claims (7)

1.一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，其特征在于：分为机械结构和控制系统两部分；机械结构采用分层式左右对称结构，整个仿鹰眼视觉成像装置分为上层光学结构和下层云台控制结构，使其具备伺服控制和分辨率变换功能；

所述机械结构包括两个定焦工业相机、两个板级工业相机、镜头切换装置及二自由度云台；

所述两个定焦工业相机和两个板级工业相机均固定于平台上片上；两个定焦相机平行分布于平台上片两侧；两个板级工业相机均位于平台上片的其他一侧；

所述镜头切换装置由舵机A、镜头旋转片和镜头组成，舵机A控制镜头旋转片的旋转运动，从而带动镜头的切换；舵机A固定于平台上片上，与板级工业相机在同一侧；镜头旋转片为圆板结构，正中心有安装孔与舵机A固定；镜头以镜头旋转片中心为圆心，按照圆周均匀分布在镜头旋转片上，镜头与舵机A分别安装于镜头旋转片的两侧；

所述二自由度云台由平台下片、俯仰伺服系统、云台旋转片及底座构成，二自由度云台控制上层光学结构进行俯仰和转向操作；所述上层光学结构通过平台中片及L型固定件与下层云台控制结构相连；

所述俯仰伺服系统包括舵机B，摇臂和摇杆，两个舵机B对称固定于平台下片上，摇臂通过摇臂的中心安装孔与舵机B固定，摇杆对称安装在摇臂的两端，摇杆为圆柱形，俯仰伺服系统控制上层光学结构进行俯仰运动；

底座为圆筒状结构，舵机B固定于圆筒状底座内，放置于底座上，云台旋转片中心与舵机B固定；

两个L型支撑件对称固定在平台下片上，连接平台下片和L形固定件；六个L形固定件分两边对称固定在平台中片上，每一边的三个固定件中中间的固定件与L型支撑件连接，每一边的三个固定件中两侧的分别与两个摇杆相连；

所述云台旋转片由底座中的舵机B控制进行转向运动；

平台上片和平台中片之间以及平台下片和云台旋转片之间均通过连接杆进行固定连接；

所述定焦工业相机和板级工业相机通过信号线与图像处理单元相连，采集的多路图像经过图像处理单元处理，图像处理单元根据用户需求进行功能设计，完成特定的视觉处理任务，并通过控制系统和舵机对镜头切换装置进行控制，从而切换到相应任务的镜头；

所述定焦工业相机采用两侧对称固定的安装方式，采用固定的短焦镜头，形成两侧视场范围；

所述两个板级工业相机位于中间区域，形成双目视场范围，镜头通过镜头切换装置调节，从而形成可分辨率变换的双目视觉结构；

所述二自由度云台控制该可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置进行俯仰和转向操作；

所述控制系统包括图像处理单元、舵机控制单元和电源单元；

所述电源单元为整个硬件系统提供电源；

所述图像处理单元负责采集多路的工业相机图像，并进行处理；

所述舵机控制单元从图像处理单元接收控制信号，用于控制二自由度云台中的舵机B和镜头切换装置中的舵机A。

2.根据权利要求1所述的一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，其特征在于：所述两个定焦相机光轴方向成180度夹角；所述两个板级工业相机光轴方向成30度夹角。

3.根据权利要求1所述的一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，其特征在于：摇臂为弓形碳纤板结构。

4.根据权利要求1所述的一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，其特征在于：所述平台上片、平台中片、平台下片、云台旋转片以及镜头旋转片均采用碳纤维板制作而成；平台上片为六边形，平台中片为圆形，平台下片为由圆形去掉中心对称的两个弓形部分构成。

5.根据权利要求1所述的一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，其特征在于：所述镜头均采用标准的M12接口镜头。

6.根据权利要求1所述的一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，其特征在于：所述L型支撑件及L型固定件均采用铝合金材料制作而成。

7.一种可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置的成像方法，该成像方法利用权利要求1所述的可分辨率变换的仿鹰眼视觉成像装置，步骤如下：

(1)控制镜头切换装置，将板级工业相机的镜头调节到短焦镜头，进入大场景模式，两侧定焦工业相机形成两侧视场，从而三个视场拼接为一个大视场，用于大场景的实时监控，此时针对的目标为距离较远的目标，采集的图像经过图像处理单元处理后，采用显著性计算检测场景中的可疑目标；

(2)当场景中发现可疑目标后，计算可疑目标在大场景中的图像坐标，进而计算可疑目标相对于整体平台中心的方位参数，舵机控制单元根据目标的方位参数控制二自由度云台中的两个舵机B，将中间板级工业相机对准可疑目标；

(3)通过控制镜头切换装置，将板级工业相机的镜头调节到长焦镜头，进入双目视觉测量模式，此时两个板级工业相机构成的双目视觉系统可对目标进行进一步的精细分析；两侧定焦工业相机则继续对周边场景进行实时监控。