CN105549623B - 一种仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法，包括：用于复眼采集目标场景信息的复眼透镜阵列，该复眼透镜阵列包括四个小眼图像采集单元，由四条导轨按X形对称方式拼接而成的导轨组件，所述四个小眼图像采集单元分别位于四条导轨上，且按该导轨组件的中心对称分布，其中，所述小眼图像采集单元包括透镜，位于该透镜后端的成像器件；与各成像器件相连的用于的处理器模块，该处理器模块适于提取各成像器件获取的目标场景的亮度值，并根据该亮度值控制各小眼图像采集单元分别沿所述导轨同步相向或相背等速移动，以调节复眼透镜阵列的视域范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法。
背景技术
在现有技术中，通过数字微镜器件对场景图像进行采样，由于光线强弱变化直接影响成像质量，所以会出现光线强时，清晰度高，光线弱时，清晰度降低，噪点增加；虽然有很多软件处理方法提高弱光线下的清晰度，但是处理效果不佳，例如，最近邻域插值方法、双线性插值方法、双立方插值方法等。双线性插值方法比最近邻域插值方法具有更高的重构准确度，图像恢复效果更佳，但图像会出现锯齿和模糊现象。虽然双立方插值方法的重构效果优于前两者，但却是以牺牲效率为代价，其所耗时间是其它方法的几倍甚至几十倍。同时这些算法只考虑局部像素与全局的相关性，在提高图像恢复效果上有一定作用，然而却破坏了原始图像的高频细节。
现有研究发现，昆虫具有较为宽广的生存环境，例如，螳螂虾所生活的水域从水下50米一直延伸到水下100米。在该环境中，由于太阳光照及水介质的共同作用，其光照条件产生剧烈的变化，为了适应这种多变的生存环境，该物种在小眼排列结构固定的前提下，通过晶状体、感杆束的共同作用，自适应的调节光接收角的大小，在整个复眼的视域内形成不同程度的重叠，最终根据不同的光线环境接收到不同特性的光学信息。在明亮和阴暗两种光照条件下，螳螂虾通过肌丝的松弛和紧缩调节晶状体及感杆束的长度，从而实现小眼视域缩小或扩大的效果，获取相对稳定的光子数量或较好的空间分辨率，使二者达到平衡。根据在实验室条件下所得结果，螳螂虾在不同光照强度环境下，其复眼的成像去广角度及视域会发生相应变化，如亮适应下其小眼视域为5度，是对应暗适应下2度小眼视域的2.5倍。这种昆虫复眼的成像控制机制能够根据环境光照强度的改变调节视域的范围，如果将这种仿生学原理应用于图像采样过程中，将极大提高采样图像的成像效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法,该工作方法解决了根据目标场景的亮度平均值（即环境光照强度）进行自适应调节图像采样视域范围的技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法，仿复眼感知成像信息采集系统包括：用于复眼采集目标场景信息的复眼透镜阵列，该复眼透镜阵列包括四个小眼图像采集单元，由四条导轨按X形对称方式拼接而成的导轨组件，所述四个小眼图像采集单元分别位于四条导轨上，且按该导轨组件的中心对称分布，其中，所述小眼图像采集单元包括透镜，位于该透镜后端的成像器件；与各成像器件相连的处理器模块，该处理器模块适于提取各成像器件获取的目标场景的亮度平均值，并根据该亮度平均值控制各小眼图像采集单元分别沿所述导轨同步相向或相背等速移动，以调节复眼透镜阵列的视域范围；其中，当所述亮度平均值减弱时，所述处理器模块控制各小眼图像采集单元分别沿导轨向内侧相向移动相应距离，以收缩视域范围；当所述亮度平均值增强时，所述处理器模块控制小眼图像采集单元分别沿导轨向外侧相背移动相应距离，以扩大视域范围。
进一步，为了获得更大视域，所述导轨为弧形导轨。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法；
所述仿复眼感知成像信息采集系统，包括：用于复眼采集目标场景信息的复眼透镜阵列，该复眼透镜阵列包括四个小眼图像采集单元，由四条导轨按X形对称方式拼接而成的导轨组件，所述四个小眼图像采集单元分别位于四条导轨上，且按该导轨组件的中心对称分布，其中，所述小眼图像采集单元包括透镜，位于该透镜后端的成像器件；与各成像器件相连的处理器模块，该处理器模块适于提取各成像器件获取的目标场景的亮度平均值，并根据该亮度平均值控制各小眼图像采集单元分别沿所述导轨同步相向或相背等速移动，以调节复眼透镜阵列的视域范围；所述仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法，包括：当所述亮度平均值减弱时，所述处理器模块控制各小眼图像采集单元分别沿导轨向内侧相向移动相应距离，以收缩视域范围；当所述亮度平均值增强时，所述处理器模块控制小眼图像采集单元分别沿导轨向外侧相背移动相应距离，以扩大视域范围。
进一步，为了获得更大视域，所述导轨为弧形导轨。
本发明相对于现有技术具有积极的效果：（1）本发明通过复眼透镜阵列中四个小眼图像采集单元移动来调节视域大小，实现了当目标场景的亮度平均值（即环境光照强度）增强时，所述处理器模块控制各小眼图像采集单元分别沿导轨向外侧相背移动相应距离，以扩大视域范围；当目标场景的亮度值（即环境光照强度）减弱时，所述处理器模块控制各小眼图像采集单元分别沿导轨向内侧相向移动相应距离，以收缩视域范围；当视域范围缩小后，各小眼图像采集单元的单个视域在采集目标场景时，必然会有视域重叠部分，利用视域重叠部分提高图像的清晰度，避免了纯软件算法提高清晰度的带来的技术缺陷。（2）本发明利用移动的小眼图像采集单元实现类似螳螂虾的复眼功能，比传统的N多个小眼图像采集单元来实现复眼功能成本更低。
附图说明
为了清楚说明本发明的创新原理及其相比于现有产品的技术优势，下面借助于附图通过应用所述原理的非限制性实例说明一个可能的实施例。在图中：
图1为本发明的仿复眼感知成像信息采集系统的第一种实施方式在环境光照强度减弱时的示意图；
图2为本发明的仿复眼感知成像信息采集系统的第一种实施方式在环境光照强度增强时的示意图；
图3为本发明的仿复眼感知成像信息采集系统的第二种实施方式在环境光照强度减弱时的示意图；
图4为本发明的仿复眼感知成像信息采集系统的第二种实施方式在环境光照强度增强时的示意图；
图5为本发明的复眼透镜阵列的两条导轨本体的结构示意图;
图6为本发明的复眼透镜阵列的两条导轨本体的一种传动机构示意图;
图7为本发明的复眼透镜阵列的两条导轨本体的另一种传动机构示意图;
图8为本发明的复眼透镜阵列的单根导轨本体的结构示意图
图9为本发明的单根导轨本体、滑块和小眼图像采集单元结构示意图；
图10为本发明的复眼透镜阵列的控制电路结构示意图。
其中，1小眼图像采集单元、1-1小眼外壳本体、2透镜、3成像器件、4导轨、4-1传动轮、4-2传动带、4-3导轨本体、4-4单根导轨本体、5目标场景、6中心点、7视域重叠部分、8滑块、8-1滚轮、8-2微型驱动电机、8-3滑块外壳、8-4挡条。
具体实施方式
实施例1
见图1-5、图8和图10，一种仿复眼感知成像信息采集系统，包括：用于复眼采集目标场景信息的复眼透镜阵列，该复眼透镜阵列包括四个小眼图像采集单元1，由四条导轨4按X形对称方式拼接而成的导轨组件，所述四个小眼图像采集单元1分别位于四条导轨4上，且按该导轨组件的中心点6对称分布，其中，所述小眼图像采集单元1包括透镜2，位于该透镜2后端的成像器件3；
与各成像器件相连的处理器模块，该处理器模块适于提取各成像器件获取的目标场景的亮度平均值，并根据该亮度平均值控制各小眼图像采集单元1分别沿所述导轨4同步相向或相背等速移动（见图5和图8，A表示的箭头方向），以调节复眼透镜阵列的视域范围；
其中，当所述亮度平均值减弱时，所述处理器模块控制各小眼图像采集单元1分别沿导轨4向内侧相向移动相应距离，以收缩视域范围（见图5或图8，各小眼图像采集单元1分别向相应的虚线方框方向移动）；
当所述亮度平均值增强时，所述处理器模块控制小眼图像采集单元1分别沿导轨4向外侧相背移动相应距离，以扩大视域范围（见图5或图8，各小眼图像采集单元1分别向相应的实线方框方向移动）。
所述目标场景的亮度平均值可以称为环境光照强度，且通过各成像器件获取的目标场景提取亮度平均值的方法，可以参见中国专利文献CN202696754U，其公开了处理器与图像传感器相连以获得视频图像信号的亮度值，其中图像传感器等同于所述成像器件3。
其中，按该导轨组件的中心点6对称分布，具体的说就是根据四条导轨4,以中心点6对称展开，即每个导轨4之间的夹角相等为90度。透镜2在本实施例中采用是正方形结构，也可以采用长方形或者是圆形的结构。所述目标场景的亮度平均值或环境光照强度也可以通过光敏传感器，即采用光敏电阻和AD模块，AD模块可以采用AD9850或PCF8591来实现，可以设置在所述中心点6的位置。
所述导轨4具体实施方式一，见图1、图2、图5和图8，所述导轨4为由两条导轨本体4-3构成的直线导轨拼接而成，该直线导轨中带有传动机构，见图6，传动机构具体实施方式一，所述小眼图像采集单元1的小眼外壳本体1-1采用方形柱状结构，该小眼外壳本体1-1的两侧分别设有与所述导轨本体4-3配合的凹槽，所述导轨本体4-3内设有传动机构，该传动机构包括若干个传动轮4-1，所述各传动轮4-1分别由若干微型驱动电机8-2分别控制转动，所述凹槽内设有齿面，所述传动轮4-1为适于与所述齿面啮合的齿轮；即，所述处理器模块通过电机驱动模块来控制各微型驱动电机8-2同步转动，从而控制各小眼图像采集单元1分别沿所述直线导轨同步相向或相背等速移动。
见图5，在所述导轨4具体实施方式一基础上的传动机构具体实施方式二，传动机构可以采用传动轮4-1和传动带4-2配合，在所述直线导轨中的两端分别设有传动轮4-1，两条导轨本体4-3中的各传动轮4-1带动相应传动带4-2同步传动，根据所述导轨4具体实施方式一中所述凹槽内设有齿面，所述传动带4-2的表面设有与凹槽齿面啮合的齿面；即，所述处理器模块通过电机驱动模块来控制各微型驱动电机同步转动，从而控制各小眼图像采集单元1分别沿所述直线导轨同步相向或相背等速移动；另外传动机构也可以采用同步带链传动。
见图7，在所述导轨4为由两条导轨本体4-3构成的直线导轨拼接而成的基础上，传动机构具体实施方式三，小眼外壳本体1-1采用方形柱状结构，该小眼外壳本体1-1的两侧分别设有腔室，所述腔室内设有传动机构，该传动机构包括传动轮4-1、驱动传动轮4-1的微型驱动电机8-2，所述导轨本体4-3一侧设有与传动轮4-1配合的凹槽，且该凹槽中设有齿面，所述传动轮4-1为与所述齿面啮合的齿轮；即，所述处理器模块通过电机驱动模块来控制微型驱动电机8-2同步转动，从而控制各小眼图像采集单元1分别沿所述直线导轨同步相向或相背等速移动。
所述导轨4具体实施方式二，见图8和图9，所述导轨4也可以采用四条单根导轨本体4-4来实现，具体的说，所述四条单根导轨本体4-4按X形对称方式拼接而成的导轨组件，各单根导轨本体4-4上分别设有与该导轨本体滑动配合的滑块（共4个滑块），各滑块的端面上分别固定各小眼图像采集单元1，该滑块内部设有与所述单根导轨本体4-4滚动配合的滚轮8-1，该滚轮8-1由微型驱动电机8-2控制转动，该微型驱动电机8-2由所述处理器模块通过电机驱动模块控制。为了更好的实现各小眼图像采集单元1同步相向或相背等速移动，所述单根导轨本体4-4的顶面为齿面，所述滚轮8-1为适于与所述齿面啮合的齿轮。所述单根导轨本体4-4的顶面两侧设有用于对所述滚轮限位的挡条8-4。
所述导轨4具体实施方式三，见图3和图4，为了获得更大视域，在所述导轨4为弧形导轨，从正面看，弧形导轨的结构与直线导轨相似（图5或图8），由具有一定弧度的导轨本体4-3拼接而成，可以采用导轨实施方式一或二，两条导轨本体或单根导轨本体，以及相应传动机构的方案来实现，通过弧形导轨可以极大限度的扩大了视域范围。
其中，所述处理器模块通过电机驱动模块来控制上述微型驱动电机同步转动是本领域惯用技术手段。
所述处理器模块可以采用单片机，例如51系列，或采用DSP模块，例如DSP2812。所述成像器件3可以采用CCD、CMOS传感器或数字微镜器件DMD。
本发明通过硬件改进，即所述复眼透镜阵列的改进，具体的是，随着各小眼图像采集单元1的移动，实现了当所述亮度平均值增强时，扩大视域范围，因为在光照强度较高时，图像是清晰的，故可提高视域范围；反之，在当所述亮度平均值减弱时，收缩视域范围，这样操作时各小眼图像采集单元1获得的目标场景5具有视域重叠，虽然牺牲了视域，但是根据视域重叠部分7（详见图1和图3，每个透镜拍摄到的目标场景5的公共部分），有效的提高了图像清晰度，克服了背景技术介绍的通过软件提高清晰度带来的缺陷。
实施例2
见图1-5、图8和图10，在实施例1基础上的一种仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法，该仿复眼感知成像信息采集系统包括：用于复眼采集目标场景信息的复眼透镜阵列，该复眼透镜阵列包括四个小眼图像采集单元1，由四条导轨4按X形对称方式拼接而成的导轨组件，所述四个小眼图像采集单元1分别位于四条导轨4上，且按该导轨组件的中心点6对称分布，其中，所述小眼图像采集单元1包括透镜2，位于该透镜2后端的成像器件3；
与各成像器件相连的处理器模块，该处理器模块适于提取各成像器件获取的目标场景的亮度平均值，并根据该亮度平均值控制各小眼图像采集单元1分别沿所述导轨4同步相向或相背等速移动（见图5和图8，A表示的箭头方向），以调节复眼透镜阵列的视域范围；
所述仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法，包括：
其中，当所述亮度平均值减弱时，所述处理器模块控制各小眼图像采集单元1分别沿导轨4向内侧相向移动相应距离，以收缩视域范围（见图5或图8，各小眼图像采集单元1分别向相应的虚线方框方向移动）；
当所述亮度平均值增强时，所述处理器模块控制小眼图像采集单元1分别沿导轨4向外侧相背移动相应距离，以扩大视域范围（见图5或图8，各小眼图像采集单元1分别向相应的实线方框方向移动）。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (1)
1.一种仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法，其特征在于，
所述仿复眼感知成像信息采集系统，包括：
用于复眼采集目标场景信息的复眼透镜阵列，该复眼透镜阵列包括四个小眼图像采集单元，由四条导轨按X形对称方式拼接而成的导轨组件，所述四个小眼图像采集单元分别位于四条导轨上，且按该导轨组件的中心对称分布，其中，所述小眼图像采集单元包括透镜，位于该透镜后端的成像器件；所述小眼图像采集单元的小眼外壳本体采用方形柱状结构；该小眼外壳本体的两侧分别设有腔室，所述腔室内设有传动机构；相邻导轨之间的夹角为90度；
与各成像器件相连的处理器模块，该处理器模块适于提取各成像器件获取的目标场景的亮度平均值，并根据该亮度平均值控制各小眼图像采集单元分别沿所述导轨同步相向或相背等速移动，以调节复眼透镜阵列的视域范围；
所述仿复眼感知成像信息采集系统的工作方法，包括：
当所述亮度平均值减弱时，所述处理器模块控制各小眼图像采集单元分别沿导轨向内侧相向移动相应距离，以收缩视域范围；
当所述亮度平均值增强时，所述处理器模块控制小眼图像采集单元分别沿导轨向外侧相背移动相应距离，以扩大视域范围。
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