CN109212547A - 一种测距用实验装置及基于动目标边缘敏感的测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于动目标边缘敏感的测距方法，包括如下步骤：(1)控制二维运动平台，使目标水平匀速移动经过传感器阵列；(2)采集传感器阵列反馈的实时电压信号；(3)分析传感器阵列反馈的电压信号；(4)以电压信号作为实验检测和分析的参照信号，建立传感器检测目标信号变化图；(5)根据传感器检测目标信号变化图进行测距计算。本发明结合已被普遍接受的观点，认为复眼昆虫可能通过目标轮廓实现对目标的快速捕捉、判断和定位测距等，提出了一种实现高速动目标测距的方法：基于动目标边缘敏感的测距方法，去实现以动目标边缘变化为判断条件的测距功能，并设计了相关实验装置进行系统的研究。

Description

一种测距用实验装置及基于动目标边缘敏感的测距方法

技术领域

本发明涉及一种定位测距方法，具体涉及一种测距用实验装置及基于动目标边缘敏感的测距方法。

背景技术

生物复眼在现阶段的研究中被认为是“定焦型透镜系统”，无法像人眼一样实现眼球转动和调焦功能，所以在复眼生物眼中外界是模糊的。解剖学讲述了复眼由无数子眼组成，每个子眼类似于人的一个单眼，但其功能似乎更为简单。绝大多数复眼生物均为昆虫类生物，在研究双翅目复眼昆虫的高灵敏度视觉机制的过程中，普遍认为复眼昆虫拥有极低的视觉空间分辨率，在其眼中的世界是一种模糊景象。

复眼昆虫拥有极小的脑容量，却控制着如此庞大的视觉系统，从耗能上来考虑，复眼便不可能拥有高的分辨率，这从侧面加以证明了复眼的低分辨率的特点。研究认为，复眼牺牲了分辨率，却最终促成了高时间分辨率。

研究认为复眼在低分辨率的情况下以目标轮廓为判断对象来捕捉目标。目标边缘轮廓即为明暗边界，在现阶段的生物视觉、图像视觉等研究中这种明暗边界条件均为重点研究对象之一。在生物复眼视觉中，研究者以黑白条纹来模拟目标对复眼生物进行研究，从中发掘出了生物的EMD测速机制和视动跟随反应机制、着陆机制和避障机制等。图像机器视觉中，利用目标(边缘轮廓)模糊度的不同，以多幅或单幅图像实现了目标的距离判定。

由于轮廓为明暗边界，是一种特征性的判断条件，同时以轮廓为条件判断目标符合模糊视觉下的判断可行性，减少信息量和信息处理过程。大量的复眼实验均是基于明暗条纹或是一些单色规则物体(黑色玻璃珠等)实现的，在这些实验中，复眼生物表现出了其捕捉及追逐目标的行为，电信号实现则展现了复眼神经对这类实验中的明暗边界的敏锐反应。

图1所示为光学成像原理图，其中，目标点p到透镜中心的距离称为物镜u，透镜右侧清晰像面到透镜中心的距离称为像距ν，u对应唯一ν，即当p点到透镜距离u确定后，其在右侧ν处有唯一清晰成像面。当成像面位于其他位置时(如平面A和平面B)，则成像面出现模糊态。模糊像面(模糊边界)可以看成是一个灰度过渡区，它将外部环境和目标物体区分开来。

现有光学理论中用点扩散函数来描述上述模糊像面的概念，目标边界在传感器平面上的成像可描述为目标边界的阶梯型阶跃信号与点扩散函数(FPS)在频域上的卷积，如图2所示。

图2中，f(x)是梯度型阶跃函数，R为边界位置，h为初始信号值(无目标)，k为信号变化(目标出现)，h(x)为扩散函数，g(x)为实际信号函数。

以相机单目散焦测距为例，其算法实际是利用点扩散函数来获取目标成像面上的光斑大小，从而进一步求取目标深度u。

对比单目散焦成像理论分析，当目标在垂直透镜视轴方向移动时，若已知物体像在成像面上的移动速度，那么便可知道目标所成像的模糊度区域大小，结合单目散焦测距理论，同样可以计算出目标点所在距离u。

基于上述研究和技术的肯定，本发明提出了一种基于动目标边缘敏感的测距方法，实现以动目标边缘为判断条件的测距功能，并设计了相关实验装置进行系统的研究，同时从几何光学上分析了该种测距方法的可行性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测距用实验装置及基于动目标边缘敏感的测距方法，以动目标边缘变化为判断条件的测距功能。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种测距用实验装置，包括多个传感器模型、平行光源、二维运动平台和目标，所述二维运动平台为笛卡尔坐标系中X，Y构成的二维运动平台，所述目标放置于水平的X面上，多个所述传感器模型一字排列组成传感器阵列，所述传感器阵列位于X面的下方，所述平行光源位于目标的上方，所述目标沿X面移动。

其中，所述传感器模型包括套筒、凸透镜和光电二极管传感器，所述套筒的两端开口，其中，所述套筒的左端开口口径小于套筒的内筒径，所述凸透镜同轴嵌装于套筒的左端内侧，所述光电二极管传感器同轴设于套筒内、凸透镜的右侧。

根据上述的测距用实验装置建立测距用实验装置简化模型图，图中，Φ为背景光源的强度，L为背景光源到目标的距离，v_物是目标移动的速度，d₁为目标宽度，p为目标侧面边界。

本发明还提供一种利用上述的实验装置的基于动目标边缘敏感的测距方法，包括如下步骤：

(1)控制二维运动平台，使目标水平匀速移动经过传感器阵列；

(2)采集传感器阵列反馈的实时电压信号；

(3)分析传感器阵列反馈的电压信号；

(4)以电压信号作为实验检测和分析的参照信号，建立传感器检测目标信号变化图；

(5)根据传感器检测目标信号变化图进行测距计算。

其中，所述传感器检测目标信号变化图包括：

曲线①：在有背景光照射下目标移动经过传感器阵列前方，单个传感器被完全遮挡时的信号变化曲线；

曲线②：在有背景光照射下目标移动经过传感器阵列前方，单个传感器未被完全遮挡时的信号变化曲线；

曲线①和曲线②中，信号值从高到低的变化阶段称为边界模糊过渡阶段(即边界P在传感器中留下的变化信号)，曲线①中为Δt₂阶段，曲线②中为Δt₂’阶段，区别在于：曲线①中的Δt₂阶段为最亮到最暗，即从无目标到完全遮挡，目标在传感器视野范围内移动且未离开传感器视野范围，此时信号出现平谷的一个阶段，传感器阵列完全检测到了目标一条边界线信号在传感器中的过渡；曲线②中的Δt₂’阶段为目标进出传感器视野且未出现在传感器视野范围内整体移动的进入阶段，此过程中前后两边界线在传感器阵列中成像出现模糊区域重叠，信号出现波谷的一个阶段；

曲线①和曲线②中，信号完全进出一个传感器视角所花的时间为Δt₃。

上述的基于动目标边缘敏感的测距方法包括基于曲线①的测距方法和基于曲线②的测距方法，其中，

基于曲线①的测距方法为：

建立点运动时在凸透镜中成像的几何关系图，图中，v_像是光电二极管底片平面上目标像移动的速度；D₂为凸透镜直径；f为焦距；p’为目标点p在传感器平面上所成模糊像的宽度；l(f<l<v)为传感器底片所在平面到透镜中心的距离，当暗条纹一条边界p移动距离x₁时，在右侧清晰像面上移动距离为x₂，在传感器平面上移动距离为x₃，利用图中光学几何关系计算如下：

又Qp'＝v_像·△t₂ 式(3)，

取x₁＝v_物·△t₂，x₃＝v_像·△t₂，

由EMD测速模型知：

再根据薄透镜理论公式：

得：

上式中，Δt₁为相邻两传感器检测到目标的两个波谷(或平谷中间点)的时间间隔。

基于曲线②的测距方法为：

建立目标经过传感器视角时所涉及的光学几何关系图，图中，L₀为目标移动经过传感器视角所经过的路程；Δx为传感器底片大小(宽度)；

依据光学几何关系图可得下式：

L₀+d₁＝v_物·△t₃ 式(13)，

△x+d₃＝v_像·△t₃ 式(14)；

建立一定宽度的目标在凸透镜中成像的几何关系图，图中，d₂为目标所成清晰像大小(宽度)，d₃为目标在传感器底片平面上所成像大小(宽度)；

依据几何关系图可得：

结合式(7)、(12)-(16)可得：

再结合式(8)、(10)可得：

令：

可将式(18)化简为：

再令：

可求得式(19)的正值解为

即

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明结合已被普遍接受的观点，认为复眼昆虫可能通过目标轮廓实现对目标的快速捕捉、判断和定位测距等，提出了一种实现高速动目标测距的方法：基于动目标边缘敏感的测距方法，去实现以动目标边缘变化为判断条件的测距功能，并设计了相关实验装置进行系统的研究。

附图说明

图1为本发明背景技术中光学成像原理图；

图2为本发明背景技术中边界模糊度的卷积形式图；

图3为本发明的测距实验装置简化模型图；

图4为本发明中传感器模型示意图；

图5为本发明中传感器检测目标信号变化图；

图6为本发明中点运动时在凸透镜中成像的几何关系图；

图7为本发明中目标经过传感器视角时所涉及的光学几何关系图；

图8为本发明中一定宽度的目标在凸透镜中成像的几何关系图。

附图标记说明：

1、传感器模型；10、套筒；11、凸透镜；12、光电二极管传感器；2、平行光源；3、二维运动平台；30、X面；4、目标；5、传感器阵列。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

结合已被普遍接受的观点，本发明认为复眼昆虫可能通过目标轮廓实现对目标的快速捕捉、判断和定位测距等，因此提出了一种实现高速动目标测距的方法：基于动目标边缘敏感的测距方法。首先有研究和技术的肯定，本发明提出了基于动目标边缘敏感的测距方法去实现以动目标边缘为判断条件的测距功能并设计了相关实验装置进行系统的研究。

与散焦测距不同的是，本发明的实验利用的是光电二极管底片结合透镜的方法进行测距，计算像大小时不再是使用点扩散函数与阶梯型阶跃卷积的关系，而是直接利用时间算法，通过大小＝速度x时间的形式来求解。

通过分析，发现像的移动速度与v成一定的函数关系，目标移动速度与u成一定的函数关系，再结合已有薄透镜公式可最终求得u。

本发明提供了一种测距用实验装置，建立测距用实验装置简化模型图如图3所示，包括多个传感器模型1、平行光源2、二维运动平台3和目标4，所述二维运动平台3为笛卡尔坐标系中X，Y构成的二维运动平台，所述目标4放置于水平的X面30上，多个所述传感器模型1一字排列组成传感器阵列5，所述传感器阵列5位于X面30的下方，所述平行光源2位于目标4的上方，所述目标4沿X面30匀速移动。图3中，Φ为背景光源的强度，L为背景光源到目标的距离，v_物是目标移动的速度，d₁为目标宽度，p为目标侧面边界(在本实验理论分析中暗条纹边界p等同于点p)。

实验中，控制二维运动平台使目标(暗条纹)水平匀速移动经过传感器阵列，采集传感器阵列反馈的实时电压信号并进行分析。

如图4所示，所述传感器模型1包括套筒10、凸透镜11和光电二极管传感器12，所述套筒10的两端开口，其中，所述套筒10的左端开口口径小于套筒10的内筒径，所述凸透镜11同轴嵌装于套筒10的左端内侧，所述光电二极管传感器12同轴设于套筒10内、凸透镜11的右侧(此处的左、右只是便于描述附图4，与传感器模型实际使用时的方向无关)。

本发明实施例还提供了一种利用上述的实验装置的基于动目标边缘敏感的测距方法，包括如下步骤：

(1)控制二维运动平台，使目标水平匀速移动经过传感器阵列；

(2)采集传感器阵列反馈的实时电压信号；

(3)分析传感器阵列反馈的电压信号；

(4)以电压信号作为实验检测和分析的参照信号，建立传感器检测目标信号变化图(图5)；

(5)根据传感器检测目标信号变化图进行测距计算。

由图5可知，所述传感器检测目标信号变化图包括：

曲线①：在有背景光照射下目标移动经过传感器阵列前方，单个传感器被完全遮挡时的信号变化曲线；

曲线②：在有背景光照射下目标移动经过传感器阵列前方，单个传感器未被完全遮挡时的信号变化曲线；

曲线①和曲线②中，信号值从高到低的变化阶段称为边界模糊过渡阶段(即边界P在传感器中留下的变化信号)，曲线①中为Δt₂阶段，曲线②中为Δt₂’阶段，区别在于：曲线①中的Δt₂阶段为最亮到最暗，即从无目标到完全遮挡，目标在传感器视野范围内移动且未离开传感器视野范围，此时信号出现平谷的一个阶段，传感器阵列完全检测到了目标一条边界线信号在传感器中的过渡；曲线②中的Δt₂’阶段为目标进出传感器视野且未出现在传感器视野范围内整体移动的进入阶段，此过程中前后两边界线在传感器阵列中成像出现模糊区域重叠，信号出现波谷的一个阶段；

曲线①和曲线②中，信号完全进出一个传感器视角所花的时间为Δt₃。

由上述内容可得：基于动目标边缘敏感的测距方法包括基于曲线①的测距方法和基于曲线②的测距方法，其中，

基于曲线①的测距方法为：

建立点运动时在凸透镜中成像的几何关系图(见图6)，图中，v_像是光电二极管底片平面上目标像移动的速度；D₂为凸透镜直径；f为焦距；p’为目标点p在传感器平面上所成模糊像的宽度；l(f<l<v)为传感器底片所在平面到透镜中心的距离，当暗条纹一条边界p移动距离x₁时，在右侧清晰像面上移动距离为x₂，在传感器平面上移动距离为x₃。

利用图6中光学几何关系计算如下：

又Qp'＝v_像·△t₂ 式(3)，

取x₁＝v_物·△t₂，x₃＝v_像·△t₂，

由EMD测速模型知：

再根据薄透镜理论公式：

得：

上式中，Δt₁为相邻两传感器检测到目标的两个波谷(或平谷中间点)的时间间隔。

基于曲线②的测距方法为：

建立目标经过传感器视角时所涉及的光学几何关系图(见图7)，图中，L₀为目标移动经过传感器视角所经过的路程；Δx为传感器底片大小(宽度)；

依据图7可得下式：

L₀+d₁＝v_物·△t₃ 式(13)，

△x+d₃＝v_像·△t₃ 式(14)。

建立一定宽度的目标在凸透镜中成像的几何关系图(见图8)，图中，d₂为目标所成清晰像大小(宽度)，d₃为目标在传感器底片平面上所成像大小(宽度)；

依据图8可得：

结合式(7)、(12)-(16)可得：

再结合式(8)、(10)可得：

令：

可将式(18)化简为：

再令：

可求得式(19)的正值解为

即

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测距用实验装置，其特征在于，包括多个传感器模型、平行光源、二维运动平台和目标，所述二维运动平台为笛卡尔坐标系中X，Y构成的二维运动平台，所述目标放置于水平的X面上，多个所述传感器模型一字排列组成传感器阵列，所述传感器阵列位于X面的下方，所述平行光源位于目标的上方，所述目标沿X面移动。

2.根据权利要求1所述的测距用实验装置，其特征在于，所述传感器模型包括套筒、凸透镜和光电二极管传感器，所述套筒的两端开口，其中，所述套筒的左端开口口径小于套筒的内筒径，所述凸透镜同轴嵌装于套筒的左端内侧，所述光电二极管传感器同轴设于套筒内、凸透镜的右侧。

3.根据权利要求1所述的测距用实验装置，其特征在于，建立测距用实验装置简化模型图，图中，Φ为背景光源的强度，L为背景光源到目标的距离，v_物是目标移动的速度，d₁为目标宽度，p为目标侧面边界线。

4.一种利用如权利要求1～3中任一项所述的实验装置的基于动目标边缘敏感的测距方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)控制二维运动平台，使目标水平匀速移动经过传感器阵列；

(2)采集传感器阵列反馈的实时电压信号；

(3)分析传感器阵列反馈的电压信号；

(4)以电压信号作为实验检测和分析的参照信号，建立传感器检测目标信号变化图；

(5)根据传感器检测目标信号变化图进行测距计算。

5.根据权利要求4所述的基于动目标边缘敏感的测距方法，其特征在于，所述传感器检测目标信号变化图包括：

曲线①：在有背景光照射下目标移动经过传感器阵列前方，单个传感器视野被完全遮挡时的信号变化曲线；

曲线②：在有背景光照射下目标移动经过传感器阵列前方，单个传感器视野未被完全遮挡时的信号变化曲线；

曲线①和曲线②中，信号值从高到低的变化阶段称为边界模糊过渡阶段，曲线①中为Δt₂阶段，曲线②中为Δt₂’阶段，区别在于：曲线①中的Δt₂阶段为最亮到最暗，即从无目标到完全遮挡，传感器阵列检测到了目标一条边界线在传感器中的过渡信号，其中平谷信号表示目标在传感器视野范围内移动且始终完全遮挡传感器视野过程；曲线②中的Δt₂’阶段为目标进出传感器视野的进入阶段，此过程中前后两边界线在传感器阵列中成像出现模糊区域重叠，信号出现波谷的一个阶段；

曲线①和曲线②中，信号完全进出一个传感器视角所花的时间为Δt₃。

6.根据权利要求5所述的基于动目标边缘敏感的测距方法，其特征在于，包括基于曲线①的测距方法和基于曲线②的测距方法，其中，

基于曲线①的测距方法为：

建立点运动时在凸透镜中成像的几何关系图，图中，v_像是光电二极管底片平面上目标像移动的速度；D₂为凸透镜直径；f为焦距；p’为目标点p在传感器平面上所成模糊像的宽度；l(f<l<v)为传感器底片所在平面到透镜中心的距离，当暗条纹一条边界p移动距离x₁时，在右侧清晰像面上移动距离为x₂，在传感器平面上移动距离为x₃，利用图中光学几何关系计算如下：

又Qp'＝v_像·△t₂ 式(3)，

取x₁＝v_物·△t₂，x₃＝v_像·△t₂，

由EMD测速模型知：

再根据薄透镜理论公式：

得：

上式中，Δt₁为相邻两传感器检测到目标的两个波谷的时间间隔。

7.根据权利要求5所述的基于动目标边缘敏感的测距方法，其特征在于，基于曲线②的测距方法为：

建立目标经过传感器视角时所涉及的光学几何关系图，图中，L₀为目标移动经过传感器视角所经过的路程；Δx为传感器底片大小；

依据光学几何关系图可得下式：

L₀+d₁＝v_物·△t₃ 式(13)，

△x+d₃＝v_像·△t₃ 式(14)；

建立一定宽度的目标在凸透镜中成像的几何关系图，图中，d₂为目标所成清晰像大小，d₃为目标在传感器底片平面上所成像大小；

依据几何关系图可得：

结合式(7)、(12)-(16)可得：

再结合式(8)、(10)可得：

令：

可将式(18)化简为：

再令：

可求得式(19)的正值解为

即