CN110769135A - 一种仿生复眼图像采集装置 - Google Patents

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刘涛
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Abstract

本发明公开了一种仿生复眼图像采集装置，包括视觉实验台，小眼系统，图像传感器，变焦镜头和数据处理系统，所述小眼系统包括若干个小眼镜头，若干个所述小眼镜头呈矩阵排布且分布在设定曲率半径的球面上，所述小眼系统的凸球面面向待成像图片；所述图像传感器固定在所述视觉实验台上，并位于所述小眼系统的凹球面侧；所述变焦镜头与所述图像传感器相连，所述变焦镜头的中心与位于所述小眼系统中心的小眼镜头相对布置；所述图像传感器与所述数据处理系统相连。本发明解决了传统复眼模型中因小眼尺寸小而导致复眼空间分辨率过低的问题，同时能充分利用图像传感器的空间，降低系统成本。

Description

一种仿生复眼图像采集装置
技术领域
本发明涉及复眼成像技术，特别涉及一种仿生复眼图像采集装置。
背景技术
复眼成像技术是集生物学、光电子学、信息学等多个学科为一体，具有创新性和交叉性的新兴研究方向。昆虫复眼视觉系统具有大视场、运动目标探测灵敏度高等特点，因此在一些军用及民用场合具有其它成像方法无法比拟的优势。
近年来，精密仪器朝着低能耗、小体积、高智能方向发展。当前电子器件和机械装置均已实现微型加工。然而，实现智能武器识别、微型飞行器识别等系统小型化的瓶颈在于微型光学系统设计。传统的光学系统(单孔径光学系统)存在视场角与分辨率之间的矛盾，即视场大分辨率低。单孔径大视场角光学系统的边缘畸变一般较大，且最大视场角很难超过180°；若使目标清晰，视场会很小。随着微加工技术的不断进步，传统的工艺限制被突破，小型人造复眼成像系统成为可能，人造复眼技术更具实用性。日本的Jun Tanida等在参考了蜻蜓并列型复眼的基础上，设计出TOMBO(Thin Observation Module by Bound Optics)小型复眼成像系统。整个系统为平面结构，其前端光路接受部分采用微透镜和光电探测器作为光采集和接收组件，它们之间的分割层可以防止不同小眼单元间的相互干扰。这种“一对一”的结构使得每组透镜与光电探测器独立成像，但在并列型复眼结构中，每组光接收器只对应一个光采集通道，光通量较低，且平面结构也使复眼的大视场特性受到很大抑制，某些通道只能同时观察目标的同一部分，然而由于TOMBO系统的各组件完全分立制作，因此在结构的改进上具有很好的灵活性。
由于光探测器为平面结构，因此对于单层曲面复眼结构，其边缘视场的成像质量较差。引入一个曲面场镜阵列得到的三层曲面复眼成像系统能够提高边缘视场的成像质量以及整个系统的视场。中间的微透镜阵列能够将离轴光线改变方向传播至其下方的微透镜阵列。张红鑫从GRIN(Graduated Refractive Index，渐变折射率介质)介质的光学特性出发，首次建立了重叠复眼的光学模型，并对其进行了光线追迹，分析了光接收器上的光线分布情况。虽然GRIN介质模拟晶椎更加接近真实复眼，但是该重叠型复眼结构非常复杂，建模与分析比均匀介质要更加繁琐，并且在实际制作中，也会因加工精度、分布精度等问题而影响实际效果。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于重叠式复眼原理的曲面结构仿生复眼图像采集装置，以克服传统复眼模型中因小眼尺寸小而导致复眼空间分辨率过低的问题，同时充分利用图像传感器的空间，降低系统成本。
本发明所采用的技术方案是：一种仿生复眼图像采集装置，包括：
视觉实验台；
小眼系统，所述小眼系统包括若干个小眼镜头，若干个所述小眼镜头呈矩阵排布且分布在设定曲率半径的球面上，所述小眼系统的凸球面面向待成像图片；
图像传感器，所述图像传感器固定在所述视觉实验台上，并位于所述小眼系统的凹球面侧；
变焦镜头，所述变焦镜头与所述图像传感器相连，所述变焦镜头的中心与位于所述小眼系统中心的小眼镜头相对布置；以及，
数据处理系统，所述图像传感器与所述数据处理系统相连。
进一步地，所述图像传感器采用1394接口高分辨率CMOS彩色工业相机MV-3000FC，所述工业相机MV-3000FC的分辨率为2048×1536，像素尺寸为3.2μm×3.2μm，能工作在连续和外触发两种采集模式下，灵敏度为1.0V@550nm/lux/S。
进一步地，所述图像传感器位于距离所述小眼系统30mm～50mm处。
进一步地，所述变焦镜头的变焦范围为4.5mm～10mm。
进一步地，所述小眼系统所分布在的所述球面的曲率半径为10cm～15cm。
进一步地，所述小眼系统采用3×3矩阵排布的9个小眼镜头；相邻所述小眼镜头之间的横向间距和纵向间距Lc均为6cm。
进一步地，所述小眼镜头采用定焦距光圈的固定镜头，所述固定镜头的焦距f’＝6mm，视场角62°。
本发明的有益效果是：
本发明搭建了仿生复眼图像采集系统的视觉传感与处理平台，加工出了小眼系统，调整工业相机的焦距与光圈，完成复眼图像的采集。
采用本发明装置进行图像采集，采集过程步骤简洁方便，通过微调焦距得到不同位置的清晰图像。本发明相比较于传统方案更具可行性。
本发明所建立的小眼系统具有多个小眼镜头，相比于单眼系统，成像视场角显著增大；具有多个小眼镜头的小眼系统依靠小眼间的配合能得到较好的成像效果。
附图说明
图1：本发明一种仿生复眼图像采集装置结构示意图；
图2：本发明的小眼系统分布示意图；
图3：本发明采用铝条支撑小眼系统及铝条向中间弯折示意图；
附图标注：1、视觉实验台；2、小眼系统；3、图像传感器；4、变焦镜头；5、数据处理系统；6、相机实验台架；21、小眼镜头；22、铝条；23、弯折线。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明涉及仿生复眼器件制造、结构优化以及针对复眼图像信息的采集。如附图1至图3所示，一种仿生复眼图像采集装置，包括视觉实验台1，小眼系统2，图像传感器3，变焦镜头4和数据处理系统5。
所述小眼系统2包括若干个小眼镜头21，若干个所述小眼镜头21呈矩阵排布且分布在设定曲率半径的球面上，所述球面的曲率半径为10cm～15cm。所述小眼系统2的凸球面面向待成像图片。本实施例中，所述小眼系统2采用3×3矩阵排布的9个小眼镜头21；相邻所述小眼镜头21之间的横向间距和纵向间距Lc均为6cm本实施例中，所述小眼镜头21采用定焦距光圈的固定镜头，所述固定镜头的焦距f’＝6mm，视场角62°。
所述图像传感器3通过维视公司生产的相机实验台架6固定在所述视觉实验台1上，并位于所述小眼系统2的凹球面侧。所述图像传感器3采用1394接口高分辨率CMOS彩色工业相机MV-3000FC，所述工业相机MV-3000FC的分辨率为2048×1536，像素尺寸为3.2μm×3.2μm，能工作在连续和外触发两种采集模式下，灵敏度为1.0V@550nm/lux/S，满足测量对环境和速度要求。所述图像传感器3放置在距离所述小眼系统2的30mm～50mm位置处。所述图像传感器3与所述数据处理系统5相连。
所述变焦镜头4与所述图像传感器3相连，所述变焦镜头4的中心与位于所述小眼系统2中心的小眼镜头21相对布置。为了得到高质量的采集图像，选择与所述工业相机匹配的变焦镜头4，所述变焦镜头4的变焦范围为4.5mm～10mm。
本发明仿生复眼图像采集装置的搭建过程及仿生复眼图像采集方法如下：
(1)实物系统搭建
搭建视觉实验台1，图像传感器3，变焦镜头4和数据处理系统5。
(2)小眼系统2设计
使用ZEMAX软件进行多小眼成像仿真进行小眼系统2的设计。由于ZEMAX不支持按某一旋转轴镜像对称而只支持沿着某一方向轴旋转或移动，因此，对小眼进行“旋转”时必须要对“沿着某一方向轴旋转或移动”的量进行再次补偿。由于本发明中要偏离的小眼透镜镜片较多，因此用LabVIEW为其编写位置补偿程序。
对于3×3方形分布结构，每列的三个小眼具有对称性，仿真时，只考虑包括中心小眼(位于小眼系统中心位置的小眼)与偏转小眼(除中心小眼以外的其余小眼均称为偏转小眼)两个小眼的情况，将偏转角(即，偏转小眼的中心轴与中心小眼的中心轴的夹角)θ设为20°，起始直径2.1mm，根据补偿得到两个小眼成像的极限入射情况。经实验验证，最大视场角可达到160°。无论是中间光束还是斜入射的光束，它们均能很好地传播到探测器上，即成像效果较好。
设中心小眼的中心为原点，选取任意两个位置B与C点，其中B点坐标为B(0，12，-5)，C为C(0，6，-5)。对于中心小眼，其从B接受的光束入射角为65°，对于中心小眼，该光的光信息量损失较大，很多光从第一表面反射出去。中心小眼从C点接受的棕色光束入射角为45°，此位置处于两个小眼的中间位置，仿真结果表明，两个小眼对C点光线的传播性能很好，即两个小眼有重叠区域。而根据极限入射情况下的仿真结果可知，每个小眼都有其自身的视场，正是这些独立的小视场组合保证了整个系统的大视场。
(3)小眼系统2制作
小眼系统2呈3×3方形分布在设定曲率半径的球面上，如图2所示。由于球面加工周期长且灵活性差，因此使用铝条22代替球面支撑小眼系统2。灰色框视为薄铝条22，如图3所示，采用四条铝条22作为支撑，四条所述铝条22呈“*”状排布，位于小眼系统2中心的小眼镜头21固定在三条所述铝条22的相交处，其余小眼镜头21两两布置在一条铝条22上；将铝条22向中间弯折，如图3中的弯折线23所示，使得9路小光束有向中间汇聚的趋势。根据“物象关系”原理，小眼镜头21的光轴必须在工业相机的视场范围内，小眼镜头21的像才可能被工业相机二次成像，考虑到实际因素，物方视场高度H50mm，视场宽度W65mm，对角线长度C80mm，因此，取小眼系统2与相机镜头的距离L＝45mm(小眼系统2的放置可根据使用者进行改动)，小眼镜头21选择定焦距光圈的固定镜头，固定镜头f’＝6mm，视场角62°。最终实现“少小眼，大尺寸”“小镜头汇聚，大镜头过渡”的方案。
(4)仿生复眼图像采集
将待成像图片置于小眼系统2的凸球面上方30cm处，调整工业相机的焦距与光圈，得到复眼图像。对比可知，小眼系统2可有效地增大成像范围，单从成像区域来估量，若工业相机成像范围是4mm×5.5mm，则小眼系统2的成像范围是8.5mm×9mm，成像范围放大了约3.5倍。通过成像实验，证明小眼系统2的视场角增大。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种仿生复眼图像采集装置，其特征在于，包括：
视觉实验台(1)；
小眼系统(2)，所述小眼系统(2)包括若干个小眼镜头(21)，若干个所述小眼镜头(21)呈矩阵排布且分布在设定曲率半径的球面上，所述小眼系统(2)的凸球面面向待成像图片；
图像传感器(3)，所述图像传感器(3)固定在所述视觉实验台(1)上，并位于所述小眼系统(2)的凹球面侧；
变焦镜头(4)，所述变焦镜头(4)与所述图像传感器(3)相连，所述变焦镜头(4)的中心与位于所述小眼系统(2)中心的小眼镜头(21)相对布置；以及，
数据处理系统(5)，所述图像传感器(3)与所述数据处理系统(5)相连。
2.根据权利要求1所述的一种仿生复眼图像采集装置，其特征在于，所述图像传感器(3)采用1394接口高分辨率CMOS彩色工业相机MV-3000FC，所述工业相机MV-3000FC的分辨率为2048×1536，像素尺寸为3.2μm×3.2μm，能工作在连续和外触发两种采集模式下，灵敏度为1.0V@550nm/lux/S。
3.根据权利要求1所述的一种仿生复眼图像采集装置，其特征在于，所述图像传感器(3)位于距离所述小眼系统(2)30mm～50mm处。
4.根据权利要求1所述的一种仿生复眼图像采集装置，其特征在于，所述变焦镜头(4)的变焦范围为4.5mm～10mm。
5.根据权利要求1所述的一种仿生复眼图像采集装置，其特征在于，所述小眼系统所分布在的所述球面的曲率半径为10cm～15cm。
6.根据权利要求1所述的一种仿生复眼图像采集装置，其特征在于，所述小眼系统(2)采用3×3矩阵排布的9个小眼镜头(21)；相邻所述小眼镜头(21)之间的横向间距和纵向间距Lc均为6cm。
7.根据权利要求1所述的一种仿生复眼图像采集装置，其特征在于，所述小眼镜头(21)采用定焦距光圈的固定镜头，所述固定镜头的焦距f’＝6mm，视场角62°。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116054957A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 北京理工大学 一种基于复眼结构的超广覆盖范围光通信接收系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103676036A (zh) * 2013-12-17 2014-03-26 北京理工大学 基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像系统
CN106060482A (zh) * 2016-07-22 2016-10-26 浙江宇视科技有限公司 一种图像采集设备及图像采集方法
CN106067841A (zh) * 2016-07-28 2016-11-02 中南民族大学 基于复眼结构的自适应可见光接收系统
CN106772715A (zh) * 2017-02-15 2017-05-31 沈阳理工大学 曲面仿生复眼的制备方法
CN207051657U (zh) * 2017-07-19 2018-02-27 上海天戈信息技术有限公司 一种大视场复眼结构的相机镜头排列结构
CN108663778A (zh) * 2018-05-04 2018-10-16 中国人民解放军国防科技大学 一种混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像系统
WO2019075335A1 (en) * 2017-10-13 2019-04-18 Trustees Of Boston University LENS-FREE COMPOSITE EYE CAMERAS BASED ON ANGLE-SENSITIVE METASURFACES

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103676036A (zh) * 2013-12-17 2014-03-26 北京理工大学 基于多微面光纤面板的多视场仿生复眼微光成像系统
CN106060482A (zh) * 2016-07-22 2016-10-26 浙江宇视科技有限公司 一种图像采集设备及图像采集方法
CN106067841A (zh) * 2016-07-28 2016-11-02 中南民族大学 基于复眼结构的自适应可见光接收系统
CN106772715A (zh) * 2017-02-15 2017-05-31 沈阳理工大学 曲面仿生复眼的制备方法
CN207051657U (zh) * 2017-07-19 2018-02-27 上海天戈信息技术有限公司 一种大视场复眼结构的相机镜头排列结构
WO2019075335A1 (en) * 2017-10-13 2019-04-18 Trustees Of Boston University LENS-FREE COMPOSITE EYE CAMERAS BASED ON ANGLE-SENSITIVE METASURFACES
CN108663778A (zh) * 2018-05-04 2018-10-16 中国人民解放军国防科技大学 一种混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116054957A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 北京理工大学 一种基于复眼结构的超广覆盖范围光通信接收系统
CN116054957B (zh) * 2023-01-10 2024-05-28 北京理工大学 一种基于复眼结构的超广覆盖范围光通信接收系统

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