CN1765700A - 一种高扇翅频昆虫运动参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于昆虫运动仿生技术领域，涉及对昆虫运动参数测量装置的改进。它包括平台5、高速摄像机2、背景灯4、计算机7，其特征在于：高速摄像机2的正下方有组合四面镜1，在其四周各有一个平面外反射镜3，每条反射光路有一个背景灯4。本发明用一台高速摄像机实现了四个传感器的测量功能，大大降低了系统成本，有效地解决了高扇翅频昆虫双侧翅膀运动测量中的观测盲区和遮挡问题。

Description

一种高扇翅频昆虫运动参数测量装置

技术领域

本发明属于昆虫运动仿生技术领域，涉及对昆虫运动参数测量装置的改进。

背景技术

微小飞行器MAV(Micro-Air Vehicle)由于具有携带方便、操作简单、隐蔽性好、机动灵活等特点具有较好的应用前景，是近些年来航空领域研究的热点。由于昆虫飞行运动的机理可以为MAV的研制提供很好的理论依据，目前对昆虫运动参数的测量已经成为昆虫运动仿生研究的一个热门课题。昆虫的运动参数测量主要包括扇翅角、扭转角、摆动角、扇翅频率、翅面变形和身体姿态等。目前对低扇翅频昆虫的运动参数测量(蜻蜓等)已经取得较大进展，由于高扇翅频昆虫(蜜蜂，苍蝇等)具有机动性强扇翅幅度大、扇翅频率高等特点，其运动参数的测量较为困难，到目前为止对高扇翅频昆虫的运动测量还不够完善且其运动参数的测量结果多是基于单翅进行。但由于其飞行更为机动灵活对完善空气动力学原理具有更重要的意义，是昆虫运动仿生研究的一个重要内容。目前对高扇翅频昆虫运动参数测量主要是利用非接触的光学法利用高速摄像机拍摄运动昆虫获取序列图像然后再进行三维重构得到测量参数，根据其三维恢复方法的不同可以分为以下几种：

(1)基于单摄像机的对称法测量系统

1989年Dudley和Ellington用高速摄像机拍摄了大黄蜂(Bumblebee)的平稳飞行过程，并对其身体和翅膀的运动参数进行了初步测量。系统在昆虫飞行区的斜上方安装一台高速摄像机，用紫外光源进行诱导，保证昆虫在拍摄区内平稳飞行。用高速摄像机在拍摄区拍摄自由飞行的图像序列。在三维恢复时采用两个翅膀在运动过程中完全对称的假设进行三维恢复，测量了大黄蜂飞行的扇翅频率，扇翅幅度，翅膀的扭转变形等参数。该系统的主要缺点是由于大黄蜂扇翅幅度大，单摄像机系统存在较大的拍摄盲区，同时由于对称法利用双翅的信息只恢复了单翅运动参数，而且昆虫的两个翅膀的运动往往不是严格对称其结果具有不合理性。

(2)基于双摄像机的条杆法测量系统

1997年，Willmott和Ellington测量了悬停飞行的天蛾，其测量装置见图2，在风洞的出口处有一个喂食器来吸引天蛾。虽然天蛾属于低扇翅频昆虫但扇翅幅度较大在运动过程中存在拍摄盲区。系统采用两架高速摄像机来拍摄，一架放在天蛾的前方作为主摄像机拍摄天蛾翅膀的运动图像，另一架放在侧方来确定天蛾的飞行姿态作为附加信息补偿入主图像，拍摄速度为1000帧/秒。该系统使用条杆法进行三维恢复。条杆法假设翅膀不存在弯曲变形而在翅膀上划分许多可以绕纵轴独立旋转的刚性横向杆，该方法可以得到翅的近似扭转变形但无法得到翅膀运动过程中的弯曲变形。同时采用双摄像机测量增加了系统成本，而且存在双摄像机的同步拍摄问题增加了测量系统的复杂性。

(3)基于结构光原理的梳状条纹法测量系统

2000年和2001年，清华大学曾理江教授和宋德强博士利用梳状条纹法分别对固定飞行的大黄蜂和自由飞行的蜻蜓进行了测量。该系统利用高速摄像机拍摄投射到昆虫翅膀表面上的梳状条纹的形变，通过曲线拟合、坐标变换和插值算法来恢复出翅的三维信息。利用梳状条纹法可以测量到翅的弓形形变和扭转变形，是目前在昆虫翅的测量方面精度最好的。但实际测量时要标定多个光平面且存在光平面的识别问题，同时对运动的昆虫还存在光条的投射盲区问题，限制了该方法的使用。该系统对于低扇翅幅度和扇翅频率的昆虫(蜻蜓)可以进行高精度测量，但对于扇翅幅度较大的昆虫(大黄蜂)存在投射盲区不能得到双翅的运动信息。

总之，现有测量系统的不足之处主要是：

第一、昆虫测量所采用的三维重构方法都是基于各种假设条件的几何分析方法，而这种假设条件都有一定的局限性必然会降低其测量精度，梳状条纹法虽然测量精度较高。但存在光平面的识别和投射盲区问题，同时单摄像机拍摄翅膀运动存在拍摄盲区问题，一般只能得到单侧翅膀的测量结果。

第二、多摄像机结构虽然可以解决观测盲区问题，但是系统成本较高，且还存在多摄像机之间的同步驱动问题。

发明内容

本发明的目的是：针对目前昆虫测量装置存在的不足，利用立体视觉测量原理，提出一种基于单摄像机的虚拟四目传感器测量系统，实现对高扇翅频昆虫双侧翅膀运动参数高精度、低成本的测量。

本发明的技术方案是：一种高扇翅频昆虫运动参数测量装置，包括一个平台5；一个固定在平台上的摄像支架6和安装在该支架上的高速摄像机2，高速摄像机2的镜头垂直朝向昆虫飞行区；固定在平台上、位于昆虫飞行区下方的背景灯4；一个接收处理高速摄像机输出数据的计算机7；其特征在于：

(1)在高速摄像机2的正下方有一个固定在摄像支架6上的组合四面镜1，组合四面镜有7个平面，其由两个端面一个底面以及4个反射平面连接组成，四面镜的四个反射平面两两对称，左右邻接的两对反射平面两两相交形成向上凸起的85°～100°夹角，前后邻接的两对反射平面两两相交形成向下凹进的100°～120°夹角，组合四面镜1的端面与组合四面镜1前后邻接的两对反射平面的交线形成的平面平行，两个端面中心有螺纹通孔，四个反射平面与底面的夹角相同，四个反射平面相交构成的四条交线相交于组合四面镜1的中心，该中心位于高速摄像机2镜头的中心延长线上，待测昆虫飞行区位于组合四面镜中心线的正下方；

(2)在组合四面镜1的四周各有一个通过支架固定的平面外反射镜3，四个外反射镜镜3以待测昆虫为中心，对称摆放在昆虫外侧，其镜面的高度高于组合四面镜1，四个外反射镜镜3分别与组合四面镜1的四个反射面对应形成四条反射光路，使昆虫飞行区的景象通过四个外反射镜3和相应的内反射镜的反射面所形成的四条反射光路，同时摄入高速摄像机2的镜头。

(3)有四个背景灯4，每一条反射光路配备一个背景灯4。

本发明的优点是：本发明以立体视觉测量原理为基础，首次实现了对昆虫飞行状态下蜜蜂双侧翅膀运动参数的同步测量。该系统的优点主要有：

(1)利用分光结构，只用一台高速摄像机就实现了四个传感器的测量功能，既大大降低了系统成本，又有效地解决了高扇翅频昆虫双侧翅膀运动测量中的观测盲区和遮挡问题。

(2)利用一台高速摄像机实现多角度同步拍摄，避免了多摄像机的同步驱动问题，大大降低了实验难度。

附图说明

图1是现有的单摄像机测量装置示意图。

图2是采用条杆法天蛾测量装置示意图。

图3是本发明采用的立体视觉测量原理及示意图。

图4是本发明采用的单摄像机虚拟四目视觉测量模型的示意图。

图5是本发明虚拟四目测量装置结构示意图。

图6是本发明中摄像支架6一种实施例的结构图。其中左边是主视图，右边是侧视图。

图7是组合四面镜1一种实施例的结构图。其中左边是主视图，右边是侧视图。

图8是本发明中外反射镜镜3一种实施例的结构图。其中左边是主视图，右边是侧视图。

图9是使用本发明装置拍摄的蜜蜂运动图像。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。首先，简要说明本发明的测量原理。立体视觉就是从两个不同位置观察同一物体并利用光学三角法测量被测物的空间距离。如图3所示，对于空间物体表面上任意一点P其在摄像机C1对应的像平面I₁上所成的图像点用P₁表示，P点位于摄像机光心和P₁的连线上无法通过像点P₁恢复P点的三维位置，P点同时亦位于摄像机C2对应的像平面I₂上图像点P₂和其光心的连线上，因此通过两个摄像机就可以唯一确定空间点P的三维位置。

本发明采用的单摄像机虚拟四目视觉测量模型的示意图见图4。设四个虚拟摄像机分别用C_i表示，每个摄像机的坐标系用O_iX_iY_iZ_i表示i＝1，2...4，，世界坐标系用O_wX_wY_wZ_w表示，每个摄像机相对于世界坐标系的转换矩阵分别用R_i，t_i表示，对于任意点P它在世界坐标系、任一摄像机坐标系下的非齐次做标分别为：x_w，，x_ci，x_ci＝R_ix_w+t_i；两个摄像机之间的几何关系可用R_ij和t_ij表示： $R_{\mathrm{ij}}=R_i{R}_j^{-1};t_{\mathrm{ij}}=t_i-R_j^{-1}{t}_j,$ 因此已知每一个摄像机和世界坐标系之间的转换关系，可以得到任两个摄像机之间的结构参数。设每个摄像机的内部参数矩阵为a_i，则任两个摄像机的图像点和世界坐标系的关系可分别表示为：

$\left|\begin{array}{c}{u}_i\\ v_i\\ 1\end{array}\right|=a_i(R_i{x}_w+t_i),\left|\begin{array}{c}{u}_j\\ v_j\\ 1\end{array}\right|=a_j(R_j{x}_w+t_j),$ 任一摄像机的内部参数和其相对于世界坐标系的旋转和平移矩阵可以通过系统标定得到，因此已知空间点在任意两个不同摄像机下的图像坐标利用上两式即可唯一确定空间三维位置。

本发明测量装置包括一台高速摄像机以及光学系统。光学系统提供适当的背景光源和分光系统，分光系统使单摄像机具有四目功能对昆虫进行多角度拍摄。当昆虫处于拍摄区时，启动高速摄像机和背景光源，抓拍昆虫运动图像并经过图像采集卡和模数转换器件传送到计算机内，计算机显示拍摄到的序列图像，然后对序列图像逐幅进行处理提取亚象素精度的特征点，并对特征点进行立体匹配实现三维重构，最终计算出昆虫运动飞行的参数。

由于只有当被测物位于两摄像机形成的交汇视场中立体视觉测量系统才有效，因此利用立体视觉方法测量首先要解决的就是遮挡问题。高扇翅频昆虫的扇翅速度一般为100～200Hz/秒，整个扇翅周期分为上扇和下扇两个阶段，且在上扇和下扇的交替变化过程中还伴随着翅膀的扭转。较大的扇翅角以及翅膀绕翅纵轴所作的扭转变形是造成遮挡的主要原因；同时由于昆虫翅膀具有较好的透射性因此当扇翅到某一角度时昆虫的身体也会对翅膀形成遮挡。若摄像机相对于昆虫翅膀左右交向摆放，由于扇翅幅度的变化和翅膀相对于身体的位置变化都会产生遮挡，不能拍到双侧翅的信息。若摄像机相对于昆虫翅膀前后摆放，可以解决上述遮挡问题，但是无法解决由于翅膀扭转角度的变化对翅膀产生的遮挡。因此为解决上述遮挡问题，设计了虚拟四目立体视觉测量系统进行多角度同时拍摄。

参见图5，整个测量系统安装在光学平台上。本发明高扇翅频昆虫运动参数测量装置，包括一个平台5。一个固定在平台上的摄像支架6和安装在该支架上的高速摄像机2，高速摄像机2的镜头垂直朝向昆虫飞行区。固定在平台上、位于昆虫飞行区下方的背景灯4。一个接收处理高速摄像机输出数据的计算机7。其特征在于：

(1)在高速摄像机2的正下方有一个固定在摄像支架6上的组合四面镜1，它由4个反射平面连接组成，四面镜的四个反射平面两两对称，左右邻接的两对反射平面两两相交形成向上凸起的85°～100°夹角，以保证左右翅膀之间的相互遮挡最小。前后邻接的两对反射平面两两相交形成向下凹进的100°～120°夹角，以保证实际拍摄时的俯视效果。一般根据被测昆虫的扇翅幅度及个体大小来最终决定组合四面镜前后平面之间的夹角以得到最好的观测效果，对于测量类似蜜蜂这种个体大小的昆虫前后平面之间的夹角为115°效果最佳。组合四面镜1固定在摄像支架6上，四个反射平面与水平面的夹角相同，四个反射平面相交构成的四条交线相交于组合四面镜1的中心，该中心位于高速摄像机2镜头的中心延长线上，保证组合四面镜1的中心和高速摄像机2的光心位于一条直线上。待测昆虫飞行区位于组合四面镜中心线的正下方。为了便于说明，规定图5中的左右方向为本文所指的前后方向；向上离开图面的方向为本文所指的右方，进入图面的方向为本文所指的左方。图7给出组合四面镜1一个实施例的结构，它是在一个六面体的上端面加工出四个邻接的反射平面，图7中左边的主视图显示了前后两个邻接反射面，左面的反射面是后反射面，右面的是前反射面，前后反射面的夹角为115°的下凹角。图7中右边的侧视图显示了本文所指的左右两个邻接反射面，左面的反射面是左反射面，右面的是右反射面，左右反射面的夹角为85°～100°的上凸角。组合四面镜1采用不锈钢材质加工而成。

参见图6，所说的摄像支架6是一个门形架，两个门框的底端有垫脚，通过螺钉固定在平台5上。高速摄像机2垂直固定在门梁的中央。门梁的中央有一个向下伸出的短臂，组合四面镜1固定在该短臂的下端。所说的组合四面镜1的端面与组合四面镜1前后邻接的两对反射平面的交线形成的平面平行，在其一个端面中心有螺纹孔，在摄像支架6中央的短臂中心有孔，固定螺钉穿过该孔将组合四面镜1固定在该短臂上。

(2)在组合四面镜1的四周各有一个通过支架固定的平面外反射镜3，四个外反射镜镜3以待测昆虫为中心，对称摆放在昆虫外侧，其镜面的高度高于组合四面镜1以保证俯视观测效果。四个外反射镜镜3分别与组合四面镜1的四个反射面对应形成四条反射光路，使昆虫飞行区的景象通过四个外反射镜3和相应的内反射镜的反射面所形成的四条反射光路，同时摄入高速摄像机2的镜头。

参见图8，所说的固定外反射镜3的支架由纵杆8、横杆9和支杆夹10组成。纵杆8的下端与一个磁性垫脚11连接，可以在平台5上随意移动，用于调节外反射镜相对于昆虫的水平距离。支杆夹10上有纵向和横向两个开口夹持孔，在每个夹持孔的开口端有紧固螺钉12，纵杆8穿在纵向夹持孔中，横杆9穿在横向夹持孔中，在横杆9的一端有螺纹。所说的外反射镜3是平面镜，其一个侧面上有螺纹孔，与横杆9的螺纹结合。相邻两个反射镜3之间的距离为250mm～350mm。所说的外反射镜3由不锈钢或者镀膜玻璃制成。横杆9可以沿纵杆8升降调节外反射镜相对于昆虫的观测高度，横杆9也可以绕其自身轴转动调节反射镜3的俯仰角，同时横杆9还可以绕纵杆8在水平面内转动调节外反射镜3的滚动角。以上分光光路的结构设计充分考虑了昆虫的有效视场和观测角度的调节范围，通过对观测角、高度和观测距离的调节，最终保证得到四个均匀分布且清晰的图像且有效解决遮挡问题，在一个扇翅周期内都能观测到双翅的运动信息以得到最好的观测效果。

(3)为保证高速摄像机在一幅图像上能得到4个均匀分布的清晰图像，有四个背景灯4，每一条反射光路配备一个背景灯4，以提供足够的照度。由于背景光源的照明效果直接影响到成像质量和测量的精度，因此该测量系统对背景光源的强度提出了较高的要求。照明光源选用卤钨灯作为背景光源，通过反射性能较好的漫反射板形成均匀的背景光再反射到翅膀表面。为避免小的视场范围内多个背景光源造成的光路之间的相互干扰，每盏灯上分别安装了聚光罩以减少光路之间的相互干扰。

下面给出本发明一个实施例的具体结构参数。

一台高速摄像机：采用美国Redlake公司生产型号为MotionProModel 10000，其性能为：最高采集频率：10000f/s；实际采集频率：2000f/s；曝光时间：1/4000s；像元数：512(H)*256(V)；像元尺寸：11.9(H)μm×11.9(V)μm；电源：由计算机提供，最小要求功率250W。

摄像机镜头：焦距：55mm；最大口径比：1∶2.8；景深范围：10-20mm；视角：43°。

组合四面反射镜：材质：不锈钢磨光，反射率大于90％；四面镜对称设计。

4个平面反射镜：外形尺寸：40*60mm；材质：玻璃镀铝膜；反射率：大于90％。

4个背景光源：型号：卤钨灯；功率：1000W；电源：220V。

摄像机支架总体高度为690mm，摄像机和组合平面镜之间的安装距离为120mm，待测昆虫距光学平台的高度调节范围150～200mm。

图9为利用本发明测量装置拍摄到的蜜蜂运动序列图像中的两幅，从左图可以看出摄像机的前后摆放解决了由于扇翅幅度变化产生的遮挡，右图左右摆放避免了上扇到顶部由于扭转变形产生的遮挡得到了较好的双翅的观测效果。

Claims (4)

1、一种高扇翅频昆虫运动参数测量装置，包括一个平台[5]；一个固定在平台上的摄像支架[6]和安装在该支架上的高速摄像机[2]，高速摄像机[2]的镜头垂直朝向昆虫飞行区；固定在平台上、位于昆虫飞行区下方的背景灯[4]；一个接收处理高速摄像机输出数据的计算机[7]；其特征在于：

(1)在高速摄像机[2]的正下方有一个固定在摄像支架[6]上的组合四面镜[1]，组合四面镜有7个平面，其由两个端面一个底面以及4个反射平面连接组成，四面镜的四个反射平面两两对称，左右邻接的两对反射平面两两相交形成向上凸起的85°～100°夹角，前后邻接的两对反射平面两两相交形成向下凹进的100°～120°夹角，组合四面镜[1]的端面与组合四面镜[1]前后邻接的两对反射平面的交线形成的平面平行，两个端面中心有螺纹通孔，四个反射平面与底面的夹角相同，四个反射平面相交构成的四条交线相交于组合四面镜[1]的中心，该中心位于高速摄像机[2]镜头的中心延长线上，待测昆虫飞行区位于组合四面镜中心线的正下方；

(2)在组合四面镜[1]的四周各有一个通过支架固定的平面外反射镜[3]，四个外反射镜镜[3]以待测昆虫为中心，对称摆放在昆虫外侧，其镜面的高度高于组合四面镜[1]，四个外反射镜镜[3]分别与组合四面镜[1]的四个反射面对应形成四条反射光路，使昆虫飞行区的景象通过四个外反射镜[3]和相应的内反射镜的反射面所形成的四条反射光路，同时摄入高速摄像机[2]的镜头。

(3)有四个背景灯[4]，每一条反射光路配备一个背景灯[4]。

2、根据权利要求1所述的高扇翅频昆虫运动参数测量装置，其特征在于：所说的摄像支架[6]是一个门形架，两个门框的底端有垫脚，通过螺钉固定在平台[5]上；高速摄像机[2]垂直固定在门梁的中央；门梁的中央有一个向下伸出的短臂，组合四面镜[1]固定在该短臂的下端；所说的组合四面镜[1]的端面与组合四面镜[1]前后邻接的两对反射平面的交线形成的平面平行，在其一个端面中心有螺纹孔，在摄像支架[6]中央的短臂中心有孔，固定螺钉穿过该孔将组合四面镜[1]固定在该短臂上。

3、根据权利要求1所述的高扇翅昆虫运动参数测量装置，其特征在于：所说的固定外反射镜[3]的支架由纵杆[8]、横杆[9]和支杆夹[10]组成，纵杆[8]的下端与一个磁性垫脚[11]连接，支杆夹[10]上有纵向和横向两个开口夹持孔，在每个夹持孔的开口端有紧固螺钉[12]，纵杆[8]穿在纵向夹持孔中，横杆[9]穿在横向夹持孔中，在横杆[9]的一端有螺纹；所说的外反射镜[3]是平面镜，其一个侧面上有螺纹孔，与横杆[9]的螺纹结合；相邻两个反射镜[3]之间的距离为250mm～350mm。

4、根据权利要求1或2或3所述的高扇翅昆虫运动参数测量装置，其特征在于：所说的组合四面镜[1]采用不锈钢材质加工而成，所说的外反射镜[3]由不锈钢或者镀膜玻璃制成。

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