模仿昆蟲復(fù)眼的多目體視測距原理研究

摘 要：本文主要研究昆蟲復(fù)眼的多目體視測距原理。由昆蟲復(fù)眼的視覺優(yōu)勢入手，分析了模仿昆蟲復(fù)眼并利用多目體視法進(jìn)行測距的技術(shù)原理，對其測距精度及影響因素進(jìn)行討論，最后對其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：昆蟲復(fù)眼；體視測距

中圖分類號：Q964

1 緒論

1.1 昆蟲復(fù)眼的視覺優(yōu)勢。動物的感知器官在其信息接收、處理系統(tǒng)的方法上給了人類很有意義的啟迪，尤其是以螳螂、蜻蜓、蒼蠅等昆蟲為代表的，經(jīng)過了自然進(jìn)化而逐漸完善，具有獨(dú)特的技能與精巧奇妙結(jié)構(gòu)的昆蟲復(fù)眼。對昆蟲復(fù)眼視覺系統(tǒng)功能的模擬與實(shí)現(xiàn)是當(dāng)前仿生學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

1.2 研究目的。目標(biāo)的距離信息是在軍事上對進(jìn)一步跟蹤、定位及射擊的重要參數(shù)。人類用雙眼的立體視覺可以得到所觀察物體的三維信息，以此估計(jì)物體的距離。依照人眼睛的視覺原理，用兩臺有一定間距的成像設(shè)備，也可以用來計(jì)算出物體的距離。但是，成像設(shè)備受分辨率和安裝誤差的限制，是不可能與精密的人眼相媲美，估算出的距離，受相機(jī)間距和的分辨率精度影響很大。

2 昆蟲復(fù)眼的多目體視測距原理

原理上講，用兩個(gè)探測器就能測出目標(biāo)的三維坐標(biāo)，但在實(shí)際操作中，由于多種測量誤差的存在，利用雙目立體測距方法估算出的物體距離，在很大程度上受目標(biāo)尺寸、子孔徑間距和分辨率的影響，導(dǎo)致較遠(yuǎn)距離的測距精度低且結(jié)果不是很穩(wěn)定。僅用兩個(gè)探測器還是會存在較大誤差，如果物體在表面上出現(xiàn)突變，或者部分被遮擋時(shí)，在圖像匹配時(shí)會引起混淆，從而導(dǎo)致測距錯(cuò)誤。雙目測距法存在的另一個(gè)缺點(diǎn)是對應(yīng)點(diǎn)搜索范圍大，因而計(jì)算較復(fù)雜且耗時(shí)長。雖然多目平面測距精度會比雙目高，但是還是不能克服視場小，圖像信息不全等缺點(diǎn)。

為了解決這些問題，提出了多目立體視覺的測距方法，即使用多個(gè)CCD對同一景物從不同角度成像來獲得立體圖像。多目立體測距方法在使用時(shí)，增加了匹配的約束條件，降低錯(cuò)誤匹配率。且多目測距利用多次測量求平均的原理，聯(lián)立多個(gè)方程式，在計(jì)算中誤差相互抵消，相對精確地得到目標(biāo)的三維坐標(biāo)。

2.1 多目體視測距實(shí)現(xiàn)方法。以7個(gè)CCD探測器為例來說明多目體式測距的工作原理。以一個(gè)CCD為中心，其余CCD的一邊與中心位置CCD的邊重疊。七個(gè)CCD由弧面中心向外輻射；整個(gè)外框用一根立桿支撐，立桿固定在云臺上。CCD模擬昆蟲的小眼，進(jìn)行視頻采集。運(yùn)用多個(gè)DSP進(jìn)行同步并行處理，使得處理效率更高；系統(tǒng)外觀整體呈弧面，七個(gè)CCD的所采集到的圖像可以拼接成一個(gè)超大的全景圖，這樣就擴(kuò)大了整個(gè)探測系統(tǒng)的視野范圍，與此同時(shí)，可以保證整體具有較高的分辨力；多個(gè)CCD組成的大視場對運(yùn)動目標(biāo)敏感，更容易發(fā)現(xiàn)，這樣的結(jié)果是，既可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行立體測量，也可以選擇其中成像效果更好的一路視頻圖像進(jìn)行處理，這樣測量結(jié)果更加精確。操作過程是，由顯示與控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作，控制搜索伺服的機(jī)構(gòu)運(yùn)動，帶動CCD進(jìn)行工作，并將獲取的數(shù)據(jù)在圖像采集卡上轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，而后送到目標(biāo)搜索系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)。在顯示設(shè)備上可以對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行全視場顯示。圖像經(jīng)過目標(biāo)搜索系統(tǒng)的處理后，提取可疑目標(biāo)，再經(jīng)過匹配之后，確認(rèn)目標(biāo)。在目標(biāo)確認(rèn)后，顯示控制系統(tǒng)將所獲得的目標(biāo)的位置和形狀等信息傳送給目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)接收到目標(biāo)的信息后，使中央的CCD鎖定跟蹤目標(biāo)，控制跟蹤伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動。

2.2 多目體視測距原理分析。假設(shè)點(diǎn)目標(biāo)位于OXYZ坐標(biāo)系中，對坐標(biāo)原點(diǎn)O和Z軸規(guī)定，使均在中央探測器軸線上，點(diǎn)目標(biāo)所在平面XOY與中央探測器像平面XOY平行，此時(shí)點(diǎn)目標(biāo)的Z坐標(biāo)值也為零。對坐標(biāo)軸上5個(gè)探測器的情況進(jìn)行分析，它們的軸線與目標(biāo)平面的交點(diǎn)如圖1所示。用l0，l1，l2，l3，l4代表這5個(gè)探測器。點(diǎn)目標(biāo)在XOY平面內(nèi)的坐標(biāo)為（x，y），x和y可以是負(fù)數(shù)，點(diǎn)目標(biāo)到5個(gè)探測器透鏡軸線的距離與圖1對應(yīng)，分別是h0，h1，h2，h3，h4，那么相對應(yīng)的，則有：

2.3 多目體視測距誤差分析。（1）從上式可以看出，目標(biāo)到子孔徑探測器陣列的距離與成像位置（l0，l1，l2，l3，l4）有關(guān)，與探測器的焦距和子孔徑的間距有關(guān)。而對于固定的探測器來說，焦距已定，子孔徑間距可調(diào)，那么成像位置的精度直接決定了物距的精度。（2）多目體視測距系統(tǒng)在圖像匹配方面，采用亞像素匹配精度，匹配極限為0.5個(gè)像素，相對于傳統(tǒng)的2像素匹配極限，在很大程度上提高了多目體視測距系統(tǒng)的測距精度。

3 多目體視測距的應(yīng)用形式

多目體視測距應(yīng)用領(lǐng)域有重要的現(xiàn)實(shí)意義，優(yōu)勢對比諸如在汽車駕駛的觀察系統(tǒng)、導(dǎo)彈火控系統(tǒng)、偵察成像系統(tǒng)、戰(zhàn)場的偵察系統(tǒng)等領(lǐng)域均可以廣泛的應(yīng)用。

3.1 在汽車駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用。車輛在駕駛的過程中視野較窄，通常障礙物與車輛之間的距離是通過人眼進(jìn)行估測，但這樣測量不準(zhǔn)確，增加了汽車碰撞事故的發(fā)生概率。一般在低速防撞方面，目前倒車?yán)走_(dá)應(yīng)用最多，但是倒車?yán)走_(dá)只能對后方大體積障礙物進(jìn)行測距，且每一次只能對一個(gè)障礙物進(jìn)行探測，而無法顯示前方與左右兩邊路面的物體情況，因而，倒車?yán)走_(dá)測量范圍小，盲區(qū)大?？梢赃\(yùn)用多目體視測距原理，結(jié)合計(jì)算機(jī)及攝像機(jī)等硬件，設(shè)想一種具有全方位測距功能的新型探測系統(tǒng)，能夠?qū)ι鲜鰡栴}解決。

3.2 復(fù)眼成像偵察系統(tǒng)的功能。在軍事領(lǐng)域可在一種新型的復(fù)眼成像偵察系統(tǒng)中用于對目標(biāo)的被動測距。采用7只CCD攝像頭構(gòu)成復(fù)眼陣列，7個(gè)透鏡布置在一個(gè)球面上，一個(gè)透鏡在中心，其余6個(gè)圍繞中心透鏡均勻排布，透鏡組正面看呈中心對稱。邊緣的每個(gè)透鏡與中心透鏡的光軸夾角為相同。由于沒有光闌限制，相鄰?fù)哥R在視場上存在很大的重疊區(qū)域，以便于多通道信息融合。使用多路圖像采集系統(tǒng)同時(shí)獲取七路視頻信號，為了模仿復(fù)眼并行處理模式，在每個(gè)CCD攝像頭安裝一個(gè)DSP處理器，對各自場景信息及時(shí)進(jìn)行處理，這樣可以對信息的采集和處理并行操作。根據(jù)七路數(shù)字圖像，利用超分辨率圖像重構(gòu)技術(shù)獲取目標(biāo)的高分辨率圖像，同時(shí)利用多目體視測距法計(jì)算目標(biāo)距離。在連續(xù)成像和計(jì)算測距的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步估測目標(biāo)運(yùn)動速度和運(yùn)動軌跡。優(yōu)勢如下：一是全被動工作方式，隱蔽性好；二是有效增加檢測視野更加容易檢測到目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬惠欽.昆蟲與仿生學(xué)淺談[J].昆蟲知識，2000.

[2]張紅鑫，盧振武，王瑞庭.曲面復(fù)眼成像系統(tǒng)的研究[J].光學(xué)精密工程，2006.

作者簡介：吳惠龍（1991.01-），男，福建漳州人，本科，助教，教師，主要研究方向：光學(xué)儀器基本原理；吳剛（1976.11-），男，浙江樂清人，本科，講師，教師，主要研究方向：光學(xué)儀器修理和保管保養(yǎng)。

作者單位：武警杭州士官學(xué)校 軍械系，杭州 310023