新型復(fù)眼定位裝置設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、視覺(jué)定位，作為目標(biāo)定位技術(shù)領(lǐng)域中的重要手段之一，在工業(yè)測(cè)量、安防監(jiān)控、導(dǎo)航、軍事目標(biāo)定位與跟蹤等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。自然界中的復(fù)眼由于具有特有的曲面結(jié)構(gòu)、多通道成像系統(tǒng)以及對(duì)神經(jīng)信息的高度集中處理單元，擁有大視場(chǎng)范圍內(nèi)的目標(biāo)定位和對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)高靈敏的捕捉及處理等能力，因此非常適合于市場(chǎng)對(duì)定位裝置的重量輕、體積小、功耗低及可靠性高等方面日益增長(zhǎng)的需求。本論文提出一種用于大視場(chǎng)目標(biāo)定位的新型復(fù)眼定位系統(tǒng)，并討論了為獲取大視場(chǎng)而采用的技術(shù)和成像

2、過(guò)程中曲面透鏡陣列到平面圖像傳感器成像的解決辦法。介紹了透鏡安裝的要求，搭建起透鏡安裝平臺(tái)并完成透鏡的安裝工作。通過(guò)對(duì)雙目視覺(jué)定位技術(shù)的調(diào)研，建立了適用本復(fù)眼系統(tǒng)目標(biāo)定位的數(shù)學(xué)模型。從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了該系統(tǒng)多透鏡成像畸變的標(biāo)定任務(wù)以及目標(biāo)像點(diǎn)的識(shí)別方法，并分析了目標(biāo)像點(diǎn)中心的提取技術(shù)?；诖匮蹎卧膭澐?，提出“搜索三維坐標(biāo)波動(dòng)誤差”的方法對(duì)像點(diǎn)通道進(jìn)行匹配，進(jìn)一步完成目標(biāo)定位任務(wù)，最后對(duì)復(fù)眼系統(tǒng)的標(biāo)定性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)并初步研究了復(fù)眼

3、定位系統(tǒng)的應(yīng)用。
　　 本論文的研究工作主要有以下幾個(gè)方面：
　　 1.設(shè)計(jì)一套進(jìn)行大視場(chǎng)目標(biāo)定位的新型復(fù)眼裝置。以曲面分布的透鏡陣列方式獲取大視場(chǎng)范圍內(nèi)的目標(biāo)，研究各透鏡相互之間既滿(mǎn)足高填充比又最大限度消除成像盲區(qū)的排布方式。對(duì)透鏡陣列的安裝方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)并完成各子透鏡的安裝工作。研究了曲面分布的透鏡陣列到圖像傳感器有限成像面的映射問(wèn)題和邊緣視場(chǎng)接收透鏡成像質(zhì)量差的問(wèn)題，采用了在透鏡陣列與圖像傳感器之間加入折轉(zhuǎn)透鏡

4、的解決辦法。選擇了大面陣圖像傳感器，并編寫(xiě)了圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的圖像傳感器像素的采集并通過(guò)USB2.0高速總線(xiàn)上傳到PC機(jī)，完成復(fù)眼接收通道圖像的顯示及后續(xù)處理。
　　 2.調(diào)研總結(jié)雙目視覺(jué)定位技術(shù)，建立復(fù)眼各子眼透鏡坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系，確立復(fù)眼定位數(shù)學(xué)模型和標(biāo)定內(nèi)容。為利于模型的表達(dá)和問(wèn)題的解決，把目標(biāo)點(diǎn)入射光線(xiàn)經(jīng)接收透鏡．折轉(zhuǎn)透鏡兩層變化后最終成像在圖像傳感器上的軌跡光線(xiàn)分為兩部分。其中一部分是目標(biāo)到各

5、子透鏡中心的線(xiàn)性部分，而另外一部分是各子透鏡中心經(jīng)過(guò)折轉(zhuǎn)透鏡到圖像傳感器上像點(diǎn)的部分。根據(jù)已有的機(jī)器視覺(jué)標(biāo)定模型，通過(guò)分析，提出根據(jù)三維坐標(biāo)已知的目標(biāo)點(diǎn)標(biāo)定每個(gè)透鏡入射光線(xiàn)向量角度與其成像點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定方式。
　　 3.根據(jù)標(biāo)定原理，設(shè)計(jì)標(biāo)定方案，完成復(fù)眼成像系統(tǒng)的標(biāo)定任務(wù)。選擇了等離子電視機(jī)、分光鏡、半導(dǎo)體激光器、水平儀以及水平移動(dòng)導(dǎo)軌等實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器。使用等離子電視機(jī)作為目標(biāo)平面，利用分光鏡調(diào)整了復(fù)眼平面和目標(biāo)平面之間

6、的平行性，采用激光與目標(biāo)平面上一個(gè)固定點(diǎn)重合的方式調(diào)節(jié)了水平移動(dòng)軸與目標(biāo)平面的垂直性，根據(jù)水平儀調(diào)整了目標(biāo)平面的行列和復(fù)眼坐標(biāo)系一致。在以上基礎(chǔ)上，根據(jù)消失點(diǎn)找出復(fù)眼中心透鏡光軸與目標(biāo)平面之間的交點(diǎn)在目標(biāo)平面上的位置，并由不同目標(biāo)共像點(diǎn)的方法求出復(fù)眼中心透鏡與垂足之間的距離，進(jìn)而求出目標(biāo)平面上各點(diǎn)的三維世界坐標(biāo)。最后算出各點(diǎn)與接收透鏡之間的向量角度和對(duì)應(yīng)像點(diǎn)的中心坐標(biāo)后，對(duì)每一個(gè)透鏡都建立起一種它與所有接收到目標(biāo)之間的向量角度和對(duì)應(yīng)目標(biāo)

7、像點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系，完成系統(tǒng)的標(biāo)定工作。標(biāo)定過(guò)程中還介紹了提取目標(biāo)像點(diǎn)的圖像處理方法并分析了提取目標(biāo)光斑像點(diǎn)中心的算法和圖像降噪方法。
　　 4.研究使用復(fù)眼定位系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)三維定位的關(guān)鍵問(wèn)題和簡(jiǎn)單應(yīng)用。分析了基于Delaunay三角剖分的數(shù)據(jù)插值、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)插值、雙調(diào)和樣條插值等常用散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)插值方法以及插值精度特點(diǎn)。根據(jù)采集到的目標(biāo)像點(diǎn)中心坐標(biāo)，插值標(biāo)定結(jié)果得到對(duì)應(yīng)通道的向量角度。提出把復(fù)眼透鏡分成169個(gè)簇眼單元，對(duì)接收到一

8、個(gè)目標(biāo)的一組像點(diǎn)首先識(shí)別出屬于一個(gè)簇眼單元的若干通道，然后通過(guò)歸一化三維坐標(biāo)差異定義了每一次匹配所求出不同三維坐標(biāo)之間的的波動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)像點(diǎn)與對(duì)應(yīng)通道的有效識(shí)別，解決了復(fù)眼三維定位中的像點(diǎn)對(duì)應(yīng)通道識(shí)別的關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)移動(dòng)不同目標(biāo)平面并定位目標(biāo)點(diǎn)，評(píng)估了復(fù)眼系統(tǒng)的標(biāo)定效果，根據(jù)計(jì)算指出透鏡向量角度標(biāo)定均方誤差在0.02°左右，X、Y、Z三維坐標(biāo)相對(duì)誤差在2％左右。在對(duì)目標(biāo)定位的研究過(guò)程中，分析了插值點(diǎn)與周邊基準(zhǔn)點(diǎn)分布關(guān)系對(duì)插值精度的