仿复眼视觉系统探究进展

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1、仿复眼视觉系统探究进展摘要：复眼是昆虫重要的光感受器，由成千上万的小眼构成，具有大视野的动目标快速检测能力。仿复眼的多孔径系统在机器人视觉导航、大视角测量和全景成像等领域应用广泛。首先介绍了复眼的生物机理、成像特性及现有的大视场成像系统；其次介绍了微透镜阵列的仿复眼光学设计现状，分析了微透镜阵列的大视角与多景深的全景成像质量，指出目前曲面微透镜一体化制造存在的成像缺陷；最后提出结合曲面与平面微透镜阵列实现大视角、多景深分辨率的仿复眼系统的可行性。该成像系统不仅可以实现全景范围内的清晰成像，而且还具有全景范围内的目标位置估计能力。关键词：仿生光学；人工视觉；复眼；微透镜阵列;全景图2全

2、景成像仿复眼系统全景成像包括两种模式：一种是指大视场的成像，如环形360°成像；另一种是指视野范围内远近目标均清晰成像的多景深成像。无论哪种成像方式，可通过不同的微透镜阵列与CCD阵列组合的方式实现，且具有更大视角。本文主要通过微透镜阵列不同组合形式来介绍全景成像系统。光学仪器第35卷第3期邢强，等：仿复眼视觉系统的研究进展2.1仿复眼视觉系统2.1.1CCD相机阵列结构采用CCD相机阵列模拟复眼结构在工程应用中易于实现。如将常规光学镜头，按照某半径形成环形或球型结构，获取序列图像，通过对图像特征的提取、拼接，制作出全景图像。国内在80年代就研制出环形旋转式全景相机并投入使用。在全景

3、大视场图像获取上，有以下几种主要方式［4］：通过云台准确控制单/双相机旋转；采用CCD环形阵列获取环形场景图片；将CCD相机排列在球面或立方体表面来获取图像。Sarachick、Ishiguro旋转单摄像机的室内全景图像及Thierry,Ryad等人采用双摄像机旋转获得全景图像；2008年，王永松等人，结合CPLD、AVR微处理器,将六个60°视角的线阵CCD环状排列构成360。视角，通过多通道同步采集实现大视角的多目标快速识别与定位跟踪；2010年，周永庆等人采用线阵CCD相机旋转获取图像,实现全景图像的拼接［5］。由于系统中存在机械转动机构，系统的同步性差，全景图的获取适用于计算

4、机视觉和一些同步性要求不高的场合。但在机器人运动中，要实现全景图像获取的同步性，CCD阵列间需具有较高的同步性。采用多孔径单CCD的透镜或者采用高性能的处理器实现多通道多CCD的实时性采集，从而实现仿复眼多孔径相机设计。2.1.2微透镜阵列的结构昆虫复眼具有大视角的全景成像及并行采集功能。仿复眼结构主要是通过制造平面微透镜阵列或者曲面微透镜阵列，通过CCD实现图像信号的同步采集，具有硬件实现的多通道信号并行采集功能。其中平面微透镜阵列是指微透镜阵列排列在同一平面上，具有同视轴方向；曲面微透镜阵列，是指将微透镜规则排列在曲面，具有各自的视轴方向，如图2所示。2.2微透镜阵列的全景成像设

5、计2.2.1平面微透镜结构在传感器前添加平面微透镜阵列［610］来模拟并列型复眼，该结构具有高清晰、成像畸变小以及对目标位置估计的能力。平面微透镜阵列仿制复眼视觉系统主要有以下三种方式。第一种形式是1992年Adelson等人，通过散光片、主透镜、物镜以及微透镜阵列组合形成全景相机［6］,如图3(a)所示。在每个微透镜下采用「s、t三个成像区接收来自不同方向的光线：当目标在焦平面时,目标在对应的单微透镜下的s区域成像；当目标靠近或者远离焦平面时，则有规律地对应于相邻的微透镜的r或t区域内。根据上述的目标成像位置与焦平面的关系，通过目标的成像位置可实现目标的位置估计，但该设计忽略了图像

6、的合成与重构，图像质量较差。2001年，Naemur釆用该微透镜阵列，获得在一定景深范围内的清晰成像，效果如图3(d)所示［7］。此系统可通过加大主透镜的景深与微透镜的数量来扩大景深范围及分辨率。第二种形式是TOMBOS(thinobservationmodulebyboundoptics)成像系统[8],主要由微透镜阵列和传感器组成，如图3(b)所示。此结构由Ogata于1994年首先实现[9],随后经历了Duparr[10]等人新技术改进。与普通透镜相比，在相同视角下，采用NXN的微透镜阵列可将相机厚度缩小为普通透镜厚度的1/N2,但存在的微透镜衍射问题使成像质量较差。后期通过反

7、投影重建及多维矩阵的图像预处理法，提高融合图像质量和图像重建的迭代收敛速度，获得清晰融合图像[11],见图3(e)(左侧为单个透镜下获取的图像，右侧为融合后的清晰图像)。第三种形式是4D全景相机[12],由主透镜、微透镜阵列，传感器阵列组成，如图3(c)所示。2005年RenNg等人设计的全景相机，主透镜和微透镜阵列构成了具有不同焦距的透镜结构，改变了原有单透镜的单焦距成像；主透镜下的多焦距使一次拍摄获得多区域内的清晰成像，扩大清晰成像的区域，解决了Ade