6.2 仿复眼视觉系统的研究进展_邢强

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 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
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｖｉｓｕａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｙｅｓ１，ＷＡＮＧ Ｈａｏ１
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｉｏ－ｉｎｓｐｉｒｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ；
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光 学 仪 器
第 ３５ 卷
引 言
生物昆虫复眼由成千上万的小眼组 成，视 角 范 围 甚 至 可 以 达 到 ３６０°，具 有 大 视 角 的 快 速 定 位 及 偏 振 光导航功能。一个世纪以来，研究者从光学结构上、视 觉 功 能 上 进 行 模 拟，以 实 现 生 物 复 眼 的 ［１－２］ 功 能，如 复眼（蜜蜂）背部边缘区域（ｄｏｒａｌ ｒｉｍ ａｒｅａ，ＤＲＡ）感 杆 束 的 高 度 单 色 偏 振 敏 感 特 性，可 用 于 海 航 的 偏 振 光 导航仪；其他区域感杆束，具有空间／颜色视觉敏感特性，与 现 有 的 ＣＣＤ 相 机 类 似。 昆 虫 复 眼 的 微 透 镜 阵 列结构，是研制多孔径成 像 系 统 和 动 目 标 快 速 运 动 检 测 器 （ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｄｅｔｅｓｔｅｒｓ，ＥＭＤｓ）的 科 学 依据。
图 １ 复 眼 的 类 型 Ｆｉｇ．１ Ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｙｅ
２ 全 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。 ２．１ 仿 复 眼 视 觉 系 统 ２．１．１ ＣＣＤ 相机阵列结构
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ｒ、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的合成与重构，图像质量较差。２００１年，Ｎａｅｍｕｒ采用该微透镜阵列，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。
本文从微透镜阵列的仿复眼设计和成像两方面来阐述仿生物复眼系统的研究进展。
１ 全 景 成 像 的 生 物 模 型
按照组成结构和光学特性，复眼可分为并列型、折射重叠型、反射重叠型以及神经重叠型［３］，如图 １ 所 示。并列型复眼的小眼可作为光学上的一个最小独立视觉单元 ，接收的光线范围与小眼的视场一一对应， 相邻小眼重叠视场图像的融合可以形成镶嵌像；折射重叠型复眼小眼对应的感 杆 束 可 同 时 接 收 自 己 小 眼 面和相邻小眼面的光，通过叠加在复眼视网膜上形成一个大重叠像，这样的 结 构 方 式 不 仅 提 高 图 像 照 度， 而且可直接实现场景图像的快速成像。为便于工程实现复眼结 构，往 往 采 用 ＣＣＤ 模 拟 并 列 型 复 眼 结 构， 以此实现复眼具有的大视场全景成像功能。
图 ２ 仿 复 眼 视 觉 系 统 的 结 构 形 式 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｙｅ
２．２ 微 透 镜 阵 列 的 全 景 成 像 设 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 来 ［６－１０］ 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。
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 。
第 ３５ 卷 第 ３ 期 ２０１３ 年 ６ 月
光 学 仪 器
ＯＰＴＩＣＡＬ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ
文 章 编 号 ：１００５－５６３０（２０１３）０３－００８９－０６
Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１３
仿复眼视觉系统的研究进展＊
邢 强１，２，戴 振 东１，王 浩１
（１．南京航空航天大学 仿生结构与材料防护研究所，江苏 南京 ２１００１６； ２．南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 ２１００１６）
＊ 收稿日期：２０１２－０９－１８ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（９６０９１０００７、６１１６１１２０３２３）；中国博士后科学基金（２０１２Ｍ５２１０７１）；国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目（６１２３３０１４） 作 者 简 介 ：邢 强 （１９８５－），男 ，江 苏 南 通 人 ，博 士 研 究 生 ，主 要 从 事 仿 生 物 视 觉 方 面 的 研 究 。
第３期
邢 强 ，等 ：仿 复 眼 视 觉 系 统 的 研 究 进 展
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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 机 视 觉 和 一 些 同 步 性 要 求
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 中 图 分 类 号 ：ＴＨ ７４ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－５６３０．２０１３．０３．０１８
２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｙｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｉｎｓｅｃｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｈｏｕｓａｎｄｓ ｏｆ ｏｍｍａｔｉｄｉａ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｙｅ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ａｓ ｍｕｌｔｉ－ａｐｅｒｔｕｒｅ ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ ｆａｓｔ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｆａｓｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ａｎｄ ｐｒｅｄａｔｏｒｓ．Ｔｈｅｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄ ｉｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｉｅｌｄｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｒｏｂｏｔ ｖｉｓｕａｌ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ， ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ，ｍａｃｈｉｎｅ ｖｉｓｉｏｎ，ｇｕｉｄｅｄ ｍｉｓｓｉｌｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｉｍａｇｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｄ ｌａｒｇｅ ｆｉｅｌｄ ｖｉｓｕａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｙｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ；ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏ ｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｙｅｓ，ｔｈｅ ｐａｎｏｒａｍｉｃ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ ａｎｄ ｄｅｐｔｈ ｆｉｅｌｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏ－ｌｅｎｓ ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ；ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｒｆ ａｎｄ ｐｌａｎｅ ｍｉｃｒｏ ｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｊｕｄｇｍｅｎｔ ｏｆ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎ ｐａｎｏｒａｍｉｃ ｉｍａｇｅｓ，ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｃｈ ａ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｉｎ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｏ－ｍｉｍｅｔｉｃ ｏｐｔｉｃｓ；ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｖｉｓｕａｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｙｅ；ｍｉｃｒｏ ｌｅｎｓ ａｒｒａｙ；ｌａｒｇｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ