仿复眼视觉系统的研究进展

中图分类号：TH 74 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2013.03.018Research progress on artificial visual system inspired by compound eyesXING Qiang ，DAI Zhendong ，WANG Hao(1.Institute of Bio-inspired Structure and Surface Engineering，Nanjing University ofAeronautics and Astronautics，Naming 210016，China；2.Colege of Mechanical and Electrical Engineering，NaNing University ofAeronautics and Astronautics，NaNing 210016，China)Abstract：Compound eye is one of the most important peripheral sensors in insects，which consists ofthousands of ommatidia.The compound eye is characterized as multi-aperture imaging and fast parallelprocessing，which insures the ability of fast detection and location on obstacles and predators.Thesecharacteristics have been widely recognized in several research fields，such as robot visual navigation，obstacle avoidance，machine vision，guided missile Firstly，the biological mechanism，ima ging features，and the existed large field visual system of the compound eyes were introduced；secondly，the differentoptical systems designed 、 th micro lens array imtation from compound eyes，the panoramic imagequality、 th large field of view and depth field，and the surface micro-lens ima ging defects werediscussed；finally，the ideaf combining the surf and plane micro lens array to achieve a system 、vith largefield of view and large depth of field was proposed.Based on the judgment of quality in panoramicimages，position estimation of such a system can be achieved in detecting multiple mo ving targets。

Key words：bio-mimetic optics；artificial visual system；compound eye；micro lens array；largefied of view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 · 91 ·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机视觉和-些同步性要求不高的诚。但在机器人运动中，要实现全景图像获取的同步性，CCD阵列问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-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。

微透镜阵列导路(a)平面微透镜阵列(a)Micro-lens aray onthe plate入射光线曲面微透镜阵列光线导路聚焦透镜CCD/CMOS传感器(b)曲面微透镜阵列(b)Micro-lens array on arc dome图2 仿复眼视觉系统的结构形式Fig.2 The types of structure of artificial compound eye2.2 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[6-1o]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-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- 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(thin observation module by bound optics)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加]等人新技术改进。与普通透镜相比，在相同视角下，采用 N×N 的微透镜阵列可将相机厚度缩小为普通透镜厚度的1/ ，但存在的微透镜衍射问题使成像质量较差。后期通过反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[1 ，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[1引，由主透镜、微透镜阵列，传感器阵列组成，如图3(c)所示。2005年Ren Ng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-次拍摄获得多区域内的清晰成像，扩大清晰成像的区域，解决了第 3期 邢 强，等：仿复眼视觉系统的研究进展 · 93 ·随着特种加工技术的发展，实现了曲面微透镜阵列的-体化制造。2006年，Jeong K H等人通过软光刻技术(soft lithography)实现由自聚焦透镜阵列组成的直径为2.5 m.m的曲面仿复眼结构1引，通过光刻技术实现曲面的微透镜以及自导光路；Zhu等人于 2011年通过传像光纤获得图像[1 ；2007年，Radtkea D等通过激光雕刻技术，在曲面上加工121×121个相邻夹角为0.177。视角为 0.354。的微透镜阵列，构成了具有31。×31。视角的仿复眼透镜结构[1引，但图像间存在盲区；2010年，Li L等人采用超精密金刚石车削技术在弧形光学表面加工透镜阵列，通过微孔径、微透镜阵列及微棱镜，实现了直径为 20 1Tln、视角 18.43。的球面状光学机构[1 ，突破了小数量仿制生物复眼的视觉系统[2。。采用-体化设计实现的微透镜阵列及自导光路，成像质量较差，如何避免光在传播过程中的能量衰减以及提高相邻透镜的视野重叠区域是-体化制造的目标。

3 结 论采用微透镜阵列设计的仿复眼多孔径系统在成像质量、成像视角方面具有优越性：平面微透镜阵列的设计使得光学系统具有更多的焦距，获得更多的成像清晰区域，结合图像处理技术能获得全景清晰的图像。目前采用装配方式实现的曲面微透镜阵列的结构，具有视角大的特点，且通过-体化制造技术可实现曲面透镜结构的微型化，但存在成像质量差等不足。

为实现全景成像清晰、结构简单的仿复眼大视场系统，可采用光纤传像束与曲面/平面微透镜阵列结合的方式：首先使用文献E13]中曲面定位的传像光纤束环境，采用文献EIB]中所述的主透镜与微透镜阵列，获得目标在CCD中的成像；其次采用小波变换等获得各光纤束的不同景深成像的融合图像；最后采用具有 SIFT、SUSAN、SURF等图像拼接技术的嵌入式系统实现全景的快速拼接[21-2]，从而实现大视角的全景清晰成像。