多通道大视场目标定位仪的研制

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当前，不管是机器人导航，还是三维物体测量，都会涉及到三维定位的问题。目标三维定位技术可完成特定 目标的测量、三维重构、监控，探测和自动跟踪等任务。许多年来，学者们-直致力 于这 项技术 的研究 ，并 获得 了丰 富 的研 究成果1 ]。特别随着计算机视觉技术的发展，用光、电技术获取 目标的三维信息因具有速度快、结构简单、成本低廉且便于移动、操作方便等优点，而广泛地应用于工业测量、公共袄监控、采矿、医疗和军事等领域；然而当前技术仍不能满足社会生产生活对系统的智能化、可靠性、集成性、便携式、实用性和低功耗等方面的要求。目前，基于机器视觉的定位技术及其设备严重限制了其在军事、工业和社会生活中的使用范围。因此，为满足现代化社会的需要，如何提高系统定位的可靠性、实用性以及准确程度 ，成为系统设计和研究的主要任务 - 。

近年来 ，随着仿生学的发展，复眼的应用成为各个行业学者关注的焦点 。由于复眼具有多通道同时成像和子眼曲面分布的结构特点以及高的神经网络集中处理数据能力，因此可在近距离、大视场条件下完成对高灵敏度运动目标的探测、定位、超分辨重构以及高精度三维 目标测量等任务，这在很大程度上弥补了双 目视觉所具有 的视场孝可靠性低、功耗高和操作不便等缺陷，因此复眼在军事、医疗以及航空等领域具有潜在的应用价值。

目前，复眼系统主要有两种：(1)微透镜方式；(2)多相机组合(单相机扫描)方式。相机拼接方式的复眼的可视距离远，但要处理的数据量比较大，且对使用诚要求严格；微透镜方式的复眼具有紧凑的机械性能，但是可视距离近，并且需加入隔离装置，这使加工工艺更加复杂。

基于此，本文设计并制作了-种介于微透镜复眼和相机阵列复 眼之问的复眼系统 ，并将它用于 目标定位。该复眼系统比微透镜方式的通光量大，同时还具有结构简单、易于生产、制造等特点；不仅能实现大视场嘲到平面图像传感器的映射，还具有高效的图像采集和数据传输及处理能力，作者利用该系统完成了大视场范围内任-目标的定位任务。

2 复眼系统设计为满足大视场定位的设计要求，本课题设计的复眼系统如图 1所示。此复眼系统模型包括成像拈、像素采集拈以及数据传输拈等。

图 1 复眼系统Fig.1 System of compound eye28 光学 精密工程 第21卷2.1 复眼系统成像拈复眼成像拈由图 1中折射透镜以上的部分组成，主要包括用来安装子眼透镜的复眼曲面球壳基底、子眼透镜以及折射透镜等。

复眼球壳作为透镜安装的基底在整个复眼系统 中起着重要的作用 ，它直接决定着复眼的外形 ，进而控制了复眼视城的大邪成像的性能和方式 。其设计过程是在 曲面金属球壳上利用数控等加工手段打上-种三维规律分布的阶梯孔 ，用来容纳复眼的各个子透镜。球壳上的孔也可当做孔径光阑或视场光阑，以保证单个通道只接收到指定视城的光线，从而防止通道间光线的串扰，提高系统的成像质量 。根据视城的要求 ，整个复眼球壳上分布了 169个阶梯孔，球壳内外半径分别为 6O mm和 55 mm，球体弧度为 109。。

为满足透镜间排布均匀、高填充比的要求，复眼各子眼透镜问采用类六角形的排 布方式 (见图2)。为便于区分，球壳表面透镜的安装位置用通道表示 ；同时为便于后续数学模型的分析和计算 ，本文对每-个子眼进行了编号(见图 2)，并分别建立了复眼全局坐标系和各子眼坐标系(见图3)。如图3所示，子眼通道的坐标原点位于子眼透镜的光学几何 中心 ， 轴与球冠面在该点的法向方 向-致 ，z轴和 Y轴分别与球冠面相切。全局坐标系与通道 1子眼坐标系重合。

由于每个阶梯孔都对应-个复眼子透镜 。复图 2 复眼透镜阵列编号Fig.2 Lenses array numbers of compound eyeO图3 复眼坐标系定义Fig.3 Coordinate system definitions of compound eye眼子透镜分别负责汇聚不同区域的目标并成像到图像传感器平 面。与阶梯孔径-致 ，系统 总共包含 169个子透镜，同样按照类六边形分布规则排列。根据透镜的曲面排布与平面图像传感器之间的映射关系，为改善大视场范围内经过曲面阵列透镜映射到平面图像传感器入射光线的成像质量，在球面透镜阵列与平面图像传感器之间加入了折射透镜，使各个视城的入射光线尽量与图像传感器的平面垂直。通过系统仿真，本文设计出外球面半径为 50 mm、内球面半径为 30 mm、偏心量为 12 mm 的折射透镜口 。

2.2 像素采集和数据传输拈系统选用 LUPA-4000的图像传感器作为复眼图像接收部件，并通过 EP2C8Q208C8芯片产生驱动时序来完成像素值的采集口 。采集的数据经 USB控制芯片 CY7C68013高速传输到 PC机做进-步处理。像素数据的采集和传输过程如图4所示。其中，CY7C68013作为-款内部集成微控制器 USB2.0协议的芯片，负责数 据的缓 冲和协议解析以及与上位机的通信；EP2C8Q208C8在 CY7C68013和 LUPA-4000之间起 中间枢 纽作用，控制着图像传感器的数据采集，并把采集的数据送到 CY68013，然后由固件程序把数据传输到 PC机；上位机则包含了根集线器和 USB主控制器，通过上位机驱动程序对 CY7C68013芯片进行配置和识别后，由应用程序调用 API函数实现与 cY7C68O13的通信以及结果的显示等。

第1期 郭 方，等：-种新型的复眼定位仪图4 复眼图像获取流程图Fig.4 Flow chart for obtaining compound eye image2.3 图像采集和数据稳定性测试复眼的光机电部分设计完成后 ，按 照图 1把各部件安装到复眼系统的固定位置。使用安装后的复眼成像 系统对电脑屏幕的-个鼠标手进行 图像采集，并经 USB2.0把数据传到 PC机，显示结果如图 5所示，所获图像较为清晰，多个透镜能同时成像在同-个 CMOS上。但是各个通道间的像点又有着细微的差别，其原因主要有两个：(1)不同光线经不同透镜入射到 CMOS的距离不同；(2)不同光线经不同透镜与 CMOS平面的入射角度的倾斜程度不同。重复多次图像测试，结果表明本系统的数据传输速率较高，稳定性好，能够满足设计要求。

图 5 复眼系统成像图Fig.5 Image of compound eye system3 复眼定位数学模型根据图 1可知，本论文所设计的复眼成像系统具有 3层结构 ，也就是说 目标 点光源成像到 图像传感器要经过两次折转(见图 6)，这与单透镜成像系统有很大的不同。为便于分析，本文考虑入射光线经过子眼透镜和折射透镜到像点之间路径的特点，把图6中每条物像间的光线几何轨迹拆分为两部分：第-部分是透镜中心到目标点之间的线段 PO ；第二部分是透镜中心到图像传感器成像点间的线段 0 P。，并采用 向量表示这两部分 ，从而有利于成像系统的标定。

图 6 复眼成像光线轨迹Fig.6 Light trace of compound eye imaging第-部分的线性方程建立过程如下 ：对于-个 目标和对应 的单个通道，如图 7所示，令 P(X。，Y。，Z。)为透镜中心的三维世界坐标，P (X，，y ，Z )是空间任-目标点的三维世界坐标。那么连线 PP 可以用向量 P (tan a，tan口，1)来表示 。

图 7 第-部分的数学模型Fig.7 First part of mechanical model令 P (tana，ta ，1)-p (口，b，c)，其 中 -tana，6-tanfl，c-1。因此经过 P、P 连 线的方程为 ：-X m-No-g-- yo- -Z m-Zo. (1)a 0 c若各透镜中心的世界坐标和目标点与各透镜间的方向向量 p 已知，则可以写出直线的点向式方程 ：-X --Xo-Y-- Yo/- -Z--No/. (2)O/ D C当目标物体同时被 ( >1)个成像通道捕捉时，复眼探测的数学模型可以表示为：- D。 (3)30 光学 精密工程 第21卷. ㈩ 1x-Ex， ，z]4 复眼成像 系统标定霪. ㈤应关系。同样地，对于任-成像在图像传感器上的像点坐标，都可以根据这种对应关系求出像点所对应的入射光线的方向向量角度。但是如果标定目标很多，将会增加标定的复杂度，同时受目标精度和图像传感器分辨率等的影响，不可能建立起所有的对应关系。因此 ，可以考 虑设定-定间隔并覆盖通道视城的 目标 阵列 ，只对这些 目标像点及其对应的向量角度建立标定关系，然后根据建立的标定关系进行插值求取任-像点对应的向量角度。具体的标定步骤和标定结果