[發明專利]仿復眼視覺的動目標快速定位及全景圖同步獲取裝置及方法

有效

• 申請號: 201010567489.2
• 申請日: 2010-12-01
• 公開（公告）號: CN102081296A
• 公開（公告）日: 2011-06-01
• 發明（設計）人: 戴振東;邢強
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G03B37/00
• 分類號: G03B37/00;G02B6/06;G01C11/00;G06T7/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

1.一種仿復眼視覺的運動目標高速定位及全景圖同步獲取裝置，其特征在于：

由半球型角度定位罩(1)、光纖望遠鏡系統陣列、鏡頭轉接環(5)、高速攝像機(6)、圖像處理器(8)、數據處理器(9)、顯示器(10)組成；

上述半球型角度定位罩(1)上均勻分布著N個定位孔，其中半球型定位罩的半徑為L，定位孔的直徑為d，任意兩相鄰定位孔的中心軸線間的水平夾角為α，垂直方向夾角為γ；

上述光纖望遠鏡系統陣列由N個光纖望遠鏡單系統構成，每個光纖望遠鏡單系統均由安裝于半球型角度定位罩(1)的定位孔中的物鏡(2)、與物鏡相連的光纖(3)、與光纖相連的目鏡(4)組成；上述物鏡(2)的視角為2β；上述光纖望遠鏡單系統的視軸方向與定位孔的軸心方向的重合；

上述高速攝像機(6)通過鏡頭轉接環(5)與N個目鏡(4)連接，獲得外界環境的數字圖像；將上述高速攝像機(6)獲得的數字圖像，通過圖像處理器(8)實現對數字圖像信息的處理；上述數據處理器(9)的輸入端與上述圖像處理器(8)的輸出端相連獲取數字信號并實現數據的處理；

以半球型角度定位罩球心為原點，建立球面坐標系，上述γ表示以原點為頂點、Z軸為軸的兩圓錐面(以下稱為錐面)間的夾角，上述α表示過Z軸的半平面(以下稱為圓周面)上兩光纖望遠鏡單系統間的夾角；上述參數滿足以下關系式arctan(d/L)＜α，γ＜2β＜180°。

2.根據權利要求1仿復眼視覺的運動目標高速定位及全景圖同步獲取裝置的仿復眼視覺的運動目標高速定位及全景圖同步獲取方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：裝置結構內外參數的標定

步驟1-1：結構中符號名詞的解釋

在球面坐標系內，定義Z軸正方向為零度角；錐面的編號依次從半球型角度定位罩的頂端從上到下編號；每個錐面上的光纖望遠鏡單系統陣列，從X軸正方向按照逆時針順序依次編號；將光纖望遠鏡單系統按照以上順序依次記錄在矩陣a_ij中，其中i表示光纖望遠鏡單系統所在的錐面，j表示光纖望遠鏡單系統所在的圓周面中的位置；矩陣a_ij中，有光纖望遠鏡單系統的對應位置的元素用“-1”表示，其余用“0”表示；矩陣a_ij中的元素位置根據所對應的光纖望遠鏡單系統的關系與其在高速攝像機CCD的成像區域一一對應；

n_i表示在錐面i中同時觀察到相同動目標的光纖望遠鏡單系統的數目；p_i、q_i表示在錐面i上同時觀察到動目標的光纖望遠鏡單系統最小、最大編號；α_i表示在錐面i中兩光纖望遠鏡單系統視軸間夾角；P(D(α_i，β，L，n_i，K)，θ(α_i，p_i，q_i，w，u，K))表示通過錐面i光纖望遠鏡單系統組合方式獲得的目標的空間位置；w，u表示同時觀察到相同動目標的錐面的最大層和最小層；γ_i表示錐面i與錐面i-1間的夾角；其中i＝1，2，...，I；I表示按照系統的需要設計的錐面的最大數；K表示同時觀察到動目標的錐面數，其中0≤K≤I；

區域圖像：光纖望遠鏡單系統在所對應的CCD區域上單獨形成的圖像區域；

步驟1-2：通過雙目攝像機標定法，獲得錐面i上兩光纖望遠鏡單系統視軸間的夾角α_i，兩錐面間的夾角γ_i以及光纖望遠鏡單系統的內參數；

步驟1-3：在光纖望遠鏡單系統以及定位結構確定后，就可以對空間位置區域在球面坐標系下進行空間劃分；

在球面坐標系中，由于同時被相同數量光纖望遠鏡單系統觀察到的區域只存在角度上的差別，被不同數量攝像機觀察到的區域只存在視軸方向上半徑的差別；且被同時觀察到的空間區域可以唯一的通過光纖望遠鏡單系統的數目和不同的組合方式表示；根據上述原理，在同一錐面上光纖望遠鏡單系統的組合方式唯一的決定了空間中的特定區域，就可以通過采用包含光纖望遠鏡單系統組合方式未知量的方程來表示與坐標系原點的最近距離，

通過幾何運算，可獲得在球面坐標系下與錐面i相關的目標的空間位置：

Di(αi,βi,L,ni)=D=(L{1-[(n1-1)αi-β]·cos[(ni-1)αi]+sin[(ni-1)αi]}{1-[(ni-1)αi-β]}tanβ)2+(L{sin[(ni-1)α]-[(ni-1)αii-β]·cos[(ni-1)αi]}{1-[(ni-1)αi-β]})2]]>

θi(αi,pi,qi)=αi×(pi+qi)/2,qi<2β/αiαi×(pi+qi-[2παi])/2,qi≥β/αi]]>

綜合所有錐面中獲得的目標空間位置，得到動目標在球面坐標系下與所有錐面相關的空間位置P(D(α_i，β，L，n_i，K)，θ(α_i，p_i，q_i，w，u，K))，其中

α_i，β，L已知，未知量n_i，w，u，K，p_i，q_i可以通過下述步驟3-1中對矩陣的處理獲得；

步驟2：利用光纖望遠鏡系統陣列結構模擬復眼的“小眼”陣列，通過高速相機(6)獲得通過“小眼”成像的圖像序列；

步驟3：實現對動目標的定位、測速：

步驟3-1：矩陣a_ij信號的采集與處理

運動檢測：采用背景消除法結合差分運動分析法判斷幀圖像的光纖望遠鏡單系統對應的區域圖像中是否有運動目標，將檢測到運動的區域圖像所對應矩陣a_ij中對應位置元素填“1”表示，否則為“0”；

數據處理器：將矩陣中值為“1”的元素與鄰近元素存在“8-鄰域”關系的，定義這些具有“8-鄰域”關系、值為“1”的元素同屬于一個連通集，即認為該系列光纖望遠鏡系統集合中發現的為同一運動目標，否則為不同目標；將矩陣a_ij通過上述關系進行處理，將具有連通集的元素賦值到三維矩陣M_a×b×c中，其中矩陣M_a×b中包含了某一動目標某時刻的空間位置，C表示該幀圖像中所具有的運動目標的數目；參數n_i，p_i，q_i，w，u，K可以通過對矩陣M_a×b×c的分析獲得；

步驟3-2運動目標的定位、測速，

上述步驟3-1闡述了針對幀圖像中動目標信息的處理，通過以上處理可以獲得在某時刻t目標的空間位置；將步驟3-1中獲得未知量n_i，p_i，q_i，w，u，K代入P(D(α_i，β，L，n_i，K)，θ(α_i，p_i，q_i，w，u，K))中就可以得到動目標的徑向分量v_n和圓周分量ω_n代表的空間位置；

v_n指目標為沿視軸方向的運動的徑向分量；ω_n指目標為沿圓周方向運動的角分量

采用以上對幀圖像中目標的定位方法對圖像序列進行處理，就可以獲得目標的運動速度；運動目標的速度可分解為沿視軸方向的半徑分量v_n和沿圓周方向的角分量ω_n；通過不同時刻獲得的目標空間位置，計算出運動目標的速度：

ω_n＝Δθ/Δt＝[θ(t₂)-θ(t₁)]/Δt；

v_n＝ΔP/Δt＝-[P(t₂)-P(t₂)]/Δt；

運動目標的角速度、速度為矢量，角速度約定沿逆時針方向運動為正方向，沿順時針方向運動為負方向；徑向速度約定沿軸向探測器方向運動為正方向，反之為負方向；

步驟4：利用圖像處理器(8)對獲取的幀圖像中的區域圖像的矯正、剪切和拼接獲得大視場的全景圖。

3.根據權利要求2所述仿復眼視覺的運動目標高速定位及全景圖同步獲取方法，其特征在于：上述步驟4中所述大視場的全景圖是由以下方法生成的：

透鏡的焦距f，目標物體與相機的距離D，半球型定位罩的半徑L，單個光纖望遠鏡系統在CCD上的成像區域為W×H像素，W為長，H為寬，透鏡的視角夾角一半β，以及視軸中心線在水平方向的夾角α_i，垂直方向的夾角為γ_i；通過對區域圖像的剪切和拼接獲得大視場全景圖像；

在水平方向兩端的剪切量為：

同理可得垂直方向上的剪切量

其中數據D可以通過目標定位獲得。