模仿昆虫复眼的多目体视测距原理研究

摘 要：本文主要研究昆虫复眼的多目体视测距原理。由昆虫复眼的视觉优势入手，分析了模仿昆虫复眼并利用多目体视法进行测距的技术原理，对其测距精度及影响因素进行讨论，最后对其应用前景进行展望。

关键词：昆虫复眼；体视测距

中图分类号：Q964

1 绪论

1.1 昆虫复眼的视觉优势。动物的感知器官在其信息接收、处理系统的方法上给了人类很有意义的启迪，尤其是以螳螂、蜻蜓、苍蝇等昆虫为代表的，经过了自然进化而逐渐完善，具有独特的技能与精巧奇妙结构的昆虫复眼。对昆虫复眼视觉系统功能的模拟与实现是当前仿生学研究的热点之一。

1.2 研究目的。目标的距离信息是在军事上对进一步跟踪、定位及射击的重要参数。人类用双眼的立体视觉可以得到所观察物体的三维信息，以此估计物体的距离。依照人眼睛的视觉原理，用两台有一定间距的成像设备，也可以用来计算出物体的距离。但是，成像设备受分辨率和安装误差的限制，是不可能与精密的人眼相媲美，估算出的距离，受相机间距和的分辨率精度影响很大。

2 昆虫复眼的多目体视测距原理

原理上讲，用两个探测器就能测出目标的三维坐标，但在实际操作中，由于多种测量误差的存在，利用双目立体测距方法估算出的物体距离，在很大程度上受目标尺寸、子孔径间距和分辨率的影响，导致较远距离的测距精度低且结果不是很稳定。仅用两个探测器还是会存在较大误差，如果物体在表面上出现突变，或者部分被遮挡时，在图像匹配时会引起混淆，从而导致测距错误。双目测距法存在的另一个缺点是对应点搜索范围大，因而计算较复杂且耗时长。虽然多目平面测距精度会比双目高，但是还是不能克服视场小，图像信息不全等缺点。

为了解决这些问题，提出了多目立体视觉的测距方法，即使用多个CCD对同一景物从不同角度成像来获得立体图像。多目立体测距方法在使用时，增加了匹配的约束条件，降低错误匹配率。且多目测距利用多次测量求平均的原理，联立多个方程式，在计算中误差相互抵消，相对精确地得到目标的三维坐标。

2.1 多目体视测距实现方法。以7个CCD探测器为例来说明多目体式测距的工作原理。以一个CCD为中心，其余CCD的一边与中心位置CCD的边重叠。七个CCD由弧面中心向外辐射；整个外框用一根立杆支撑，立杆固定在云台上。CCD模拟昆虫的小眼，进行视频采集。运用多个DSP进行同步并行处理，使得处理效率更高；系统外观整体呈弧面，七个CCD的所采集到的图像可以拼接成一个超大的全景图，这样就扩大了整个探测系统的视野范围，与此同时，可以保证整体具有较高的分辨力；多个CCD组成的大视场对运动目标敏感，更容易发现，这样的结果是，既可以实现对运动目标进行立体测量，也可以选择其中成像效果更好的一路视频图像进行处理，这样测量结果更加精确。操作过程是，由显示与控制系统进行运作，控制搜索伺服的机构运动，带动CCD进行工作，并将获取的数据在图像采集卡上转换为数字图像，而后送到目标搜索系统和显示控制系统。在显示设备上可以对图像数据进行全视场显示。图像经过目标搜索系统的处理后，提取可疑目标，再经过匹配之后，确认目标。在目标确认后，显示控制系统将所获得的目标的位置和形状等信息传送给目标跟踪系统，跟踪系统接收到目标的信息后，使中央的CCD锁定跟踪目标，控制跟踪伺服机构运动。

2.2 多目体视测距原理分析。假设点目标位于OXYZ坐标系中，对坐标原点O和Z轴规定，使均在中央探测器轴线上，点目标所在平面XOY与中央探测器像平面XOY平行，此时点目标的Z坐标值也为零。对坐标轴上5个探测器的情况进行分析，它们的轴线与目标平面的交点如图1所示。用l0，l1，l2，l3，l4代表这5个探测器。点目标在XOY平面内的坐标为（x，y），x和y可以是负数，点目标到5个探测器透镜轴线的距离与图1对应，分别是h0，h1，h2，h3，h4，那么相对应的，则有：

2.3 多目体视测距误差分析。（1）从上式可以看出，目标到子孔径探测器阵列的距离与成像位置（l0，l1，l2，l3，l4）有关，与探测器的焦距和子孔径的间距有关。而对于固定的探测器来说，焦距已定，子孔径间距可调，那么成像位置的精度直接决定了物距的精度。（2）多目体视测距系统在图像匹配方面，采用亚像素匹配精度，匹配极限为0.5个像素，相对于传统的2像素匹配极限，在很大程度上提高了多目体视测距系统的测距精度。

3 多目体视测距的应用形式

多目体视测距应用领域有重要的现实意义，优势对比诸如在汽车驾驶的观察系统、导弹火控系统、侦察成像系统、战场的侦察系统等领域均可以广泛的应用。

3.1 在汽车驾驶系统中的应用。车辆在驾驶的过程中视野较窄，通常障碍物与车辆之间的距离是通过人眼进行估测，但这样测量不准确，增加了汽车碰撞事故的发生概率。一般在低速防撞方面，目前倒车雷达应用最多，但是倒车雷达只能对后方大体积障碍物进行测距，且每一次只能对一个障碍物进行探测，而无法显示前方与左右两边路面的物体情况，因而，倒车雷达测量范围小，盲区大。可以运用多目体视测距原理，结合计算机及摄像机等硬件，设想一种具有全方位测距功能的新型探测系统，能够对上述问题解决。

3.2 复眼成像侦察系统的功能。在军事领域可在一种新型的复眼成像侦察系统中用于对目标的被动测距。采用7只CCD摄像头构成复眼阵列，7个透镜布置在一个球面上，一个透镜在中心，其余6个围绕中心透镜均匀排布，透镜组正面看呈中心对称。边缘的每个透镜与中心透镜的光轴夹角为相同。由于没有光阑限制，相邻透镜在视场上存在很大的重叠区域，以便于多通道信息融合。使用多路图像采集系统同时获取七路视频信号，为了模仿复眼并行处理模式，在每个CCD摄像头安装一个DSP处理器，对各自场景信息及时进行处理，这样可以对信息的采集和处理并行操作。根据七路数字图像，利用超分辨率图像重构技术获取目标的高分辨率图像，同时利用多目体视测距法计算目标距离。在连续成像和计算测距的基础上，可以进一步估测目标运动速度和运动轨迹。优势如下：一是全被动工作方式，隐蔽性好；二是有效增加检测视野更加容易检测到目标。

参考文献：

[1]马惠钦.昆虫与仿生学浅谈[J].昆虫知识，2000.

[2]张红鑫，卢振武，王瑞庭.曲面复眼成像系统的研究[J].光学精密工程，2006.

作者简介：吴惠龙（1991.01-），男，福建漳州人，本科，助教，教师，主要研究方向：光学仪器基本原理；吴刚（1976.11-），男，浙江乐清人，本科，讲师，教师，主要研究方向：光学仪器修理和保管保养。

作者单位：武警杭州士官学校 军械系，杭州 310023