摘 要

仿生复眼模拟大自然中昆虫复眼的特征，相比普通的相机拥有更大的视野，更紧凑的结构，灵敏感更高等特点。仿生复眼可用于三维目标测量，但是在三维测量前首先要对仿生复眼进行标定，因此本文主要研究仿生复眼的标定，在参考了常用的几种相机标定模型后，采用双圆柱面复眼标定模型，相比于其他传统标定模型，有着许多优点，解决了标定困难，工作量大等问题，更有可行性，以及成像效果更好。

使用双圆柱面标定模型，首先采集标定所需的图像，在对图像进行初步处理后，提取图像中的光斑的重心坐标，然后将光斑重心数据按照子眼通道归类，便得到了标定单子眼所需的数据。对于单子眼的标定，本文介绍了多项式拟合，插值，神经网络等多种方法，并用MATLAB仿真，最后直观表示出图像光斑坐标与圆柱面上坐标的映射关系。

关键词：仿生复眼 图像采集 图像处理 神经网路 子眼标定

Abstract

Bionic compound eyes simulate the characteristics of insect compound eyes in nature, and have a larger field of view, a more compact structure, and higher sensitivity than ordinary cameras. The bionic compound eye can be used for 3D target measurement, but before the 3D measurement, the bionic compound eye must be calibrated. Therefore, this paper mainly studies the calibration of the bionic compound eye. After referring to the commonly used camera calibration model, the double cylindrical compound eye calibration model is used. Compared with other traditional calibration models, it has many advantages. It solves the problems of calibration difficulty, large workload, etc., is more feasible, and has better imaging effect.

Using the double-cylinder calibration model, first acquire the image required for calibration, after preliminary processing of the image, extract the coordinates of the center of gravity of the light spot in the image, and then classify the data of the center of gravity of the light spot according to the sub-eye channel to obtain the calibration monocular The required data. For the calibration of monocular eyes, this paper introduces polynomial fitting, interpolation, neural network and other methods, and uses MATLAB simulation, and finally visually shows the mapping relationship between the image spot coordinates and the coordinates on the cylindrical surface.

Keywords: bionic compound eye, image acquisition, image processing, neural network, sub-eye calibration

目录

第一章.绪论 1

1.1题目背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题研究内容和章节安排 2

第二章.复眼结构 4

2.1昆虫复眼 4

2.2仿生复眼 4

第三章.相机标定方法 6

3.1相机成像模型 6

3.1.1针孔成像模型 6

3.1.2非线性成像模型 7

3.2常见相机标定方法 8

3.2.1直接线性法 8

3.2.2两步标定法 9

3.2.3双平面标定法 10

第四章．双圆柱面标定 11

4.1双圆柱面标定原理 11

4.2采集标定图像 11

4.3标定数据处理 13

4.3.1图像预处理 13

4.3.2重心获取 13

4.3.3光斑归类 14

4.4单子眼标定 16

4.4.1插值 16

(1)基于三角剖分的插值 16

(2)双调和样条插值 16

(3)薄板样条插值 17

4.4.2多项式拟合 18

4.4.3神经网络 19

第五章．实验仿真结果与分析 21

结论 26

第1章.绪论

1.1题目背景及意义

随着我国工业化逐步发展，机器视觉开始广泛应用，其中的三维测量技术发展迅速，在许多的领域中都有重要的应用，如在工业检测，生物医疗，机械零部件检测和机器人视觉。但是以往的三维测量技术所使用的单目相机的性能不足以解决目前遇到的很多问题。为了能够满足各领域对三维测量的要求，需要寻找新的视觉系统来满足高灵敏度，高集成度等要求。

近些年来，人们对自然的认识逐渐深入，研究人员发现广泛存在于各种昆虫中的复眼有着许多优点。复眼由许多小子眼组成，每个小眼的功能与单个的成像单元类似。在自然界观察到的复眼，大多是球面形状，这样的好处在于能够尽可能多的容纳子眼，并使得整个复眼的可视角度比其他动物视觉结构的更大。不仅如此，昆虫复眼也拥有体积小，结构紧密，灵敏度高等诸多特点。目前来看，复眼的特点满足对三维探测所需要的能力，但是复眼不同于传统的成像系统，它有着更为严重的畸变，也有各种各样的像差，这就给三维探测前的标定环节产生了困难，在本文所研究的对仿生复眼的标定，不同于传统的相机标定方法，能够有效的进行标定，所以，仿生复眼的标定研究，是实现更好性能的三维测量系统的基础。

1.2国内外研究现状

仿生复眼具备可视范围大，体积小，灵敏度高的优点，一直吸引着研究人员的研究探讨。国内外都开始了仿生复眼的研究，国外起步较早，在2000年开始，有许多研究团队发展了不同的模型。在此基础上，国内外研究人员在复眼的设计，制造，应用等方面取得了很多成果，为现有的工业，军事，医疗行业解决了技术问题，取得了很大的进步。

日本学者Tanida带领下研制出的TOMBO系统，该系统结构包括平面排列的微透镜阵列，信号隔离板和图像探测器，该系统是一种平面仿生复眼结构。其中每个微透镜与对应的传感器组成一个基本的成像系统，为了隔绝通道间的干扰，TOMBO系统在中间安装了隔离层。该系统使用微透镜阵列，虽然单个成像单元分辨率差，运用重采样等数字图像处理方法便可获得清晰图像。虽然TOMBO能够实现复眼的一些特点，但是由于其本身的平面结构限制，该系统的可视角度并没有像自然复眼那么大。TOMBO的复眼结构可以简化到纽扣大小，更利于生产制造。

在2004年，约克大学Richard Hornsey等人根据蜻蜓的复眼设计了曲面的仿生复眼结构。这是从之前的平面结构到曲面结构的重大突破。具体的设计思路是用可弯曲光纤束来模拟曲面，配合装配透镜的圆顶结构，实现曲面结构，然后通过光纤束将图像传到光纤口的平面。之后再重新成像到最底部的传感器。虽然解决了设计曲面复眼的问题，但由于该系统的装配较于困难，因此还未进行实际应用。

在此之后的德国学者Duparre J.研究组制作了并列型仿生复眼AACE,该系统较薄，厚度仅有320μm，视角约21°，但散焦问题严重，灵敏度和分辨率较低。随后课题组改进原有模型，制出了一种神经重叠型仿生复眼ANSE。该模型不仅实现了彩色成像，而且信噪比也比AACE要高。

2013年，欧洲研究小组制作了CurvACE系统，整个系统由三个部分组成，微透镜阵列，光电检测阵列和一个可堆叠切割弯曲的柔性电路板。该系统也是一个平面结构。子眼采用的微透镜方形阵列为42行每行15个，而可视角度为180°*60°。系统的采样带宽可达300Hz。

美国Ohio State大学以平面材料做衬底制作了新型微透镜阵列，外观呈不规则的曲面形状，每个微透镜视角各不相同。整个微透镜阵列的视角可达48°*48°。在之后课题组又设计出一个曲面的仿生复眼。美国伊利诺伊大学Song等人利用可弯曲微透镜阵列制作了半球形的复眼。该仿生复眼包括180个子眼，整体视角约为160°，单子眼视角9.7°，相邻子眼光轴夹角11°，因此视场存在盲区。

国内很多研究机构也开始进行了诸多研究，最早的是长春光机所张洪鑫团队通过使用曲面的微透镜阵列建立了包含三层结构的球面仿生复眼，解决了之前研制出的复眼存在的视场小成像差等问题，又在后续研发中，将重叠复眼模型进行了简化，使得系统对光能的利用率得到了提升。之后的中科院光电所的史立芳设计了一种大视场的复眼结构，使用算法来控制独立镜头之间的成像，最后将其拼接，得到了类似全景的图像。目前我国在仿生复眼的研究在不断深入，取得了诸多成果，逐渐从仿真到能够开始进行工业制备。

1.3课题研究内容和章节安排

本文主要研究仿生复眼的模型和标定，仿生复眼的标定不同于平面的标定，在了解相机的成像原理和常用的标定方法后，选择双圆柱面标定法进行主要研究，讨论双圆柱面标定法实现过程中所需要实行的步骤以及涉及到的一些算法的原理。最后根据现有的复眼系统进行实验验证双圆柱面标定法。

本文的章节内容安排如下：

第一章介绍了目前复眼系统的需求，和复眼标定的重要意义，然后着重介绍了目前仿生复眼在国内外的研究现状。

第二章介绍自然复眼的结构，功能，种类等，然后着重介绍实验中所使用到的仿生复眼的结构，设计的光学参数以及特点。

第三章首先介绍相机的成像模型，然后是几种常用的相机标定的方法。

第四章介绍了双圆柱面标定法的原理，在标定时所需的步骤以及单子眼的标定方法。

第五章展示实现双圆柱面标定方法各个步骤得到的数据，结果，图像等，并进行分析。

第2章.复眼结构

2.1昆虫复眼

昆虫复眼一般是由多个小眼所组成的，它作为昆虫重要的器官，帮助昆虫感知空间物体的距离，尺寸和昆虫日常的进食，寻偶等行为。对于不同的昆虫而言，子眼的数量一般不同，少的可能仅有8个复眼，多的如蜻蜓等可能有上万个子眼。小眼一般是由角膜，角膜、晶锥、感杆束、色素细胞和基膜构成的。角膜是小眼最外层的结构，用于保护子眼受到外界伤害。晶锥的功能类似与人眼的晶状体，用于光线的聚集。感杆束也与人眼的感光细胞类似，帮助昆虫吸收外界的光。基膜能够帮助复眼在环境光较暗时通过反射光线来增强视觉。

昆虫的复眼依据其结构的不同有重叠像眼和并列像眼这两种。这两类最大的不同之处在于重叠像眼有透明带，而并列像眼没有。透明带能够收到从角膜透镜来的光线。因此有重叠像眼的一般是生活环境较暗的昆虫如夜行昆虫，而偏向在白天行动的昆虫一般是并列像眼。而并列型复眼的优点则在于没有了透明带，能够子眼各自成像，因此子眼间受到的干扰较小，基于此原因，并列型复眼的分辨率要远高于重叠型。重叠型复眼可以进一步划分成光学重叠和神经重叠。

复眼的独特结构使得它具有许多人眼或其他生物的眼睛所不能够有的优势和特点。复眼的大小一般都不大，能在昆虫上广泛的存在。复眼的结构非常的紧凑，一个子眼的大小的一般在微米级，即使有上万个子眼所形成的复眼，体积仍然很小，这就使在许多需要微小相机的领域内复眼有着很大的优势。而且复眼的可视角度很大，很多复眼都能有180°的可视角度，更有甚者可以做到360°的可视角度。这使得复眼能够轻松的做到全景成像，还有一点就是对于空间运动的感受性更强，复眼的清晰度一般不高，但是它的敏感度相比其他的视觉器官更高，相比人眼对动作做出相应的反应时间，拥有复眼的生物的反应时间可能只有人的十分之一，在对于高速运动物体的捕捉上，复眼有着很大的优势。

2.2仿生复眼

曲面的仿生复眼系统主要包含透镜阵列，折转透镜，图像传感器以及支撑壳体等部分构成。本文所使用的实验室现有的仿生复眼模型，透镜阵列是由169个微透镜和半球型外壳所组装成的，微透镜的尺寸为直径6mm，曲率半径25.86mm。采集图像所用到的传感器是大面阵CMOS传感器。为了使系统更为简单，所使用的小透镜的基本参数一样。因此安装在球面后锥透镜到图像传感器的光程不一样，会导致成像的质量变差，于是使用折转透镜调节不同的锥透镜到传感器的距离保持一致，折转透镜内径30mm，外径50mm，偏心距8mm。

为了能够实现三维探测和测量，需要子眼间能够有一定的重叠的可视角度。实验室所设计的子眼的参数，可视角度大约有20°，子眼间的重叠的可视角度有7°左右。复眼系统的整个可视角度为105°*105°。由此，复眼系统在观测空间某一物点时便能有多个子眼对其成像，这是通过三角测量法来实现复眼三维测量功能的关键处。除了对子眼参数的设计，还需要对子眼在球壳上的排列进行设计。如果要多个子眼对空间一物点进行成像，则必须要排列紧密。一般参照昆虫复眼的正六边形排列，这不仅使得子眼在球面上的分布变得更为均与，而且每个子眼都会有6个相邻的子眼，使得标定时更为简单。但是由于正六边形得排列仍存在一些问题，比如子眼在靠近中心时，较为密集，但是在边缘时间距变大，导致整体得分布不是太均匀。因此实验中采用的是正二十面体的排列。