亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于視場(chǎng)分割的仿生復(fù)眼系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

        2021-08-31 02:20:28何博俠
        機(jī)械與電子 2021年8期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        劉 貝,何博俠

        (南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

        0 引言

        大視場(chǎng)成像系統(tǒng)在智能監(jiān)控[1]、導(dǎo)航定位[2-3]以及國(guó)防軍事[4-5]等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。如智能監(jiān)控系統(tǒng)需要檢測(cè)并識(shí)別行人和車輛[6];無人駕駛汽車可以通過全景圖像來進(jìn)行導(dǎo)航定位[7];無人機(jī)需要大范圍內(nèi)搜尋并跟蹤運(yùn)動(dòng)[8-9]。目前,傳統(tǒng)的大視場(chǎng)成像方法主要有圓柱投影法[10]、魚眼透鏡[11]、旋轉(zhuǎn)拼接法[12]和折反射成像系統(tǒng)[13]等。魚眼透鏡和折反射系統(tǒng)通常采用單一的低分辨率、大畸變的圖像傳感器,因此,所成圖像分辨率低且具有相當(dāng)大的畸變;旋轉(zhuǎn)拼接成像系統(tǒng)成像耗時(shí)長(zhǎng)且只能采集靜物,具有低效率和實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。

        昆蟲復(fù)眼因其結(jié)構(gòu)緊湊、視場(chǎng)大和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注,目前復(fù)眼系統(tǒng)主要有基于微透鏡陣列[14-15]和基于相機(jī)陣列2種形式。傳統(tǒng)微透鏡復(fù)眼由于微透鏡結(jié)構(gòu)的特殊性存在著加工困難、分辨率低的缺點(diǎn),不具有工業(yè)實(shí)用性。隨著相機(jī)的高分辨率、寬動(dòng)態(tài)和集成化發(fā)展,采用相機(jī)陣列實(shí)現(xiàn)復(fù)眼成為一種更加可行的選擇。傳統(tǒng)多相機(jī)仿生復(fù)眼設(shè)計(jì)中常將相機(jī)視角簡(jiǎn)化為圓形,需要對(duì)相機(jī)原始視場(chǎng)進(jìn)行切割,無疑會(huì)降低相機(jī)利用效率。因此,本文提出一種直接采用相機(jī)原始矩形視場(chǎng)進(jìn)行視場(chǎng)分割的設(shè)計(jì)方法,首先分析單個(gè)“子眼”相機(jī)視場(chǎng)與總視場(chǎng)的關(guān)系,然后利用矩形視場(chǎng)水平、垂直方向的視場(chǎng)角對(duì)預(yù)定半球視場(chǎng)進(jìn)行緯度層和經(jīng)度層的分割,確定各相機(jī)在半球體上的位置和方向。這種設(shè)計(jì)方法大大提高了相機(jī)的利用率且降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度,為后續(xù)全景圖像拼接提供了便利。

        1 基于視場(chǎng)分割的復(fù)眼系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論

        設(shè)計(jì)的多相機(jī)曲面仿生復(fù)眼如圖1所示。該系統(tǒng)由1個(gè)半徑為R的半球和位于球面上的若干個(gè)完全相同的相機(jī)組成。球殼起支撐作用,每個(gè)相機(jī)負(fù)責(zé)特定的視場(chǎng)空間,且所有相機(jī)的光軸均經(jīng)過球殼的球心。由于相機(jī)排布在半球體上,所以可以通過建立球坐標(biāo)系來確定相機(jī)的位置。如圖2所示,空間中任一點(diǎn)P的坐標(biāo)均可表示為(R,φ,θ),其中R為球殼的半徑,φ為向量OP與Z軸正方向所成的夾角,稱為仰角,θ為向量OP在XY平面的投影與X軸正方向所成夾角,稱為方位角。

        圖1 仿生復(fù)眼系統(tǒng)

        圖2 球坐標(biāo)系

        球坐標(biāo)系(R,φ,θ)與直角坐標(biāo)系(x,y,z)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

        (1)

        本文采用單個(gè)相機(jī)的物平面來進(jìn)行預(yù)定視場(chǎng)分割,因此,首先需要對(duì)單個(gè)相機(jī)的物平面進(jìn)行分析。如圖3所示,可以用一個(gè)假想的四棱錐來表示相機(jī)的視場(chǎng),且像平面一定與該四棱錐底面平行,若存在一個(gè)經(jīng)過光軸且與相機(jī)像平面平行的物平面,則此物平面也一定為矩形。

        圖3 像平面與物平面的關(guān)系

        此矩形的長(zhǎng)L和寬W與物距D的關(guān)系為

        (2)

        在復(fù)眼系統(tǒng)中各相機(jī)的光心與球心并不重合,因此,在視場(chǎng)分割時(shí)必須將其水平視角與垂直視角進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換。如圖4所示,在成像距離為D,物平面長(zhǎng)寬分別為L(zhǎng)、W時(shí),記相機(jī)等效水平視場(chǎng)角為α′、等效垂直視場(chǎng)角為β′,可得

        圖4 相機(jī)等效視場(chǎng)角示意

        (3)

        1.1 相機(jī)分層規(guī)則

        以單個(gè)“子眼”相機(jī)的物平面代替相機(jī)的視場(chǎng)范圍,并以此為基本單位,對(duì)預(yù)定視場(chǎng)進(jìn)行無縫分割,主要有以下2個(gè)步驟:

        a.根據(jù)求得的等效垂直視場(chǎng)角β′,從緯度方向?qū)㈩A(yù)定視場(chǎng)ψ=π劃分為若干層,如圖5所示,則可將虛擬視場(chǎng)垂直分割為N層,即

        圖5 緯度劃分示意

        (4)

        ceil表示向上取整;+0.5表示當(dāng)各層視場(chǎng)重疊部分較少時(shí)增加1層相機(jī),從而達(dá)到增加各層視場(chǎng)重疊部分的效果。層數(shù)N由上至下,逐層增加。復(fù)眼的第1層只需要1個(gè)相機(jī),且位于同一層的所有相機(jī)的坐標(biāo)值φ相同,因此,第n(1≤n≤N)層所有相機(jī)的φ坐標(biāo)值為

        (5)

        b.當(dāng)每層相機(jī)的φ坐標(biāo)值確定后,進(jìn)而確定各個(gè)相機(jī)的θ坐標(biāo)值,即可確定各個(gè)相機(jī)的位置。由于相機(jī)在每個(gè)緯度層上均勻分布,因此,第n緯度層相機(jī)的個(gè)數(shù)為

        (6)

        (7)

        因此,第n層上的第m個(gè)相機(jī)的θ坐標(biāo)值為

        (8)

        εn為同一層相鄰2個(gè)相機(jī)之間的θ坐標(biāo)差值,即

        (9)

        通過上述步驟,即可確定實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定視場(chǎng)無縫分割需要的相機(jī)總數(shù)M,以及“子眼”相機(jī)的安裝位置和角度。

        (10)

        1.2 有效視場(chǎng)分析

        根據(jù)上述設(shè)計(jì)規(guī)則,除了最頂層和最底層以外的任意緯度層的實(shí)際成像情況如圖6所示。其中,某個(gè)相機(jī)的實(shí)際成像范圍可看作1個(gè)等腰梯形。因?yàn)橄鄼C(jī)在同一緯度層上是均勻排布的,所以各相機(jī)的實(shí)際成像范圍是相等的,即所有等腰梯形都是相等的。定義實(shí)際成像梯形的高為hn,上底為tn,下底為bn,計(jì)算公式為

        圖6 第n緯度層實(shí)際成像視場(chǎng)示意

        (11)

        則該緯度層物平面的有效面積Sn為

        (12)

        對(duì)于最頂層而言,它只包含1個(gè)相機(jī),只有1個(gè)物平面,且該物平面在實(shí)際成像時(shí)與第2層的相機(jī)部分重疊,且與每個(gè)相機(jī)重疊的區(qū)域相等,則第1緯度層的實(shí)際成像物平面可等效為1個(gè)正多邊形,其邊數(shù)與第2層相機(jī)的個(gè)數(shù)M2相同,邊長(zhǎng)等于第2層有效梯形區(qū)域的上底t2,故第1緯度層物平面的有效面積S1為

        (13)

        對(duì)于最下方的第N緯度層,不同于其他層的是,其中某一相機(jī)的有效成像物平面不與下一層相機(jī)重疊,則其實(shí)際成像物平面范圍可等效為1個(gè)等腰梯形外加1個(gè)矩形。其中梯形區(qū)域與上述緯度層相同;矩形區(qū)域的長(zhǎng)等于等腰梯形的下底bn,矩形的寬為wn=hn。則第N緯度層的有效視場(chǎng)區(qū)域SN為

        (14)

        仿生復(fù)眼系統(tǒng)整體的有效視場(chǎng)區(qū)域S等于各緯度有效視場(chǎng)面積之和,即

        (15)

        同時(shí),所有“子眼”相機(jī)的實(shí)際物平面面積之和S0為

        S0=M×L×W

        (16)

        則可得整體系統(tǒng)的利用率,即有效視場(chǎng)占所有“子眼”相機(jī)物平面總面積的比例μ為

        (17)

        依照上述設(shè)計(jì)規(guī)則,設(shè)計(jì)一個(gè)水平視場(chǎng)為2π,垂直視角為π,球體半徑為r,最小全景成像距離為D的復(fù)眼系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)來研究D/r,以及“子眼”相機(jī)水平視角α和垂直視角β對(duì)仿生復(fù)眼系統(tǒng)總相機(jī)數(shù)M以及視場(chǎng)有效率μ的影響。

        由圖7、圖8和圖9可知,無論D/r為多少,隨著“子眼”相機(jī)水平視角α和垂直視角β的減少,所需相機(jī)總數(shù)M增加、視場(chǎng)有效率μ均呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)橄鄼C(jī)視角減小,對(duì)于已定視場(chǎng)需要分為更多層,導(dǎo)致所需相機(jī)總數(shù)M增加,同時(shí),由于相機(jī)數(shù)增多,兩兩相機(jī)間又各有重疊區(qū)域,使得系統(tǒng)整體重疊區(qū)域增加,導(dǎo)致視場(chǎng)有效率μ降低。

        圖7 D/r=5時(shí)M、μ與α、β的關(guān)系

        圖8 D/r=10時(shí)M、μ與α、β的關(guān)系

        圖9 D/r=20時(shí)M、μ與α、β的關(guān)系

        另外,從圖中可以看出當(dāng)D/r增大時(shí),相機(jī)總數(shù)M隨之減小,而視場(chǎng)有效率μ隨之增大。通過這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以選擇更大視場(chǎng)角的相機(jī)和合適的成像距離來提高相機(jī)的利用率,以及實(shí)現(xiàn)更大視場(chǎng)的仿生復(fù)眼系統(tǒng)。

        2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        基于上述仿生復(fù)眼設(shè)計(jì)規(guī)則,選用HBV-1610型號(hào)相機(jī)設(shè)計(jì)仿生復(fù)眼系統(tǒng)。其主要技術(shù)參數(shù)如下:傳感器型號(hào)為GT2005 COMS,其光學(xué)尺寸為1/5 inch,最大有效像素1 616×1 216 ,傳感器尺寸為2 849 μm×2 184 μm,單個(gè)像素尺寸為1.75 μm×1.75 μm;對(duì)角線視場(chǎng)角為60°,焦距為2.7 mm;相機(jī)物理尺寸為8.5 mm×8.5 mm×4.6 mm,原件區(qū)尺寸為17.2 mm×26.2 mm。

        根據(jù)實(shí)際成像需求選取相機(jī)視場(chǎng)角χ≈60°,并根據(jù)實(shí)際相機(jī)尺寸,確定球殼尺寸R=4 cm,最小全景成像距離D=20 cm。經(jīng)過測(cè)量得該相機(jī)水平視角α≈47°,垂直視角β≈40°,實(shí)際采集的圖像分辨率為1 600×1 200像素。根據(jù)上述設(shè)計(jì)規(guī)則,可得所需相機(jī)總數(shù)M=24,將半球殼分為4層,從頂層至上而下各緯度層所需相機(jī)個(gè)數(shù)分別為1、6、8、9。將所有相機(jī)按照Cij進(jìn)行編號(hào),其中i表示第i緯度層,j表示該緯度第j個(gè)相機(jī),則所有“子眼”相機(jī)的坐標(biāo)確定如表1所示。

        表1 復(fù)眼系統(tǒng)中各相機(jī)的坐標(biāo)

        為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì),制作了2層的仿生復(fù)眼系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。球殼半徑R=4 cm,整體體積較小,采用3D打印技術(shù)進(jìn)行制作。

        圖10為該仿生復(fù)眼系統(tǒng)最終實(shí)物圖,硬件電路的核心為HBV-DSP1610AF,負(fù)責(zé)圖像的采集和傳輸。圖11為該仿生復(fù)眼系統(tǒng)采集的全景圖像,該圖像由7張子眼圖像拼接而成,且內(nèi)部不存在空白,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。依照該設(shè)計(jì)規(guī)則制作的復(fù)眼初步實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)全景成像。根據(jù)理論分析可得,該復(fù)眼系統(tǒng)無縫成像視角約為79.5°,成像像素大小為1 200萬像素。

        圖10 仿生復(fù)眼實(shí)物

        圖11 復(fù)眼系統(tǒng)所成全景圖

        3 結(jié)束語

        本文提出了一種基于視場(chǎng)分割的多相機(jī)陣列仿生復(fù)眼系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,該方法通過直接采用相機(jī)原始矩形視場(chǎng)對(duì)預(yù)定視場(chǎng)進(jìn)行分割,避免了傳統(tǒng)復(fù)眼設(shè)計(jì)中將相機(jī)視場(chǎng)簡(jiǎn)化為圓形使得相機(jī)利用率降低的問題。

        該方法首先根據(jù)相機(jī)的視場(chǎng)角計(jì)算與圖像傳感器靶標(biāo)平面平行的矩形物平面大小。然后分析了“子眼”視場(chǎng)和總視場(chǎng)的關(guān)系,提出了一種基于矩形物平面的視場(chǎng)分割規(guī)則,確定了對(duì)預(yù)定視場(chǎng)進(jìn)行完整分割所需的相機(jī)個(gè)數(shù),以及其安裝位置和角度。同時(shí)還分析了水平視場(chǎng)角、垂直視場(chǎng)角對(duì)相機(jī)數(shù)目和相機(jī)利用率的影響。最后根據(jù)上述相機(jī)排布規(guī)則設(shè)計(jì)了2層的仿生復(fù)眼系統(tǒng),該系統(tǒng)由7個(gè)“子眼”相機(jī)在球面上按照固定規(guī)則排列而成,每個(gè)子眼指向不同的視場(chǎng)空間,整體實(shí)現(xiàn)了79.5°無縫成像,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。

        本設(shè)計(jì)方法采用了分層思想,會(huì)導(dǎo)致不同層相機(jī)的重疊度不同,導(dǎo)致整體重疊度變大。在今后的研究中,可以提出一種相機(jī)排列方式使得所有相機(jī)重疊度相同,提高相機(jī)利用率,降低系統(tǒng)復(fù)雜度,進(jìn)一步提高復(fù)眼系統(tǒng)的實(shí)用性。

        猜你喜歡
        系統(tǒng)設(shè)計(jì)
        Smartflower POP 一體式光伏系統(tǒng)
        WJ-700無人機(jī)系統(tǒng)
        ZC系列無人機(jī)遙感系統(tǒng)
        何為設(shè)計(jì)的守護(hù)之道?
        《豐收的喜悅展示設(shè)計(jì)》
        流行色(2020年1期)2020-04-28 11:16:38
        基于PowerPC+FPGA顯示系統(tǒng)
        半沸制皂系統(tǒng)(下)
        瞞天過?!律O(shè)計(jì)萌到家
        連通與提升系統(tǒng)的最后一塊拼圖 Audiolab 傲立 M-DAC mini
        設(shè)計(jì)秀
        海峽姐妹(2017年7期)2017-07-31 19:08:17
        久久AⅤ无码精品为人妻系列| 人人妻人人澡人人爽欧美一区| 男人的天堂免费a级毛片无码| 欧美日本国产va高清cabal| 亚洲网站免费看| 九一精品少妇一区二区三区| 一边做一边说国语对白| 精品久久久中文字幕人妻| 久久中文字幕日韩无码视频 | 蜜臀av一区二区三区| 中文精品久久久久人妻不卡| 日日噜噜夜夜狠狠久久无码区| 日本中文字幕一区二区高清在线 | 国产精品无码久久综合网| 精品亚洲成a人在线观看| 久久精品国产亚洲av蜜臀| 中文乱码字幕高清在线观看| 亚洲成人av一区二区| 久久亚洲色一区二区三区| 亚洲av无码一区二区乱子伦| 国产 无码 日韩| 亚洲一区二区三区高清在线观看| 欧美熟妇性xxx交潮喷| 国产精品片211在线观看| 日本人妖一区二区三区| 久久久久高潮综合影院| 国产免费无码一区二区三区| 亚洲熟妇中文字幕日产无码| 在线观看国产激情视频| 免费操逼视频| 天天躁日日操狠狠操欧美老妇| 日本免费三片在线视频| 久爱www人成免费网站| 亚洲人成网站免费播放| 久久精品国产亚洲一级二级| 国产欧美高清在线观看| 无码精品国产va在线观看| 亚洲色无码中文字幕| 成人大片免费观看视频| 免费观看性欧美大片无片| 国产精品黑色丝袜在线播放|