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仿生复眼系统大视场多目标快速检测技术研究

仿生复眼系统大视场多目标快速检测技术研究

作者：陈起帆西安工业大学

学位级别：硕士

图像是人类获取外界信息的主要来源,而光学系统能够极大地拓展人类视觉功能范围。在相同的场景下,能够获取更大视场,更高分辨率的光学系统,能够更好的服务于安防、运动机器人、跟踪制导等领域,推动国民经济与国防科技的发展。传统光学... 详细信息

图像是人类获取外界信息的主要来源,而光学系统能够极大地拓展人类视觉功能范围。在相同的场景下,能够获取更大视场,更高分辨率的光学系统,能够更好的服务于安防、运动机器人、跟踪制导等领域,推动国民经济与国防科技的发展。传统光学设计中,视场和分辨率之间存在着相互制约的关系,而一种采用多路相机阵列成像的仿生复眼系统成为解决该问题的有效方式之一。且随着人工智能技术的不断提高,智能化的成像系统在军、民领域的需求不断增多,因此将目标自主检测功能与成像系统结合起来必然符合未来的发展趋势。针对上述难题与需求,主要开展了以下的研究工作:1)仿生复眼多路图像采集控制系统设计。通过对多路图像采集和控制理论以及当前多路图像采集方法的研究,设计了系统整体采集控制方案,并相应开发了一套基于现场可编程门阵列(FPGA)的实时多路相机图像采集系统。对系统中所需要的图像传感器、核心控制元件、数据存储器等硬件设备进行对比选型,对系统中软件逻辑部分如CMOS相机配置、图像数据控制、DDR3图像缓存、图像HDMI显示、以太网图像传输等模块进行了设计,并通过仿真工具进行了功能上的验证。2)多路图像拼接算法设计。通过对比目前主流的图像配准算法,选择改进尺度不变特征转换(SIFT)算法对图像进行特征提取,再针对仿生复眼系统图像信息量多,且SIFT算法描述符计算量较大的问题,提出一种结合了主成分分析法(PCA)的PCA-SIFT算法对描述符进行降维,通过缩小特征点提取区域,改变多路图像拼接方式,以减少多路图像特征点匹配次数,使得图像特征提取计算复杂度降低。同时,利用对随机抽样一致(RANSAC)算法进行自适应设计来对特征点进行提纯增加系统鲁棒性,再通过加权平均算法来完成多幅子图像的高视觉效果融合。最后进行综合实验,验证了改进的算法兼顾了图像拼接的速度与质量,相比主流算法,更加适合仿生复眼系统。3)多目标快速检测方法实现。阐述了传统目标检测算法的局限性,分析了基于深度学习卷积神经网络框架下,双阶段经典算法Faster R-CNN和单阶段经典算法YOLOv5的目标检测原理,通过实际训练对比了两种网络的检测效果,并根据仿生复眼系统图像特点,模拟该类图像进行实验,从检测精度与检测速度对两种网络进行评价,最终选择了更加适合仿生复眼系统的YOLOv5模型作为系统目标检测算法,完成对系统图像的多目标检测。4)系统整体验证。搭建了基于Xilinx Kintex-7型FPGA多路图像采集系统,对系统功能进行整体验证。试验结果表明,系统多路采集系统工作正常,成像画质清晰流畅,并可根据实际使用需求调整相机数量,具有较好的灵活性。将图像数据传输至上位机后,能对多路图像进行高效高质量拼接,并对拼接后图像中的多个目标实现快速准确检测。

关键词：仿生复眼系统多路图像采集 SIFT图像拼接主成分分析目标检测

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大视场微透镜并列型仿生复眼系统设计

大视场微透镜并列型仿生复眼系统设计

作者：张家铭长春理工大学

学位级别：硕士

在自然界中,广泛存在着两种视觉系统,一种是类似于人眼的单眼视觉系统;另一种是复眼视觉系统,其本身具有很多优势,如大视场观测、时间分辨率高、结构紧凑、可利用偏振光进行精确导航等,因此吸引了国内外众多学者的研究。随着柔性材料和... 详细信息

在自然界中,广泛存在着两种视觉系统,一种是类似于人眼的单眼视觉系统;另一种是复眼视觉系统,其本身具有很多优势,如大视场观测、时间分辨率高、结构紧凑、可利用偏振光进行精确导航等,因此吸引了国内外众多学者的研究。随着柔性材料和微纳制备技术的发展,复眼系统也逐渐从平面型复眼发展到曲面复眼系统,尺寸和结构也在向着小型化、轻量化迈进,在飞行器和机器人导航、3D成像和大视场探测等光学领域有着巨大的发展潜力和价值。本文分析了昆虫复眼的组成及各组成部分功能,对复眼系统的原理进行了研究。通过将复眼结构抽象成数学几何模型,推导出复眼光学参数之间的制约关系,确定复眼光学参数。根据并列型仿生复眼的光学原理,设计出单个微透镜,利用Zemax的非序列模式和Soildworks,对单微透镜进行阵列。通过设计中继系统,使曲面阵列所成的曲面像转换成平面像,从而被平面探测所接收。将微透镜阵列与中继系统组合并对其进行优化,得到了满足参数要求的复眼结构。为满足复眼系统的3D增材制造工艺需求,对其进行了公差分析和机械结构设计。所设计的复眼系统的视场为123.7°,总长度为6.65mm。优化后的中继系统仅由4片透镜组成,结构简单,其材料均为PMMA。其前端的复眼球壳由2437个紧密拼接的正六边形微透镜组成,每个微透镜的视场为4°,通光口径为110μm。该复眼系统在120lp/mm处,各视场的MTF值均大于0.3,各视场点列图的RMS半径均小于艾里斑半径,成像质量良好。公差设计具有增材制备的工艺可实现性,公差分析结果表明,所设计的公差满足成像质量要求。

关键词：光学系统设计微透镜阵列仿生复眼系统多孔径系统

一种适用于仿生复眼系统的多路图像拼接算法研究

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光学与光电技术 2023年第2期21卷 43-50页

作者：陈起帆聂亮于祖阳刘嘉昕西安工业大学光电工程学院陕西西安710021

仿生复眼系统解决了传统单孔径光学系统中视场与分辨率的矛盾关系,兼具了较大的视场和高分辨率。但随着视场和分辨率的增加,图像信息增多,随之带来了图像拼接中效率和质量问题。针对该问题,提出一种基于改进尺度不变特征转换(SIFT)算法... 详细信息

仿生复眼系统解决了传统单孔径光学系统中视场与分辨率的矛盾关系,兼具了较大的视场和高分辨率。但随着视场和分辨率的增加,图像信息增多,随之带来了图像拼接中效率和质量问题。针对该问题,提出一种基于改进尺度不变特征转换(SIFT)算法和主成分分析(PCA)算法的仿生复眼多路图像拼接融合方法。该方法缩小了特征点提取区域,减少了多路图像特征点匹配次数,降低了图像特征点描述符的维度。再利用改进的自适应迭代随机抽样一致(RANSAC)算法对特征点进行提纯增加鲁棒性,最后通过加权平均算法来完成对多幅子图像的高质量融合。实验结果表明,该算法设计合理,且随着图像信息的复杂程度增加,相较传统算法的拼接效率不断提升,同时保证了较好的拼接质量,可有效拼接融合仿生复眼系统多路图像,对多路图像类系统拼接融合提供借鉴。

关键词：图像处理仿生复眼系统多图像迭代拼接描述符降维随机抽样一致性

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大视场并列型仿生复眼光学系统

光学精密工程 2020年第5期28卷 1012-1020页

作者：张家铭陈宇覃海棋刘传志长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学生命科学技术学院吉林长春130022

为了实现大视场微型仿生复眼系统的增材制造,对仿生复眼的成像原理、微透镜阵列与中继系统的设计以及复眼系统的机械结构进行了研究。根据仿生复眼的光学原理设计出单个微透镜,并完成微透镜阵列。通过设计中继系统,使曲面阵列所成的曲... 详细信息

为了实现大视场微型仿生复眼系统的增材制造,对仿生复眼的成像原理、微透镜阵列与中继系统的设计以及复眼系统的机械结构进行了研究。根据仿生复眼的光学原理设计出单个微透镜,并完成微透镜阵列。通过设计中继系统,使曲面阵列所成的曲面像转换成平面像,从而被平面探测所接收。将微透镜阵列与中继系统组合并对其进行优化。为了满足复眼系统3D增材制造工艺,对其机械结构进行设计。整个复眼系由3481个紧密拼接的正六边形微透镜组成,每个微透镜的视场为4°,通光口径为110μm,整个复眼的视场为123.7°。在120 lp/mm处,复眼各视场的MTF值均大于0.3,各视场点列图的RMS半径均小于艾里斑半径。该系统成像质量良好,公差分析结果表明其像质满足成像要求,满足增材制备工艺需求。

关键词：光学系统设计微透镜阵列仿生复眼系统多孔径系统

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小型化复合孔径双波段观瞄系统设计

红外与激光工程 2022年第4期51卷 331-342页

作者：李晓蕾高明西安工业大学兵器科学与技术学院陕西西安710021

针对单一波段生物复眼孔径小、视距短、接收光谱窄等不足,设计了一种大孔径接收可见光、中波红外仿生复眼光学系统。由于集成光路体积大,子眼系统选择共光路的结构形式。基于入射窗和出射窗的物像共轭关系建立了子眼系统拼接的几何模型... 详细信息

针对单一波段生物复眼孔径小、视距短、接收光谱窄等不足,设计了一种大孔径接收可见光、中波红外仿生复眼光学系统。由于集成光路体积大,子眼系统选择共光路的结构形式。基于入射窗和出射窗的物像共轭关系建立了子眼系统拼接的几何模型。通过设计中继转像系统,将子眼阵列所成的曲面像转换成平面像,解决了平面探测器接收曲面像的问题。整个复眼由37个子眼构成,子眼的焦距为30 mm,视场为20°,入瞳为10 mm,相邻子眼光轴夹角为16°,合并后的视场为116°。相对微透镜阵列式的复眼系统而言,该曲面仿生复眼系统探测距离更远、获取目标信息更全。子眼系统和接收系统的成像质量良好,在-40~+60℃温度范围内无热差影响。

关键词：仿生复眼系统透镜阵列视场拼接双波段

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复眼系统的大视场平像面拼接方法

红外与激光工程 2022年第7期51卷 259-265页

作者：于金池胡源程彬鹏张磊长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

传统曲面仿生复眼中继系统需要承担大视场子眼拼接造成的弯曲像面转换成平像场的任务,给系统设计带来一定难度。针对上述问题提出一种大视场复眼平像面拼接排列的方法,并对该方法进行数学描述。通过构建子眼个数、系统总视场角以及后续... 详细信息

传统曲面仿生复眼中继系统需要承担大视场子眼拼接造成的弯曲像面转换成平像场的任务,给系统设计带来一定难度。针对上述问题提出一种大视场复眼平像面拼接排列的方法,并对该方法进行数学描述。通过构建子眼个数、系统总视场角以及后续合理选取光中继系统参数之间的平衡模型,重点分析中继系统景深与复眼拼接像面光程差之间的关系,得出复眼平像面的拼接方式产生的光程差在典型光中继系统的可接受景深范围内,可以有效地降低中继光学系统设计压力的结论。并基于上述理论设计一种单子眼的视场为16°、整体视场为96°的复眼光学系统进行实践验证。系统最终实现畸变小于2%,传递函数在中心视场达到衍射极限,边缘视场接近衍射极限的良好像质,证明了该拼接理论可行。

关键词：光学系统设计仿生复眼系统平像面拼接曲面拼接

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六边形环带排布的共光路复眼光学系统设计

中国光学（中英文） 2023年第1期16卷 158-173页

作者：范晨刘钧高明吕宏西安工业大学光电工程学院陕西西安710021

为解决仿生复眼系统目前普遍存在的空间利用率较低、子眼孔径较小问题,本文提出一种六边形环带排布的大孔径复眼系统设计方法,通过引入填充因子理论,以传统曲面圆周式排布为对照组,论证了六边形环带排布模型可有效提高大孔径复眼系统的... 详细信息

为解决仿生复眼系统目前普遍存在的空间利用率较低、子眼孔径较小问题,本文提出一种六边形环带排布的大孔径复眼系统设计方法,通过引入填充因子理论,以传统曲面圆周式排布为对照组,论证了六边形环带排布模型可有效提高大孔径复眼系统的空间利用率。针对单波段复眼系统获取目标信息量有限的问题,设计采用红外双波段共光路的成像结构形式,辅以红外双色探测器接收,增强了复眼系统获取目标信息的多维度能力,同时建立了六边形环带排布方式的子孔径定位数学模型。仿生复眼系统共由91个子孔径组成,子孔径入瞳为16 mm,焦距为48 mm,视场角为9°,子孔径合成总视场为96°×85°,中继转像系统焦距为6.14 mm,子眼系统和中继转像系统在-40℃~+60℃温度变化范围内无热差影响,探测器冷反射效应可忽略。对复眼系统进行组合,仿真结果表明:各个光学子通道均方根(RMS)半径均小于艾里斑,光学畸变值均小于0.1%,边缘子通道红外中波/长波波段调制传递函数(MTF)在17 lp/mm处均达到0.5以上。该系统结构紧凑、探测能力强,可用于复杂环境中多目标的探测与识别。

关键词：仿生复眼系统填充因子六边形环带排布红外双波段共光路子孔径定位模型

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复眼星敏感器光学系统

复眼星敏感器光学系统

作者：于金池长春理工大学

学位级别：硕士

星敏感器是用于航天器姿态测量的高精密仪器,它具有测量精度高,自主导航定位准等优点,因此广泛应用于卫星、飞船等需高精度定位和导航的系统。光学系统是星敏感器的核心组成部分,其成像质量决定了它勘测恒星的能力、提取恒星像点的精度... 详细信息

星敏感器是用于航天器姿态测量的高精密仪器,它具有测量精度高,自主导航定位准等优点,因此广泛应用于卫星、飞船等需高精度定位和导航的系统。光学系统是星敏感器的核心组成部分,其成像质量决定了它勘测恒星的能力、提取恒星像点的精度,并影响到系统后续的处理速度和定位精度,因此开展星敏感器光学系统的研究与设计具有实际的意义。目前星敏感器光学系统的设计需求是在宽波段的同时有更高的分辨率、更大的视场和更小的体积等。而仿生复眼系统具有视场大、结构紧凑、分辨率高等特点,正好满足星敏感器光学系统的需求。本文针对采用曲面仿生复眼光学形式的星敏感器开展研究。主要的研究工作如下:(1)分析了现有星敏感器光学系统的结构形式,获知其光学系统在小体积、大视场、高分辨等方面的迫切需求后,提出采用曲面仿生复眼形式作为其光学结构。(2)研究了曲面仿生复眼系统的成像原理,推导出相关参数间的制约关系。针对曲面仿生复眼系统所成曲面像无法直接和平面图像探测器匹配的问题,结合现有几种曲面仿生复眼系统的成像方案,分析利弊后选用加入大视场光中继系统的像面变换方案。(3)针对光中继系统设计难度较大的问题,提出了一种平像面拼接结构,建立了子眼数量、系统总视场以及光程差三者之间数学模型,对平像面拼接造成的光程差进行了分析。同时在分析光中继系统的景深与复眼平像面拼接造成的光程差之间的关系的基础上,还建立子眼数量、系统总视场角以及光中继系统参数三者之间的平衡模型,以此指导光中继系统的设计以降低其设计难度并节约经济成本。(4)根据平像面拼接方法的相关数学模型,平衡优化设计视场角为96°一维视场方向11个子眼的复眼星敏感器光学系统,利用光学软件对曲面复眼阵列及光中继两部分系统分别设计并组合。对组合后整体系统进行像差分析及公差分析,提出像差校正办法和分配公差,最终使其像质满足要求。最终所设计的复眼星敏感器光学系统在平像面拼接方式下产生的光程差在光学中继系统可接受景深范围内,有效地降低光中继系统设计压力。光学系统设计结果在100lp/mm处,各视场处的MTF均高于0.35,各视场下的点列图均方根半径都较小且集中,系统像质优良。

关键词：仿生复眼系统曲面拼接平像面拼接光学系统设计大视场

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受昆虫复眼系统启发的图像重构算法(英文)

智能系统学报 2009年第2期4卷 180-187页

作者：李敏徐立中石爱业黄凤辰河海大学计算机及信息工程学院江苏南京210098

虽然基于像素重排列的迭代反投影算法已经在TOMBO模型构建时提出,但是该方法需要大量的迭代次数,同时在噪声平滑效果上还有待于改进.因此一种正则化的迭代反投影算法被提出为该系统重构图像.采用自适应的总变差正则化因子和双边总变差... 详细信息

虽然基于像素重排列的迭代反投影算法已经在TOMBO模型构建时提出,但是该方法需要大量的迭代次数,同时在噪声平滑效果上还有待于改进.因此一种正则化的迭代反投影算法被提出为该系统重构图像.采用自适应的总变差正则化因子和双边总变差正则化因子来正则化迭代反投影算法.自适应总变差正则化因子根据图像的当前信息来选择参数,因此用该因子正则化后的迭代反投影算法可以在平滑噪声的同时保留高频成分.而双边总变差正则化因子是依据像素点的最邻近领域和次邻近领域来判别该点是否为噪声点,考虑了更多的图像信息,从而可以跨过边缘平滑噪声.同时双边总变差正则化因子可以大大地加速重构的过程.实验是建立在仿生复眼图像上,实验结果证明了这两种正则化的迭代算法的有效性.

关键词：仿生复眼系统超分辨率重构迭代反投影算法正则化