一種多相機(jī)協(xié)調(diào)控制與快速精確目標(biāo)識(shí)別裝置制造方法
【專利摘要】多相機(jī)協(xié)調(diào)控制與快速精確目標(biāo)識(shí)別裝置，它采用八個(gè)相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)360°的觀察視野范圍，采用對(duì)焦前后所采集的模糊圖像與清晰圖像的匹配結(jié)果以及幾何光路分析對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速精確定位，通過(guò)圖像處理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與定位；所述的八個(gè)相機(jī)均具有自動(dòng)對(duì)焦功能，當(dāng)識(shí)別出目標(biāo)后，觸發(fā)所對(duì)應(yīng)相機(jī)在調(diào)焦前后采集兩幅圖像，利用設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)中的匹配算法及光學(xué)方程計(jì)算目標(biāo)的位置；它配備仿跳蛛視覺系統(tǒng)的智能機(jī)器人擁有接近360°的檢測(cè)視野，通過(guò)其特殊的目標(biāo)定位方法；避免了多相機(jī)標(biāo)定坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜計(jì)算。
【專利說(shuō)明】一種多相機(jī)協(xié)調(diào)控制與快速精確目標(biāo)識(shí)別裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人仿生視覺【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種仿跳蛛視覺系統(tǒng)的多相機(jī)協(xié)調(diào)控制與快速精確目標(biāo)識(shí)別裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]跳蛛頭部8只眼睛在彩色掃描電子顯微鏡下的分布情況。跳蛛的8只眼睛，分3列排布。第I列的4只眼睛在頭胸部前端的垂直面上，中間兩眼(AME)特別大，兩旁的眼(ALE)較小，均有磁質(zhì)光澤。第2列眼(PME)位于頭胸部前部背面，相當(dāng)小，往往被毛擋住一部分而不易看清。第3列眼(PLE)常與前側(cè)眼大小相近。如用線把這8眼連起來(lái)，可以看到它們組成I個(gè)方形或近似方形的眼區(qū)。跳蛛的視力在無(wú)脊椎動(dòng)物中最佳，許多種類能分辨10?30厘米遠(yuǎn)的獵物或其他蜘蛛。跳蛛首先會(huì)在30倍于體長(zhǎng)的距離外看到并且辨認(rèn)出獵物，然后悄悄地追蹤，其間爬行、等待、跳躍并舉。
[0003]跳蛛的AME具有非常高的分辨率，但視場(chǎng)范圍比較窄，約2°到5°。然而，跳蛛AME后部的管狀視網(wǎng)膜可以沿視覺直線軸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)窄靜態(tài)視場(chǎng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。這類似于大多數(shù)靈長(zhǎng)類動(dòng)物通過(guò)運(yùn)動(dòng)眼睛將感興趣圖像聚焦到中心凹。
[0004]大多數(shù)生物或是通過(guò)調(diào)節(jié)眼睛中晶狀體的焦距視物(例如人類的雙目立體視覺系統(tǒng))，或是靠移動(dòng)頭部制造一種"運(yùn)動(dòng)視差"來(lái)評(píng)估與某個(gè)物體的距離。雖然，跳蛛有8只眼，其中，4只在頭部上方密集排列，包括兩只較大的主眼和兩只較小的側(cè)眼，但視力極佳的跳蛛?yún)s無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)眼睛中晶狀體的焦距視物，也不具備制造"運(yùn)動(dòng)視差"的能力。
[0005]日本研究人員在新一期美國(guó)《科學(xué)》雜志上報(bào)告說(shuō)，跳蛛的視覺系統(tǒng)能很好地利用光線中的綠光，形成獨(dú)特的圖像散焦機(jī)制。在捕捉獵物時(shí)，跳蛛的側(cè)眼首先感知到運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)，然后再靠主眼瞄準(zhǔn)。跳蛛主眼的視網(wǎng)膜有4個(gè)感光細(xì)胞層，其中下面兩層含有對(duì)綠光敏感的色素。由于各個(gè)感光細(xì)胞層與晶狀體之間的距離不同，入射光線中的綠光只能在最下面一層上聚焦，而倒數(shù)第二層雖然也對(duì)綠光敏感，但卻不能清晰聚焦，只能形成模糊的圖像。研究人員分析后認(rèn)為，跳蛛正是通過(guò)對(duì)比這兩層的圖像、并根據(jù)模糊圖像的散焦程度推算出與獵物之間的真實(shí)距離。這一新發(fā)現(xiàn)將有助于研發(fā)適用于機(jī)器人的新型視覺系統(tǒng)。
[0006]跳蛛的主眼像貓眼一樣精良，但是構(gòu)造迥異。我們從外面看到的是靜止的，有著長(zhǎng)焦距的角膜晶體。在每個(gè)凸面晶體之后都有一根長(zhǎng)眼管通向復(fù)雜的視網(wǎng)膜。光通過(guò)視網(wǎng)膜表面錐形凹陷處時(shí)發(fā)生折射，這就像望遠(yuǎn)鏡的鏡片一樣，產(chǎn)生了放大圖像的效果。對(duì)于光譜中從紫外線到綠光都很敏感的感光體分布在四層中。人們認(rèn)為，跳蛛之所以可以辨別顏色就在于這種分層的排列以及光的不同波長(zhǎng)聚焦深淺有異。此外，感光體在最底層分級(jí)式的排列使得蜘蛛在沒有調(diào)節(jié)晶體的情況下，可以從遠(yuǎn)到近一直都對(duì)準(zhǔn)物體。在最底層的中間區(qū)域有一個(gè)小凹坑，感受體非常緊密地排在里面。凹坑很小，只有大約100個(gè)感受體，形成大約2度的視角。然而，為了彌補(bǔ)這個(gè)窄角視界，跳蛛有六塊肌肉附著在眼管上，這樣就可以自如旋轉(zhuǎn)、來(lái)回移動(dòng)。一盯上目標(biāo)獵物，眼部晶體就會(huì)在凹坑中投下巨大的圖像，跳蛛就會(huì)通過(guò)移動(dòng)凹坑對(duì)它進(jìn)行監(jiān)視。[0007]跳蛛采用的是一個(gè)叫做圖像散焦的視覺方式，該方法涉及到將一個(gè)模糊的畫面與一個(gè)清晰分明的畫面進(jìn)行比較。人類用畫面散焦來(lái)對(duì)兩個(gè)物體間的距離進(jìn)行粗略估計(jì)一想想那些前景模糊但背景清楚的照片——但是到目前為止，沒有一種已知的動(dòng)物是用畫面散焦來(lái)確定與某單個(gè)物體的距離的。
[0008]目前，國(guó)際上對(duì)跳蛛生理視覺的研究比較成熟，但充分利用其優(yōu)良特征的仿生研究還未出現(xiàn)，因此，仿跳蛛視覺系統(tǒng)的課題研究具有前沿性與創(chuàng)造性。此仿生系統(tǒng)將為機(jī)器人視覺實(shí)現(xiàn)360°大視場(chǎng)觀察，并能從復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)環(huán)境中識(shí)別到目標(biāo)后利用主視覺相機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位，這說(shuō)明此技術(shù)具有先進(jìn)性。
[0009]目前，機(jī)器人單目視覺主要是通過(guò)攝像機(jī)的前后移動(dòng)，來(lái)計(jì)算中心線垂直平面內(nèi)的目標(biāo)位置。單目視覺觀察目標(biāo)時(shí)，一般損失了圖像的深度信息，且感知范圍有限，這限制了其使用。立體視覺定位主要是基于攝像機(jī)標(biāo)定、三維笛卡爾空間坐標(biāo)變換、圖像匹配等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。受攝像機(jī)標(biāo)定誤差的影響，基于立體視覺的傳統(tǒng)定位方法往往使最終定位結(jié)果帶有誤差，并靠傳感器來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步修正補(bǔ)償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010](一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0011]本發(fā)明的目的是提供一種多相機(jī)協(xié)調(diào)控制與快速精確目標(biāo)識(shí)別裝置，它配備仿跳蛛視覺系統(tǒng)的智能機(jī)器人擁有接近360°的檢測(cè)視野，通過(guò)其特殊的目標(biāo)定位方法；避免了多相機(jī)標(biāo)定坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜計(jì)算。
[0012](二)技術(shù)方案
[0013]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0014]一種多相機(jī)協(xié)調(diào)控制與快速精確目標(biāo)識(shí)別裝置，它采用八個(gè)相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)360°的觀察視野范圍，采用對(duì)焦前后所采集的模糊圖像與清晰圖像的匹配結(jié)果以及幾何光路分析對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速精確定位，通過(guò)圖像處理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與定位。
[0015]所述的八個(gè)相機(jī)均具有自動(dòng)對(duì)焦功能，當(dāng)識(shí)別出目標(biāo)后，觸發(fā)所對(duì)應(yīng)相機(jī)在調(diào)焦前后采集兩幅圖像，利用設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)中的匹配算法及光學(xué)方程計(jì)算目標(biāo)的位置。
[0016](三)有益效果
[0017]本發(fā)明相比較于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下有益效果:配備仿跳蛛視覺系統(tǒng)的智能機(jī)器人擁有接近360°的檢測(cè)視野，通過(guò)其特殊的目標(biāo)定位方法；避免了多相機(jī)標(biāo)定坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜計(jì)算。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0019]圖2a為跳蛛單只主眼的縱斷面示意圖；
[0020]圖2b為跳蛛主眼的縱向軸四層結(jié)構(gòu)分布圖；
[0021]圖2c為跳蛛主眼的長(zhǎng)焦距光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2d為跳蛛第一層橫截面的一個(gè)鏢形視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為跳蛛主眼成像幾何光學(xué)分析圖；
[0024]圖4為【具體實(shí)施方式】中采用自動(dòng)調(diào)焦相機(jī)進(jìn)行定位的分析示意；[0025]圖5為【具體實(shí)施方式】中根據(jù)圖像來(lái)計(jì)算圖像中目標(biāo)放大比例的示意圖；
[0026]圖6為跳蛛身體及頭部眼睛結(jié)構(gòu)分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0028]參看圖1，本【具體實(shí)施方式】采用如下技術(shù)方案:它采用八個(gè)相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)360°的觀察視野范圍，采用對(duì)焦前后所采集的模糊圖像與清晰圖像的匹配結(jié)果以及幾何光路分析對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速精確定位，通過(guò)圖像處理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與定位，不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換計(jì)
笪
[0029]所述的八個(gè)相機(jī)均具有自動(dòng)對(duì)焦功能，當(dāng)識(shí)別出目標(biāo)后，觸發(fā)所對(duì)應(yīng)相機(jī)在調(diào)焦前后采集兩幅圖像，利用設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)中的匹配算法及光學(xué)方程計(jì)算目標(biāo)的位置。
[0030]參看圖2a_圖2d，結(jié)合跳蛛利用聚焦圖像與散焦圖像進(jìn)行目標(biāo)定位，通過(guò)8只眼睛協(xié)調(diào)工作的特性，可形成模型，適合仿生視覺系統(tǒng)的建立。
[0031]對(duì)于在離焦下得到的模糊圖像與聚焦下得到的清晰圖像來(lái)對(duì)目標(biāo)定位的仿生，預(yù)采用自動(dòng)調(diào)焦的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0032]對(duì)于一個(gè)成像系統(tǒng)，可用如下的公式描述:
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種多相機(jī)協(xié)調(diào)控制與快速精確目標(biāo)識(shí)別裝置，其特征在于它采用八個(gè)相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)360°的觀察視野范圍采用對(duì)焦前后所采集的模糊圖像與清晰圖像的匹配結(jié)果以及幾何光路分析對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速精確定位，通過(guò)圖像處理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多相機(jī)協(xié)調(diào)控制與快速精確目標(biāo)識(shí)別裝置，其特征在于所述的八個(gè)相機(jī)均具有自動(dòng)對(duì)焦功能，當(dāng)識(shí)別出目標(biāo)后，觸發(fā)所對(duì)應(yīng)相機(jī)在調(diào)焦前后采集兩幅圖像，利用設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)中的匹配算法及光學(xué)方程計(jì)算目標(biāo)的位置。
【文檔編號(hào)】G06K9/00GK103841321SQ201310616456
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】譚治英, 莊曉明, 趙娜娜, 黃榜, 羅艷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院